宣东二号煤矿地应力测量及分布规律研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 宣东二号煤矿地应力测量及分布规律研究 李洪军 ，李长洪 ，徐志鹏 ，王光红 1 ．北京科技大学 土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．冀中能源张家口矿业集团有限公司 宣东二号煤矿 ，河北 张家口0 7 5 1 0 0 摘要 采用应力解除法，对宣东二号煤矿砂岩和辉绿岩两个岩层 中进行三维地应 力测试， 并对获得的含有应 变计的套孔岩 芯进行 了室 内围压率定试验。结果表明各个主应力均为压应 力，没有出现拉 应 力 的现 象；矿 区以水平 构造 应 力 为主，最 大水平 主应 力 的值在 6 4 ． 9 3 7 3 ． 6 1 M P a范 围 内变化 ，方 向基 本 上 为 S W N E，竖 向主 应 力接近 上覆 岩 体 的 自重应 力 ；各 测 点 的最大剪应力较大，其值均大于 2 0 MP a 。测量结果为矿井采场合理布局、巷道布置选择和锚杆 支 护设计提供可靠依据。 关键词 地应力；应力解除法；分布规律 ；采矿工程 中图分类号 T P 3 l 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 2 _ I 0 9 4 _ 3 地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力，也 是引起采矿工程 围岩和支护结构变形与破坏 的根本作用 力 。产生地应 力的原 因是 十分 复杂 的 ，大量 实测结 果 和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的内应力、地 心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等有关。 另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变 化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和重力应 力场是现今地应力场的主要组成部分 I 4 。 目前，应力解除法与水压致裂法得到 比较广泛 的应 用 。空心包体三轴应力解除法通常应用于矿山、隧道 等地下工程的应力测量，其优点是测量精度较高、安装操 作简便和效率高 。这次地应力测量采用空心包体三轴 应力解除法 ，该方法单孔可测得岩体三维应力状态，对于 井下深部地应力测量具有独特的优势。 宣东二号煤矿是冀 中能源张矿集 团的主力矿井之一 ， 目前开采深度已达 8 3 0 m。由于该矿井被确定为 “ 中澳合作 安全示范型矿井” ，矿下围岩控制研究的项 目需要开展，迫 切要得 到该矿 地应力 场 的分布规 律。为此 ，采 用空心 包体 应力解除法在该矿区进行地应力测试。基于实测数据，分 析了该矿区地应力场的分布规律，为矿区围岩控制研究提 供基础数据 。 1 应力解除法基本原理 应力解除法是使测点岩体完全脱离地应力作用的方法。 其基本原理是当一块岩石从受力作用的岩体中取出后 ，由 于其岩石的弹性会发生膨胀变形，测量出应力解除后此块 岩石的三维膨胀变形，并通过现场弹模率定确定其弹性模 量，则由线性胡克定律即可计算出应力解除前岩体中应力 的大小和方向。试验所用的空心包体应变计如图 1所示。 其主体是一个用环氧树脂制成的壁厚 0 ． 0 0 3 m的空心圆筒， 其外径为 0 ． 0 3 0 5 m。在其 中间部位，即直径为 0 ． 0 3 2 5 m处 沿同一圆周等间距 1 2 0 。 嵌埋着三个电阻应变花。每个应 变花由四支应变片组成，相互间隔 4 5 。 。共计有 1 2支应变 片，分别为周向三支 A 9 。 ，B 帅，C 、轴向三支 A 。 ，B 。 ， C 。 、与轴线成 4 5 。 方向三支 A ，B ，C 以及与轴线成 1 3 5 。 方向三支 A 。 ， ，B C 。应变花具体排列方式如 图 2所示。 图 1空心包体应变计 每组应变花的应力计算公式如下 s 1 E t 盯 1 2 1一“ E y 一 c o s 2 02 r s i n 2 0 ] 2一“ 4 } 1 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 9 作者简介李洪军 1 9 8 3一 ，男 ，河南鲁山人，在读博士研究生，岩土工程专业 ，主要从事采矿过程中岩土工程灾害 控制与预测方面的研究工作。 2 0 1 3年第 2期 煤炭工程 B A 图 2 应变花排 列方式 Z 告[ 一 ] 2 8 百L 一 L y j y - - 1 T C O S sin O k ， 3 式中， ， ， 分别为空心包体所测周向应变、轴 向应变和剪切应变值 ，k 。 一k 4为计算修正系数。 2地应力测量及其结果 2 ． 1 现场地应力解除试验及应变测量结果 根据中澳合作项 目围岩控制研究的要求，主要测量位 置在砂岩和辉绿岩中，参照地应力测试的选点原则，在该 矿区 2个岩层中进行 5个测点的测试 ，其中在辉绿岩层中 有 3个测 点，其 孔 口坐标 4 4 9 2 2 4 0 ． 9 3 9 ，3 8 5 9 8 8 8 9 ． 8 3 3 ， 一 1 8 1 ． 4 3 3 ，l 测点深度 1 0 ． 5 9 m，2 测点深度 1 1 ． 0 9 m，3 测点深度 1 1 ． 5 5 m；在砂岩 岩层 中有 2点，其孔 口坐标 4 4 9 2 2 3 6 ． 2 9 7 。3 8 5 9 8 2 0 9 ． 1 7 9 ， 一1 7 7 ． 4 5 9 ，1 测 点 深 度 1 1 ． 4 3 m，2 测点深度 1 2 ． 7 9 m。各测点钻孔资料见表 1 。 表 1 各测点钻孔 资料 通过现场的地应力测试可以得到各个测点的应力解除 曲线，其中砂岩 1 的应力解除曲线如图 3所示，辉绿岩 2 的应力解除曲线如图4所示。 2 ． 2围压 率定试 验 现场应用空心包体应力解除法得到的并带有应变计的 原始岩芯，进行室内围压率定试验。围压率定曲线提供 了 许多重要信息周向为压缩应变，轴向为拉伸应变，与钻 孔轴线成相同角度方向的应变值非常接近。斜向为压缩应 变，应变值小于周向应变。测点砂岩 1 的套孔岩芯围压率 定曲线如图5所示 ，从图 5中可以看出围压一应变曲线具 有较好的线性关系，可见应变片的工作状态是正常的，现 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 官 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 2 { 卜 _ A0 ● 一A4 5 1． 一A9 0 - 一A 1 3 5 ． - _ B0 ■ 一B4 5 ◆一B9 0 一B 1 3 5 ““O- --C0 C4 5 *一C9 0 C1 3 5 1 0 0 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 解除深度／ c m 图 3 砂岩 l 应 力解 除曲线 ； 一 。 三 ’ 一 ■ 案 ． 一． 解除深度／ c m 图 4 辉绿岩 2 应力解除 曲线 场应力解除具有较好的规律性和稳定性。 2 0 0 1 0 O 0 一1 0 0 。 2 o0 ．3 0 0 _ 4 O 0 5 0 0 6 00 O 2 4 6 8 1 0 1 2 围压 P a 图 5 砂 岩 1 套孔岩芯围压率定 曲线 2 ． 3测试 结果 根据现场地应力测试和室内围压率定试验 ，获得地应 力的最终应变值，根据相关地应力数据处理软件可以获得 地应力值的结果见表 2- 4 。 表2 各测点应力分量计算结果 M P a 注 x的正向指北 ，Y的正向指东 ，z的正向指下。 9 5 煤炭工程 2 0 1 3年第2期 表3 各测点主应力计算结果 表 4 最大剪应力和侧压系数计算结果 2 ． 4 地 应 力场分布规 律 根据 以上各测 点地应力 的计算 结果 ，宣 东二号 煤矿 的 地应力场的分布规律如下 1 五个测量结果有三个结果的最大主应力方向为 S W N E，即辉绿岩 3 、砂岩 1 、砂岩 2 的最大主应力方向分 别 为 2 0 7 ． 7 。 、2 3 2 ． 9 。 和 2 2 7 ． 2 。 。另外两 个 中间主应 力方 向 为 S WN E。由于该矿最大主应力与中间主应力的大小相 差较小，且地应力测量受多种因素影响。因此，最大主应 力方向基本上为 S W N E，该方向与该地区的区域构造应 力场 方向一致 。 2 最大主应力的值在 6 4 ． 9 3 7 3 ． 6 1 MP a范围内变化； 侧压系数在2 ． 6 2 3 ． 4 9范围内变化，表明该矿水平构造应 力很大，水平构造应力 占主导地位。这可能是由于矿体上 方有 厚大的辉绿岩层覆 盖 ，加剧 了构造应力的影响 。 3 竖向主应力均为最小主应力，其倾角值在 6 2 ． 1 。 一 8 5 ． 7 。 范围内变化，应力值大小在 1 9 ． 9 0～ 2 4 ． 7 9 MP a范围内 变化，接近上覆岩体 自重应力。 4 最大剪应力值较大，其五个测点的值在 2 0 ． 0 7 2 4 ． 8 1 M P a范围内变化。较大的剪应力值可能加剧采场的围 岩破坏 。 3结论 1 各个主应力均为压应力，没有 出现拉应力的现象。 96 各个测点的测压系数在 2 ． 6 3～ 3 ． 4 9范围内变化，表明该矿 区水平构造应力较大，水平构造应力 占主导地位。很大的 水平构造应力容易导致 回采巷道底鼓 、冒顶、片帮 ，回采 过程中初次来压和周期来压的来压步距相对较小，来压显 现程度强烈。在较大的水平构造应力下大面积开采容易引 起瓦斯突出和冲击地压。 2 竖向主应力为最小主应力 ，倾角在 6 2 ． 1 。 ～8 5 ． 7 。 范 围内变化，应力值在 1 9 ． 9 02 4 ． 7 9 MP a范围内变化，接近 上覆岩体的 自重应力。最大剪应力值较大，其五个测点 的 值均大于 2 0 MP a 。很大的剪应力可导致矿柱破坏、断层错 动，形成矿震等动力灾害。 3 矿 区地应力的大小 、方 向和分布规律 的确定 为今后 矿区围岩控制管理提供了重要的基础数据。 参考文献 [ 1 ] 蔡美峰 ，乔兰，于波 ，等．金 川二 矿区深部地应 力测 量及其分布规律研 究 [ J ] ．岩石力学 与工 程学报 ，1 9 9 9， 1 8 4 4 1 4～ 4 1 8 ． [ 2] [ 3 ] [ 4] 蔡美 峰．地应力测 量原理 和技术 [ M] ．北 京 科学 出版 社 2 0 0 0 ． 李长洪．构造应力 分析及 其工 程意义 [ J ] ．矿产 与地质 ， 1 9 9 5，9 3 1 9 5～1 9 8 ． 李长 洪．西石 门铁矿 与新城 金 矿地应 力场 研究 及其 比较 [ D] ．北京 北京科技大学 ，1 9 9 3 ． 乔兰 ，蔡美峰．应力解除法在某 金矿地应力测 量中的新 进展 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，1 9 9 5，1 4 1 2 5～ 3 2 ． 王 建军 ．应用 水 压 致裂 法 测 量 三维 地应 力 的 几个 问题 [ J ] ．岩石力学 与工程学报 ，2 0 0 0，1 9 2 2 2 9～ 2 3 3 ． 李长洪 ，张吉 良，蔡美峰 ，等． 大同矿 区地应 力测量及其 与地质构造 的关系 [ J ] ．北京科技大学学报，2 0 0 8 ，3 0 2 1 1 5～1 1 9 ． 蔡美峰 ，乔兰 ，李 长洪．新城 金矿地应力场测 量及其分 布规律研究 [ J ] ．有 色金属 ，2 0 0 0 ，5 2 3 1～ 6 ． 白世伟 ，丁锐．空心包 体应力测量的几个 问题 [ J ] ．岩 土力学 ，1 9 9 2，1 3 1 8 1～ 8 5 ． 康红普 ，林健 ，等．深部 矿井地应力测 量方法研究 与应 用 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 7 ，2 6 5 9 2 9～9 3 3 ． 樊荣金 ．地应力在锚杆支护设计 中的应用 [ J ] ．矿 山压力 与顶板管理 ，2 0 0 4， 1 ． 王连捷．地应力测量及其在工程中的应用 [ M] ．北京 地 质出版社，1 9 9 1 ． 刘 四军．木城涧煤矿 3槽围岩地应力测试研 究 [ J ] ．煤炭 工程 ，2 0 o 9 ， 3 ． 刘文宝， 吴龙泉，刘增平，等．深井复杂条件下巷道支护 优化设计 [ J ] ．煤炭工程， 2 0 0 9 ， 3 ． 康红普 ，姜铁 明，张晓，等．晋 城矿区地应力场研 究及 应用 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 o o 9， 1 ． 责任编辑郭继圣 引 叫 r『r ●L rL r l rL rL r L r L rL 1 1 1 1 1 l