梁宝寺煤矿地应力原位测量及采掘设计优化.pdf

l 6 0 童 媳茬 科 技 2 0 1 5 年 第 4 期 梁宝寺煤矿地应力原位测量及采掘设计优化 杨荣，李超，韩吉宏 肥城矿业集团梁宝寺能源有限责任公司，山东 济宁2 7 2 4 0 4 摘要该 文采 用地应 力场点一 面结合 分析 测试方法 ，进行 了区域 地质构造规律 分析 ，得 出区域构造 应力场 方向，根据 区 域 构造应力场特征分析 结果，结合 梁宝寺煤矿 巷道 布置实际情况 ，选取具有地质代表性的测点以进 行地应力原位测 量，采 用空心包体 应力解除法，进行 梁宝寺煤矿现 场地应力原位 测量，并得 出地应力场三个主应力的大小和方向，得 出 了梁宝寺 煤矿 地应 力分布 的主要规律和 梁宝寺煤矿地应 力分布对巷道稳定影响的三个分 区，对采掘设计给 出了优 化建议 。 关键词地 应力测量采掘设计优化 中图分类号T D3 2 6 文献标 识码B d o i 1 O ．3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 7 3 Li a ng b a o s hi c o a l m i n e i n s i t u s t r e s s me a s u r e m e nt a nd mi ni n g a n d e x c a v a t i ng de s i g n o p tim i z a tio n Ya n g Ro ng ， Li Cha o ， Ha n J i h o n g F e i c h e n g Mi n i n g G r o u p L i a n g b a o s i E n e r g y C o ． L t d ． ， S h a n d o n g J i ’ n i n g 2 7 2 4 0 4 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , u s i n g t h e p o i n t a n d s u r f a c e c o mb i n e d a n a l y s i s a n d t e s t me t h o d i n - s i t u s t r e s s fi e l d ， c a r r i e d o n t h e a n a l y s i s o f r e g i o n a l g e o l o g i c a l s tr u c t u r e r u l e s ， d r a w t h e r e g i o n a l t e c t o n i c s t r e s s fi e l d d i r e c t i o n ， a c c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s r e s u l t s o f f e a t u r e s s t r e s s fi e l d o f r e g i o n a l s t r u c t u r e ， c o mb i n e d wi t h t h e a c tua l s i t u a t i o n o f t h e r o a d wa y l a y o u t l i a n g b a o s h i c o a l m i n e ， s e l e c t s t h e r e p r e s e n t a t i v e p o i n t t o me a s u r e i n s i t u s t r e s s ， u s i n g t h e h o l l o w i n c l u s i o n s t r e s s r e l i e v i n g me t h o d ， me a s u r e me n t o f L i a n g Ba o s h i Mi n e i n s i tu s tre s s ， a n d d r a wn t h r e e p r i n c i p a l s t r e s s ma g n i tud e a n d d i r e c t i o n ， o b t a i n e d t hr e e m a i n r u l e s o f p a r t i t i o n t e mp l e L i a n g Ba o c o a l mi n e s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d t h e i n fl u e n c e o n r o a d wa y s t a b i l i t y ， a n d g i v e n t h e o p t i mi z a t i o n s u g g e s t i o n s o n mi n i n g d e s i g n ． Ke y wo r d s s t r e s s me a s u r e me n t mi n i n g d e s i g n o p t i mi z a t i o n 梁宝 寺煤矿 为立 井多水平 上下 山采 区开拓 ，矿 井共分二个水平开采 ，第一水平标高一 7 0 8 m，第 二水平标高一 1 0 2 0 m。目前，在该矿正进行的工作 面回采及各采区准备巷道掘进工作中，伴随有巷道 围岩帮缩 、顶沉 、底鼓等大量 围岩大变形及动力工 程灾害问题 ，极大影响了梁宝寺煤矿的安全 、高效 生产。综合分析表明，对矿井深部地应力场分布规 律认识不清，缺少可靠的地应力原位测试 ，使得矿 井巷道及 采矿设计缺 乏准确 的地应力基础 数据 ，是 产生上述问题 的根本原 因。 1 研究方法与技术路线 1 ． 1 主要 研 究 内容 本课题将采用地应力场点一面结合分析测试方 收稿 日期2 0 1 5 - 0 1 0 4 作者简 介杨荣 1 9 8 8一，男，山东泰安人 ，助理 工程师 ，山 东科技大学采矿工程学士学位，现任肥城矿业集团梁宝寺能源有 限责任 公司技 术 员，从事煤矿巷道及 支护设计等工作。 法 ，针对梁宝寺煤矿一号井具体工程地质条件 ，重 点开展 以下 内容 的研究工作 1 梁宝寺煤矿区域地质构造规律分析，得 出区域构造应力场方 向。 2根据 区域 构造 应 力场 特征分 析 结果 ，结 合梁宝寺煤矿巷道布置实际情况，选取具有地质代 表性 的测点 以进行 地应力 原位测量 。 3 采用空心包体应力解除法 ，进行梁宝寺 煤矿现场地应力原位测量，并得出地应力场三个主 应力的大小和方向。 4 采用地应力场点一面结合分析方法，得 出梁宝寺煤矿区域地应力场分布规律特征。 1 ． 2研 究方 法和技 术路 线 首先进行现场地质条件调查分析，收集矿区工 程地质资料 、采掘工程布置 ，巷道工程支护设计、 变形破坏特点 ，工作面开采工艺及其矿压显现规律 等资料数据。 根据上述资料 ，运用地质力学理论 ，对梁宝寺煤 2 0 1 5年第 4期 东 七 蔓 蕉 舛枝 1 6 1 矿所在区域构造体系进行系统分析，反分析确定地应 力场的方向；在此基础上 ，按照地应力原位测量测点 设计原则，选取代表l生 点进行地应力测量，现场原位 地应力测量采用空芯包体套孑 L 应力解除方法。 通过现场测试数据的计算分析，得出代表性点 的地应 力大小 及方 向。 根据上述分析及现场测试结果，结合现场巷道 变形破坏特点，以及地应力反分析计算结果，验证 区域构造体系系统分析结果确定的地应力场方向， 其大小则弥补现今应力场特征量的大小 ，从而得出 梁宝寺矿地应力场的分布规律 ，指导现场巷道支护 设计及防冲防爆措施制定。 2 区域构造体 系分析 梁宝寺煤矿属于巨野煤田，区内地势平坦，略呈 西高东低。区内发育 N E - N N E向褶皱和N W 向褶皱， 断裂构造发育，主要发育 S N向及 N E向正断层 ，形 成棋盘格状的构造格局 。 井 田位于巨野煤田向斜东翼 ， 为一东界 F 1 断层 ，西界 F 1 3断层组成的地堑构造， 区内地层呈南浅北深的趋势，因受区域断层的控制， 形成以梁宝寺向斜为骨干向北倾伏收敛的 “ 裙边状” 宽缓褶曲构造，并伴生北东向及北西向断层组，构造 复杂程度中等，可初步判断梁宝寺煤田构造应力场最 大主应力方向为南东 向，在 S E 1 2 0 - 1 6 0 左右。 孔壁光滑。 3 安装空心包体①按 比例配制好黏结剂 A 8 g ，B 4 2 g ，灌入空心包体中，连接好导向器和 推进杆，将包体安放至t J , L 中；②安装后让环氧树脂 固结2 0 h ， 然后取出导向器， 取出时不可转动推进杆。 4 测量钻孑 L 参数①空心包体应力计准确 定位 ，确保轴向应变片垂直向上；②测量包体偏转 角 ，用罗盘量取钻孔方位角以及倾角。 5应力解除及数据分析①在钻头 、钻杆 中穿线，并装好钻头钻杆 ；②接好应变仪，数据线 与应变仪连接后首先校核；③每 3 0 m m解除一次， 并标记解除距离，随后套芯解除与应变测试，出现 异常数据及时进行二次延伸测量 ；④获得有效数据 后方 可移动钻机 。 3 ． 2 测 量结 果 按照前述地应力测量步骤将包体安装在小孔之 内，待 2 0 h之后环氧树脂完全固化 ，包体与周围岩 体胶结在一起 ，利用 c I , 1 3 0 m m 薄壁钻头进行套芯 解 除 ，岩芯 由于周 围压力解 除就会发 生弹性恢 复 ， 包体应 变片就会产生相应的变化，每次解除进尺 3 0 mm，然后读数，直到解除进尺超过包体工作长 度 应变片前方 4 5 。 ，得到仪器读数与解除深度 的变化曲线，称为应力解除曲线。各测点岩石力学 参数见表 2 ，应力测量结果见表 3 。 3 地应力场原位测量 4 地应力场分布规律 3 ． 1 地 应 力现 场测 量 3 ． 1 ． 1 测点选择 根据地应力测点选取原则，结合梁宝寺矿 的地 质开采条件 ，确定地应力测点的位置。各测点技术 特征情况见表 1 。 表 1 梁宝寺矿地应力测点技术特征表 钻孔 孔号 位置 岩性 巷道层位 孔深 方位角 倾角 m 。 o 1 7 0 8北翼轨道大巷 中砂岩 煤 层顶板 6 _ 3 3 3 0 。 5 。 2 3 1 0 0底部车场 粉砂岩 煤层底板 6 ．3 0 0 5 0 3 3 3 0 0西翼轨道大巷 煤 煤层 6 ．6 9 0 。 2 。 4 3 3 0 0东翼轨道大巷 中砂岩 煤层顶板 6 ． 5 3 0 0 0 3 0 5 西翼配风巷 粉砂岩 煤层底板 6 ． 4 5 0 0 2 0 6 3 6 0 0回风下 山 中砂岩 煤层顶板 6 ．4 O 。 2 。 3 ． 1 ． 2 地应力原位测量过程 1 打大孔孔径为 1 3 0 mm，孔深为巷道宽 度的 1 ． 5 ～ 2倍。 2 打小孑 L 孔径 为 3 6 mm，孔深为 3 0 0 m m， 4 ． 1 地应力测量结果分析 经过数据分析 ，结合区域构造场分析结果和现 场代表性点地应力实测结果，可得 出 一 7 0 0 m水平 和 一 8 0 0 m水平地应力场分布规律如下 1 区域构造场初步分析得出地应力场方 向 为 S E 1 2 0 一 1 6 0 o ， 现场实测地应力场 最大主应力 方向平均为 S E1 6 0 。 ，实测结果与构造应力场分析结 果符合。 2地应 力 最 大 主应力 为近 水平 方 向， 与水平面的夹角 3 ～ 9 。 。 3 地 应 力 最 大 主 应 力 大 小 为 1 8 ． 8 ～ 2 5 ． 8 3 6 MP a ，平均值为 2 1 ． 9 0 7 MP a ，约为 自重 应力 的 1 ． 0 9 3 倍 。 4垂直方 向应 力在 一 7 0 0 m水平为 1 8 ． 0 5 4 - 1 9 ． 9 4 3 MP a ，平均为 1 9 MP a ；一 8 0 0 m水平为 2 1 ． 4 7 6 ～ 2 3 ． 1 4 4 MP a ，平均为 2 2 ． 2 MP a 。可初步确定梁宝寺 矿应力梯度 为 3 ． 2 MP a ／ 1 0 0 m。 1 6 2 童 媳系 斜救 2 0 15 年 第 4 期 表 2 梁宝寺煤矿岩石力学参数汇总表 岩 石组别 单轴抗压强度 MP a 弹性模量 MP a 泊松比 粱宝寺 一 1 3 5 5 7 3 0 0 O ．2 2 粱宝寺 一 2 6 0 6 5 9 0 0 0 2 4 粱宝寺 一 3 6 5 6 3 2 0 0 0 ．2 8 梁宝寺 一 4 6 0 6 6 3 0 0 0 ．2 3 梁宝寺 一 5 5 5 6 1 4 0 0 0 2 4 梁宝寺 一 6 3 5 5 6 4 0 0 0 ． 2 2 表 3 梁宝寺煤矿东部区地应力测量结果汇总表 测点 钻孔 深度 主应力 垂 向应力 大小 方位 角 倾 角 MP a 编号 位置 m 主应 力 MP a o o 一7 0 8北 r I 2 0 ．4 9 7 l 4 9 ． 7 6 2 - 5 ． 8 6 6 1 翼轨道 7 0 8 2 l 0 ．4 8 4 6 2 ． 6 9 3 2 6 ．4 5 6 1 8 ． 0 5 4 大巷 d 3 9 ． 3 3 4 2 28 ．23 0 6 2- 8 Ol 盯1 1 9 5 5 5 l 5 7．46 5 -9 ． 3 3 4 3 1 0 0底 2 7 2 2 盯2 l 1 8 2 5 7 9 ． 0 6 4 5 0 ． 7 3 5 l 8 ．5 5 5 部车场 3 9 ． 1 6 2 4 0． 1 6 2 37 7 1 8 3 3 0 0两 G r I 2 5 ． 8 3 6 2 6 6 ． 9 3 3 - 8 ． 0 5 7 3 翼轨道 8 8 0 盯， 9 ． 3 1 3 - 9 ． 4 8 7 3 8 ． 3 0 7 2 3 ． 1 4 4 大巷 3 8 ． 3 8 7 1 8 6 ． 8 3 6 5 0． 5 43 3 3 0 0东 盯I 2 5 ． 0 4 8 l l 6 ． 9 5 4 ． 1 5 1 4 翼轨道 8 2 6 盯2 l 3 - 3 1 2 3 1 ． 4 9 4 4 7 ． 5 0 9 2 1 ．4 7 6 大巷 『 3 l 2 ． 7 4 7 2 0 3 ． 1 7 8 42 ． 1 8 9 1 1 8 ． 8 2 0 3 ． 9 7 5 ． 7 6 6 西翼配 5 7 2 1 丁 2 l 6 ． 1 8 3 - 6 7 ．8 6 l 一 1 7 ．5 5 6 1 8 ．4 5 8 风巷 盯 3 1 0 ． 3 0 9 1 31 ． 4 9 5 71 ．4 6 3 盯 I 21 ． 7 0 6 l 81 ． 7 3 0 - 3．3 2 3 3 6 0 0『 【1 】 6 7 7 0 盯2 1 0 ．6 4 1 6 6 ． 8 3 4 - 8 2 ． 1 4 7 l 9 ． 9 4 3 风下 山 盯 3 9． 5 37 9 2． 1 4 5 7 1 0 7 4 ． 2 地应力场分布与矿区巷道稳 定性分析 根据巷道布置方向与地应力场方 向之间的关 系，得出梁宝寺矿地应力分布对巷道稳定影响分区 图如图 1 所示 。 图 1 梁宝寺矿地 应力场分布规律 与巷道 稳定关 系图 由分析结果可知 ，目前矿 区主控地应力为水平方 向构造应力 ，巷道 围岩的稳定性主要是受水平应力的 影响， 且可以分成三个区 1 地应力影响轻微区 与最大水平应力方向平行的巷道受水平应力影响最 小； 2 地应力影响较严重区与最大水平应力方 向呈锐角相交的巷道； 3 地应力影响严重区与 最大水平应力方 向垂直的巷道受水平应力影响最大 。 5 梁宝寺矿深井采掘设计优化 根据 以上分析可知 ，在进行巷道 布置时 ，应 尽 可能不沿岩层背斜顶部或向斜底部及平行于岩层断 层布置巷道，应尽量垂直于断层带及背斜或向斜布 置 。巷道 的轴线方 向尽可能平行构造 应力场 的最大 主应 力方 向，避免 巷道轴线与 最大主应力方 向相垂 直。即梁宝寺一号井后期应沿 S E1 6 0 。 设计巷道， 尽可能不设计巷道轴线垂直于 S E 1 6 0 。 方向的巷道， 尽量设计巷道轴线与 S E 1 6 0 。 方向夹角小的巷道。 梁宝寺矿井 一 7 0 8 m 北翼轨道大巷 、皮带大巷 、 回风大巷 ，3 4 0 0 进风巷 ，共计 四条开拓巷道 ，方位 角 3 3 2 。 ，与地应力场 的方 向夹角最小 ，为 8 。 ，大致 平行 ，掘出后变形最小 ，至今没有进行扩修 ，与地 应力原位测量的结果基本吻合。 6 主要结论及经济效益 1 通过现场地质调查和资料分析，确定了 区域构造应力场最大主应力方 向为南东向。 2 根据构造体系分析结果， 结合现场工程实际， 确定了六个典型点，利用应力解除法进行了地应力原 位测量 ，得出了典型点地应力大小和方 向，地应力方 向平均 S E 1 6 0 o ，与区域构造体系分析结果吻合。 3 得 出梁宝寺煤矿地应力分布 的主要规律 。 4根据 巷道 布置 方 向与地 应 力场方 向之 间 的关系，得出梁宝寺矿地应力分布对巷道稳定影响 的三个分 区 地应力影 响轻微 区 、地应 力影响较严 重区和地应力 影响严 重区。 5 梁 宝寺 矿井 在进 行采 掘设 计 时 ，应 尽可 能不沿岩 层背斜顶部 或向斜底部 ，及平 行于岩层 断 层布置巷道，应仅量垂直于断层带及背斜或向斜布 置。巷道的轴线方向尽可能平行构造应力场的最大 主应力方 向，避免巷道轴线与最大主应力方向相垂 直。按 目前每年减少扩修 2 0 0 0 m巷道计算，预计降 低扩修费用 1 6 0 0 万元 ／ a ，实施效果显著。 【 参考文献 】 [ 1 ] 蔡美峰，何满潮 ，刘东燕 ． 岩石力学与工程 [ M ] 北京 科学 出版社 ，2 0 0 2 ． 下转第 1 6 5页 2 0 1 5年第 4期 媳蕉 斜技 1 6 5 3 ． 3 ． 2 钻孔施工顺序 先进行压裂钻孔 一 L t 的钻进和压裂作业；待压 裂钻孔 一 L t 的压裂工作全部结束后 ，再进行压裂钻 孔 一 s t 施工 和压裂 作业。 4 效果分析 4 ． 1 施工情况统计 工作面切眼处共施工 8个钻场，5 6个钻孑 L ，挑 选 1 钻场的7 个钻孑 L 的施工情况进行统计 ，见表 2 。 表 2 XV1 3 0 5工作面切眼钻孔施 工情 况 孔号 ／ 时间 压力 压裂位置 备注 次序 MP a m 1 1 1 1 ．2 5 ． 1 6 1 7 5 8 一 l 8 2 8 2 4 ～ 2 4 2 4 正常停止 深孔 1号孔 出 1 2 1 1 ．2 5 ． 1 6 1 9 0 0 ～ 1 9 2 9 2 6 2 1 水 深孔 1 号孔少 1 3 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 0 0 0 ～ 2 0 3 0 2 6 l 8 量出水 深孔 l号孔少 1 “ 4 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 1 2 1 ～ 2 1 5 2 3 2 ～ 2 8 1 5 量出水 附近锚 索大量 1 5 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 2 0 6 ～ 2 2 2 3 3 2 ～ 2 6 1 2 出水 附近 锚索 1个 1 6 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 2 3 9 ～ 2 2 4 7 2 5 9 离层仪 出水 附近锚 索大量 1 7 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 3 1 8 - 2 3 2 4 2 0 5 出水 统计结果表明，钻孔布置合理，预制横向切槽 钻头 K Z 5 4能够在 1 5 煤层顶板坚硬岩石钻孔中产 生径 向切槽 ，该横向切槽可使定向水力压裂裂缝 以 较低压力起裂 ，预制切槽的半径约为钻孔直径的 2 倍 ， 钻孔直径为5 6 mm， 采用轻便钻孑 L 设备即可完成， 水力压裂裂缝的扩展半径约为 2 0 ～ 2 5 m。 4 ． 2工作面切眼实验效果分析 工作 面液压 支架后方 采空 区最大悬 顶长度监 测 如表 3 所示 ， ． 监测曲线如图 3所示。 根据监测数据和监测曲线可知 ，XV1 3 0 5工作 面回采过程 中最大悬顶面积能够满足现场小于 4 X 4 m的要求 ，水力压裂的效果较明显。 5 结论 1 与传统的两巷超前深孔爆破技术相比， 定 向水力压裂弱化 顶板技 术优势明显 ，工人强度低 ， 对工作面作业环境无污染。 表 3 工作面支架后方悬顶长度监测数据 l监测日期 2 0 1 4 3 ／ 2 6 4 ／ 1 4 ／ 2 4 ／ 7 4 ／ 9 4 ／ 1 4 4 ／ 1 6 4 ／ 2 1 4 ／ 3 0 _ 悬顶长度 m 4 2 1 3 3 1 ． 5 0 2 4 5 4 埘 誊 3 饕 2 【 参考文献 】 [ 1 ] 崔凯，张召千，等 ． 晋城矿 区坚硬顶板工作面矿 压显现规律研究 [ J ]． 煤矿安全，2 0 1 3 1 2． [ 2 ] 冯彦军，康红普 ． 定向水力压裂控制煤矿坚硬难 垮顶板试验 [ J ]． 岩石力学与工程 学报，2 0 1 2 ， 3 1 6l 1 4 8 1 1 5 5 ． [ 3 ] 黄炳香，程庆迎，刘长友，等 ． 煤岩体水力致裂 理论及其工艺技术框架[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 1 1 21 6 7 一 l 7 3 ． [ 4] 康红普，冯彦军 ． 定向水力压裂工作面煤体应力 监测及其演化规律 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 2 ， 3 7 2 1 9 5 3 1 9 5 9 ． [ 5] 杨新建，中志平 ． 深孔爆破弱化坚硬顶板技术在大 采高综采工作面的应用 [ J ] ． 煤矿开采，2 0 0 7 6 ． [ 6] 于斌 ，段宏飞 ． 特厚煤层高强度综放开采水力压 裂顶板控制技术研 究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 1 4 ．3 3 47 7 8 7 8 5 ． 上接 第 1 6 2页 [ 2] 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 ． [ 3 ] 钱呜高，石平五 ． 矿山压力与岩层控制 [ M]． 徐州 中国矿业大学出版社 ，1 9 9 4 ． [ 4] 钱呜高，缪协兴，许家林，等 ． 岩层控帝 J 的关键层 理论 [ M]． 徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 3 ． [ 5] 蒲文龙，张宏伟，郭守泉 ． 深部地应力实测与巷 道稳定性研究[ J ] ． 矿山压力与顶板控制， 2 0 0 5 1 ．