深部高应力矿井原岩应力测试与生产影响分析.pdf

1552020 年第 8 期 深部高应力矿井原岩应力测试与生产影响分析 赵艳鹏 1 牛海连2 邵珠娟3 （1. 临沂矿业集团菏泽煤电有限公司，山东 郓城 2740201； 2. 济宁市高级职业学校，山东 济宁 272001； 3. 临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 276017） 摘 要 本文通过应力解除法在郭屯煤矿巷道中选取了 4 个测点，进行原岩应力测试，分析原岩应力分布规律以指导矿 井更加安全高效的生产。结果显示最大主应力为水平应力，方向为 119.03 ～ 122.01；工作面巷道掘进方向与最大水平 应力已接近垂直，水平应力对巷道围岩控制和底板破坏深度影响严重。 关键词 原岩应力 郭屯煤矿 测试与分析 中图分类号 TD311 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.051 Analysis on the Influence of Primary Rock Stress Testing and Production in Deep High Stress Mine Zhao Yan-peng1 Niu Hai-lian2 Shao Zhu-juan3 1.Heze Coal Power Co., Ltd., Linyi Mining Group, Shandong Yuncheng 2740201; 2.Jining Senior Vocational School, Shandong Jining 272001; 3.Linyi Mining Group Co., Ltd., Shandong Linyi 276017 Abstract In this paper, through the stress relief , four measuring points are selected in Guotun Coal Mine roadway to test the primary rock stress and analyze the stress distribution law of primary rock, so as to guide the safe and efficient production of the mine. The results show that the maximum principal stress is horizontal stress, the direction is 119.03 to 122.01 ; and the heading direction of working face is nearly vertical to the maximum horizontal stress, and the horizontal stress has a serious impact on the surrounding rock control and floor failure depth. Key words stress of primary rock Guotun Coal Mine testing and analysis 收稿日期 2020-05-31 作者简介 赵艳鹏（1984-），硕士，毕业于山东科技大学工程管理 专业，现工作于临沂矿业集团菏泽煤电有限公司生产技术部。 矿山井下岩层初始处于三维的稳定受力状态， 开挖后，岩体一个方向的约束得到解除，岩体即处 于非稳定的受力状态，岩层开始运动。而为满足采 煤工作面正常的作业条件，需要控制巷道围岩的稳 定，需要进行巷道支护。郭屯煤矿面临深井高地压 的问题，且目前尚未进行原岩应力测试，对其原岩 应力分布规律尚不清楚。因此，本文通过应力解除 法在郭屯煤矿巷道中选取了 4 个测点，进行原岩应 力测试，分析原岩应力分布规律，以指导矿井更加 安全高效的生产。 1 工程概况 郭屯井田位于山东省菏泽市郓城县城南约 10km。井田为华北型石炭、二叠系煤田。地层从上 而下依次为第四系、上第三系、二叠系上统上石盒 子组、下统下石盒子组和山西组、石炭系上统太原 组、中统本溪组、奥陶系中、下统，主要含煤地层 为山西组和太原组。 郭屯矿井开采条件复杂，应力较大，井田内地 质构造复杂程度中等，断层发育。开采的 3 煤层属 稳定 - 较稳定类型，埋深为 5001250m，煤层及顶 板具有弱冲击倾向性。3 煤层底板有一层太原组“三 灰” 含水层， 水压较大。 为确保郭屯煤矿的安全开采， 进行原岩应力测试。 2 原岩应力测试 2.1 测点布置与安排 郭屯煤矿原岩应力测试共选取 4 个测点，分别 编号为 GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4。测 1562020 年第 8 期 点均位于 1301 轨道顺槽。根据现场条件确定各测 点钻孔的方位角、钻孔仰角、测点绝对深度。 首先应用 Φ108mm 的取芯钻头施工安装应力 传感器的导孔，导孔深度为 8.11m；然后在导孔孔 底使用变径钻头施工变径孔，变径孔深度为 4cm； 而后应用 Φ38mm 取芯钻头施工安装小孔，孔深度 30cm，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4 测 点 取出的岩芯分别为中砂岩、细砂岩、泥岩、细砂岩； 最后使用专用清洗头清理安装小孔。安装孔完成后， 根据安装小孔岩芯完整情况，采用粘结的方法安装 应力计。粘结剂固化 24h 后，对装有应力计的岩体 进行套芯应力解除。应力解除后传感器如图 1 所示。 2.2 测试结果 应用专用数据处理软件对测量数据进行处理后 表明，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3 和 GTSC-4 的应 变片数据相关系数为 0.952、0.975、0.963、0.956， 可信度均较高。应力计的 12 个应变片随解除距离 的应变变化曲线如图 2 所示。 图 1 GTSC 应力解除后传感器 由图2 （a） 可知， 从开始至距离为10cm的阶段， 曲线变化幅度较小，说明钻头与应变片之间还有一 定的距离；当解除距离至 10cm 后，各应变片的应 变量迅速增大；当解除距离达 22cm 时，应变量达 到最大值；当解除通过应变片后，各应变片的应变 曲线趋于平缓；当解除至25cm后， 应变量基本不变； 解除至30cm时， 应变解除结束。 应变解除曲线正常， 可作为计算应力的依据。 GTSC-2、GTSC-3 和 GTSC-4 测 点 的 规 律 与 GTSC-1 基 本 相 似。GTSC-2、GTSC-3 和 GTSC-4 测点的解除至应变片位置分别达到 21cm、22cm、 21cm 时，应变量达到最大值；分别解除至 24cm、 25cm、25cm 后，应变量基本不变；解除至 30cm 时， 应变解除结束。 根据测试结果分析得出最大水平应力、最小水 平应力、垂直应力，如表 1 所示。 （a）GTSC-1 （b） GTSC-2 （c） GTSC-3 （d） GTSC-4 图 2 郭屯煤矿应力计应力解除曲线 表 1 原岩应力测量结果 测点 最大水平应力 /MPa 最小水平应力 /MPa 垂直应力 /MPa GTSC-244.1716.8824.37 GTSC-356.5615.0221.11 GTSC-431.3317.1320.64 3 原岩应力实测分析 为便于分析，将上述测试结果汇总到立体网格 上，如图 3 所示。 根据图 2 和图 3 的分析，可以看出最大主 应力为水平应力，其方位角集中在 119.03122.08 范 围 内， 应 力 值 大 小 为 31.0056.56MPa， 倾 角 1572020 年第 8 期 为 -21.3655.28；最小主应力的方位角集中在 208.48215.94，应力值大小在 15.0217.13MPa； 中间主应力的方位角集中在 283.980.36，应力值 大小在 15.0217.13MPa。 图 3 主应力分布立体网格图 3.1 原岩应力对矿井生产影响 分析最大水平应力与巷道成不同角度的情况 下，巷道破坏的情况。与最大水平主应力成不同角 度掘进的巷道将经受不同程度的应力集中的影响， 相应的巷道状况也会有显著的差别，如图 4 所示。 图 4 不同掘进方向巷道状况的差异 巷道掘进方向与最大水平主应力成不同的角度 则对巷道围岩控制具有不同的影响。当两者角度平 行时，水平应力对其影响最小；当两者垂直时，水 平应力对其影响最大；当两者斜交时，巷道一侧应 力集中而另一侧应力释放，变形会出现非对称性。 郭屯煤矿目前的巷道沿近南北向布置的 1302、 1304 外、1308 外工作面顺槽掘进方向与最大水平 应力的夹角一般为 4763 左右，巷道沿不利的方 向掘进，水平应力对巷道的布置有影响；而沿北 东 - 西南方向布置的 1301、1303、1304 里、1305、 1306、1308 里工作面顺槽巷道掘进方向与最大水平 应力的夹角一般为 96 左右，掘进方向与最大水平 应力接近垂直，巷道沿最不利的方向掘进，水平应 力对巷道产生影响较大。所以，对于未开采区域布 置巷道时，应尽量使巷道掘进方向与最大水平应力 的方向一致，以减少水平应力对巷道的影响。 3.2 原岩应力与底板突水分析 郭屯井田 3 煤层底板砂岩厚 2.1021.92m，以 细砂岩为主，局部为中砂岩和粉砂岩，裂隙局部发 育，充填有方解石脉。在采动压力和奥灰含水层水 压的共同作用下，会造成底板的破坏。当底板破坏 深度波及到下部含水层且承压水压力大于或等于水 平最小应力时，底板岩体的渗透性增大。当渗透性 增加到一定程度时产生渗流，随着渗流量的增大， 造成底板突水。 现阶段郭屯煤矿工作面顺槽的布置方向与最大 水平应力方向近乎垂直，最大水平应力对巷道顶底 板的破坏程度影响最严重，导致 3 煤底板与三灰间 的有效隔水层厚度大大减少，增加了三灰水突水的 可能性。因此，当工作面顺槽方向与最大水平应力 接近垂直时，应加强对底板破坏程度的观测和监测， 防止底板突水事故的发生。从长远角度讲，郭屯煤 矿下组煤受底板奥灰水威胁严重，研究煤层采动后 顶底板应力状态发生改变，会产生一定范围的变形 与破坏。不同煤层采动过程中的底板破坏具有一定 的规律，对于受底板水害威胁的下组煤，正确确定 底板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要 条件。 4 结论 （1）原岩应力场的最大主应力为水平应力， 最大水平应力的方向为 119.03122.01。最大水平 应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的 1.522.68 倍。最大水平应力对井下岩层的变形破坏 方式及矿压显现规律会有明显的影响。 （2）最大水平主应力为最小水平主应力的 1.833.77 倍，水平应力对巷道掘进的影响具有较为 明显的方向性。工作面巷道掘进方向与最大水平应 力的方向夹角较大，已接近垂直，水平应力对巷道 稳定性的影响较大。另外，最大水平应力对巷道顶 底板的破坏程度影响最严重，导致 3 煤底板与三灰 间的有效隔水层厚度大大减少，增加了三灰水突水 （下转第 165 页） 1652020 年第 8 期 种多样，影响的程度和效应也不尽相同。准确地评 价和监测矿区及周边的生态环境系统的现状、发展 水平与趋势，有利于及时找出所存在的问题，为矿 区的生态环境预警和防护治理打下良好的基础。 2006 年，我国生态环保部制定了生态环境状况评 价技术规范（HJ 192-2006），并于 2015 年对其 进行更新完善。 4.2 构建煤矿开发区生态补偿长效机制 煤矿开发区生态补偿是指因煤炭资源开发，造 成自然资源的破坏、生态环境的污染、城市丧失可 持续发展机会而进行的治理、恢复、校正，所给予 的资金扶持、财政补贴、税收减免及政策优惠等活 动总称。煤炭开发区生态补偿是对煤炭开发造成的 外部成本内部化，有利于调整利益相关者因资源开 发引发的环境利益和经济利益的分配不均。 2007年， 我国在山西试点矿产资源改革，发布了山西省煤 炭可持续发展基金征收管理办法，尝试对煤炭资 源开发进行生态补偿。同年，中国环保部出台关 于开展生态补偿试点工作的指导意见，推进了生 态补偿实践探索。紧随之，福建省国土资源厅、福 建省财政厅和福建省环境保护局联合发布关于实 施矿山生态环境恢复治理保证金管理办法有关事项 的通知（闽国土资综〔2007〕168 号文），有效 促进了福建地区煤炭矿山生态恢复。但是，时至今 日我国的矿产资源生态补偿机制仍是以政府为主导 对矿产开发区进行经济补偿，补偿模式单一，补偿 资金不足。现有的生态补偿标准评估方法各有侧重 点，尚未形成完善的矿产资源开发区生态补偿标准 评估方法。 福建省永安煤业仙亭煤矿自 2007 年起不间断 地对矿区生态环境恢复进行投入，仅资金投入至今 已达千万级别。矿区自然景观得到了最大程度的恢 复，保障了矿区及周边环境安全，使得区域生态环 境得到保持和持续发展。但是许多中小型煤矿企业 尤其是私人小煤矿根本无法独自承担起矿区生态环 境恢复与闭矿后持续性治理的投入。完善矿产资源 开发区生态补偿标准评估方法，提炼煤炭开发区生 态补偿类型与模式，并构建煤矿开发区生态补偿长 效机制，有利于今后煤炭开发区的生态环境修复、 资源利用、经济社会协调，促进煤炭行业绿色可持 续发展。 5 结语 煤炭开采对矿区及周边生态环境有着巨大的影 响和破坏。关闭大量落后矿井，整合中小型矿山， 将为煤炭矿区及周边生态环境的改善提供契机。煤 矿企业应该主动承担起主体责任，恢复、保障矿区 及周边生态环境，同时建立科学完善的生态环境质 量评价体系。构建煤矿开发区生态补偿长效机制对 促进煤炭行业绿色、可持续发展具有重大意义。 【参考书目】 ［1］ 米家鑫，张绍良，侯湖平，等 . 煤炭去产能对矿 区生态环境的影响研究 [J]. 中国矿业，2017，26 （08）86-92. ［2］ 李庭 . 废弃矿井地下水污染风险评价研究 [D]. 徐 州中国矿业大学，2014. ［3］ 张冬冬，温鹏飞 . 煤炭开采对生态环境的影响及 对策 [J]. 能源与环境，2019（02）74-75. ［4］ 王如松，李锋，韩宝龙，等 . 城市复合生态及生 态空间管理 [J]. 生态学报，2014，34（01）1-11. ［5］ 文琦 . 中国矿产资源开发区生态补偿研究进展 [J]. 生态学报，2014，34（21）6058-6066. （上接第 157 页） 的可能性。 【参考书目】 ［1］ 赵光明，张小波，王超，等 . 软弱破碎巷道围岩 深浅承载结构力学分析及数值模拟[J].煤炭学报， 2016，41（07）1632-1642. ［2］ 侯公羽，李晶晶 . 弹塑性变形条件下围岩 - 支护 相互作用全过程解析[J].岩土力学， 2012， 33 （04） 961-970. ［3］ 李元辉，袁瑞甫，张春明，等 .Kaiser 效应测原岩 应力过程的数值模拟和理论分析 [J]. 中国有色金 属学报，2007（05）836-840. ［4］ 赵奎，金解放，赵康，等 . 声发射测量原岩应力 研究现状及进展 [J]. 矿业快报，2005 （12）4-6. ［5］ 李家祥 . 原岩应力与煤层底板隔水层阻水能力的 关系 [J]. 煤田地质与勘探，2000（04）47-49.