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深部开采岩爆地应力测量及其预测研究 张健（黑龙江龙煤七台河矿业有限责任公司龙湖煤矿,黑龙江七台河154600） 摘要在深部开采中,地应力测量是预测岩爆等地质灾害的重要手段。根据深部测量的要求和深部开采的工程条 件，本文采用应变计钻孔应力释放法对地应力进行系统的测量,通过对2个采场2个点的现场实测及试验数据的分析，得 出地应力场的分布特征。根据现场应力测量结果和室内力学试验结果,采用弹性应变能准则对岩爆预测逬行综合分析。 关键词深部开采;地应力测量;钻孔应力释放法;岩爆预测 中图分类号F403.7； ；TD32 文献标志码B 文章编号 1008 -0155（2019）07 -0018 -01 岩爆是深部硬岩矿山的主要危害，由于地应 力呈线性或非线性增长趋势，地下水渗透压力增 大,地热将进一步提高。深部开采使岩石变硬变 脆,地质条件恶化，岩爆风险进一步增大。 某矿矿体埋深50m 1500m,已开采1237m及 以上矿体。随着生产规模的不断扩大和开采深度 的增加，采空区塌陷、地表塌陷、岩体运动,特别是 岩爆等采矿灾害现象越来越多。 1地应力测量 1. 1试验方法和装置 应力消除法是实现应力扰动和进行测量的最 常用方法，即使用水平和定向仪器将CSIRO单元 在准确方向送入钻孔，到达安装位置。然后推动 安装棒保证黏液剂流入塔器与小孔壁之间的裂 缝。凝固一段时间变硬后，可以进行应力消除。 本文采用KX-81型空心包体三轴应变计,该应变 计具有安装方便、安装快捷、精度高、可靠性高、防 水效果好等优点，是目前应用最广泛的应变计。 1.2测点布置 原则上，在任何研究区域都应设置多个测点， 以实现地应力的多维测量,从而充分分析三维地 应力分布。针对该矿实际情况和应力释放方法的 适应性，主要利用矿区现有巷道和碉室布置测点， 尽量避免开采附加应力场对测点的影响。根据上 述原理,2个水平面分别布置2个测点测点dl在 1537m水平面上，埋深608m,位于十字孔内，距主 轴 138.7m； ；MEA 测点 D2（ 1437m）埋深708m,位于 回风巷。 2测量结果 2. 1应力释放过程曲线 测量过程中,2个测点的应力释放曲线和额定 值曲线表现出明显的变化规律，说明地应力测量 正常（图1）。根据所得应力释放曲线，可推导出 以下规律每组应力释放曲线基本可分为等应变 区、弹性应力释放区和无应力影响区三个区。应 力释放过程中，当开孔钻的应力释放深度不大于 收稿日期2019 -03 -29 作者简介张健（1983 男，江苏泗阳县人,现在黑 龙江龙煤七台河矿业有限责任公司龙湖煤矿工作。 18 到达测量位置，应变值用每个应变计测量通常都 很低，甚至有些测力计会得到负值。其主要原因 是开孔钻引起的应变变化，相当于“开挖效应”。 当开孔钻卸荷距离接近测量断面时，应力释放曲 线最终正向变化。当开孔钻接近测量断面时，可 获得最大应变值。开孔钻卸荷距离超过测量断面 一定距离后，应变值缓慢稳定。最后将稳定应变 值作为计算地应力的原始数据。 2.2地应力测量结果 在消除应力的过程中，利用压力计对岩心进 行了围压比试验，结合室内岩石力学试验,最终确 定计算应力的有效弹性模量和泊松比。利用专业 计算机软件，根据实测应变数据、测点岩石力学参 数和钻头几何参数，计算出测点的地应力分量以 及主应力的大小和方向。 综合分析2个层次2个测点的实测数据，得 出该矿应力场分布规律如下 （1）对于每个测点，中间主应力基本接近垂直 方向;始终有两个接近水平的主应力，倾角＜ 10 o （下转第21页） 及巷道两帮出现持续移近量，两帮移近量大于回 采侧锚杆移近量。数据拟合，推算工作面回采到 时巷道两帮移近量约450mm,与现场实测数值较 吻合,锚杆尾部移近最终约220mm。 3 距离工作面0 30m超前压力影响区域 内，回采巷帮出现明显的“网兜”现象,回风顺槽表 现更为明显，剧烈处锚杆托盘缩入达300mm。但 帮锚杆未出现拉断、脱锚等松脱现象。推断锚杆 锚固点牢固，锚杆持续对锚固区破碎煤体施力，在 回采动压影响下锚固盲区煤体破碎挤出形成网兜 现象。 4 对煤壁松脱取下的左旋无纵筋螺纹钢锚 杆直径22mm、长2000mm进行测量，长度未受 采动影响而有所改变。 5 巷道回采侧煤帮的变形表现为由巷道上 部到下部变形逐渐加剧的特点，尤其在回风顺槽 表现更为明显。这就要求巷帮支护要加强对巷道 底部的支护,对巷道底部超挖部分及卧底工程新 暴露煤帮要及时补打锚杆，以保证其稳定性。 3高强玻璃钢锚杆在回采巷道侧帮的应用 综合以上对巷道、锚杆位移数据和受力的分 析推断，对回采帮锚杆受力特征进行分析，并对高 强玻璃钢锚杆的应用提出相应的参数指标。 1 在回采动压的影响范围内，巷帮表现出网 兜、移近等矿压显现特征。锚杆托盘缩入及锚杆 外托盘受力变形表明锚杆持续受力，未出现锚杆 拉断脱锚等现象。考虑高强玻璃钢锚杆应用的设 计长度与目前使用的金属锚杆保持一致,从而保 证回采期间锚固区的稳定.网兜现象出现要求应 延续使用目前的护表构件及参数。巷道受超前压 力作用明显的区域内，应及时做好支护加强措施。 2 现场使用的金属锚杆没有被拉长,表明锚 杆受力不超过其屈服拉力190kNo托盘没有岀现 明显变形，推测杆体所受轴向力远小于其屈服拉 力。高强玻璃钢锚杆直径22mm达到500kN的 抗拉强度能够保证支护性能。 3 金属锚杆长度没有增加，在类似回采巷道 可使用不加延展机构的高强玻璃钢锚杆。 4 由于回采巷道围岩破碎，巷帮凹凸不平， 致使安装时托盘倾斜，局部较为严重，应采用新型 球形调节机构，以减少围岩对杆体端部的剪切作 用。 5 目前,该矿金属锚杆施加预紧扭矩400Nm 以获得较高的初始预紧力。3309回采巷道掘进 后，未出现明显的围岩变形及强烈的锚杆受力现 象，是否需要设置如此大的预紧扭矩，还有待商 榷。由于玻璃钢锚杆承受扭转力矩能力相对较 差，所以不适用通过施加较大的扭转力矩提高其 预紧力，通过加强高强玻璃钢锚杆杆体抗剪强度 及端部螺纹来提高初始预紧力，应能满足支护需 求,后续将在工业性试验中进行验证。 参考文献 〔1]李英明，等.新型玻璃钢锚杆及其在煤帮支护中的 应用研究[J].中国煤炭,2009,741 -43. [2]陶睿.基于地应力实测的煤巷锚杆支护技术研究 [D].淮南安徽理工大学,2015. 责任编辑陈凌霄 上接第18页 2 各测点最大主应力接近水平，各测点最大 主应力对中间主应力的平均值为1.74,说明该矿 区应力场以水平构造应力场为主。 3 2个测点最大水平主应力方向一般为 NNW-SSE,表明该矿最大主应力方向以NNW- SSE为主，与矿体走向基本垂直。 4 中间主应力近似等于或略大于上覆地层 的单位重量。 5 最大主应力、中间主应力和最小主应力随 深度呈线性明显增大，最大主应力的增大速率大 于中间主应力和最小主应力的增大速率,说明最 大主应力、中间主应力和最小主应力的影响主应 力最小，在该矿区具有明显的优势。 3基于弹性应变能准则的岩爆分析与预测 所谓的弹性应变势能可以衡量岩爆的发生。 这意味着某些类型的合格岩石在失效时更容易破 裂。在单轴压缩条件下，岩石试件在峰值强度前 的弹性应变能由下式得岀 PES PES 乩 2E,2E, 其中CTc为单轴压缩强度 MPa ,Es为剪切模 量 MPa。根据岩爆危害对PES进行分级，如下 所示①PES 50kJ/m3,则为极低岩爆；250 PES W100kJ/n,则为低岩爆；③ 100 PESW150U/ m,则为中度岩爆;④150 200kJ/m‘，是非常高的岩爆。 根据岩石力学实验结果,在达到峰值强度前， 可计算岀该矿区各岩性的弹性应变能。岩爆预测 结果表明，灰色白云岩、矿体和紫色板岩的开采 PES预测值可达到516,1202,446kJ/m3,并可引起 很高的岩爆,而淡色白云岩PES预测值为126kJ/ nf,可引起中等程度的岩爆。 根据以上分析得出结论该矿深部开采冲击 地压有强烈的高、剧烈的趋势，应采取一定的技术 措施防止冲击地压危害。 参考文献 [1]杨绿刚.深部大采高充填开釆沿空留巷矿压规律 及协同控制研究[D].北京中国矿业大学北京,2013. 责任编辑陈凌霄 21