潞宁煤矿深部采区岩体参数与应力场研究.pdf

应 用 技 表 1 潞宁煤矿地应力测试 结果 巷 道名称 日 p 6 p r p O “ v O - H O r b 最大水平 ／ m ／ MP a ／ M P a ／ M P a ／ MP a ／ MP a ／ M P a 主 应 力 方 向 潞 宁皮带下 山运输顺槽 2 1 0 1 7 ． 8 2 1 2 ．0 8 8 ． 7 4 5 ． 2 5 1 4 ． O 2 8 ． 7 4 N3 ． 9 o W 潞 宁皮带下 山运输顺槽 2 1 O 1 1 ． 8 7 1 1 ． 1 5 7 ． 5 9 5 ．2 5 1 1 ． 4 9 7 ． 5 9 N1 2 ． 6 。 W 潞 宁皮带下 山 1 7 5 1 3 ． 6 7 9 ．0 7 7 ． 9 4 4 ．3 8 1 0 ． 3 1 7 ． 9 4 N8 ． 9 o ’ 潞 宁总回风巷 5 1 0 1 4 ． 4 1 1 1 ．4 0 9 ． 3 0 1 2 ．7 5 1 6 ． 3 6 9 ． 3 O N4 5 ． 0 。 W 潞宁皮带下 山 4 9 5 1 O ． 3 6 8 -2 5 7 ． 3 1 1 2 38 ． 5 4 7 ．3 1 N1 7 ． 0 。 W 潞宁 2 2 1 1 2运巷 5 1 5 1 7 ． 9 8 8 ． 4 7 5 ． 7 6 1 2 ． 8 6 8 ． 6 4 5 ． 7 6 N2 2 ． 0 。 W 潞 宁 2 2 1 1 1 运巷 3 7 0 2 0 ． 1 0 1 2 ． 7 6 9 ． 2 4 9 ． 2 5 1 4 ． 8 O 9 _ 2 4 N2 5 ． 0 。 W t ／ s 图 1 潞宁矿第四测站地应力测量压裂曲线 S 2 - a H 5 1 0 m基线 2 - b 最大 主应 力方向 方 向 N 6 8 。 E 为 N 4 5 。 W 图 2 潞宁矿第四测站地应力印模图 2 ． 4 地应力测试结果分析 2 ． 4 ． 1 潞宁煤矿地应力场特征 7个测站中最大水平主应力大于垂直主应力 的 测站有 6个 ，占总测站 的 8 6 ％。垂 直主应力 大于 最 大水 平 主应 力 的测 站仅 有 1个 ． 占总测 站 的 1 4 ％，因此 ，潞宁煤 矿原岩应力 总体上水平应力 占 优势 。按照三个 主应力 的大小排列 ，可分为 以下几 种情况。 1 ，共 3个 测 站 ，占总 测 站数 的 43 ％ 。 2 0 ％ O r 的共 1个 测 站 ，占总测 站 数 的 1 4％ 。 3 O H O r O r v ，共 3个 测站 ，这 3个 测站主要 在下山延伸之前所测试结果，大部分是埋藏较浅的 位置，占总测站数的4 3 ％。 在潞宁煤矿构造应力场中，最大水平主应力方 向全部集 中在 N 3 ． 9 。 W～ N 4 5 。 W 之 间 2 ． 4 _ 2 主应力 随深度的变化 从地应力测试结果看 ，潞宁煤矿测试 的 7个测 站 中埋深从 1 7 5 ～ 5 1 5 I n不等 。根据测量结果绘制 了 地应力随巷道埋深变化 的曲线 ．如 图 3所示 可 以 看出，主应力大体随着测站的深度增加而增大。垂 直应力增加 的速度明显大于水平主应力 。根据测试 数据 ，运用最小二乘法对水平主应力与测站深度之 间的相互关系进行线性 回归 ，经过 回归得到潞宁煤 矿地应力关系方程及其曲线 o r H 0． 03 H 1 1 ． 6 75， O “ h 0． 0 01 8 H 7． 3 41． 一 ＼ 迪 埋 深／ m - 最大水平主应 力 ▲ 最小水平主应 力 ◆ 垂直应 力 一线性 最大水平主应 力 - - - 一 线性 最 小水平主应力 --一 线性 垂直应 力 图 3潞宁煤矿地应力值与巷道埋深的关系 2 ． 4 ． 3 矿区应力量级 潞 宁煤矿 7个测站地 应力测 试结果 中 。最 大 水平主应力最大值 为 1 6 ． 3 6 MP a 。最 大主应力大 于 1 0 MP a 且小于 1 8 MP a的测站有 6个 ，占 8 6 ％。 根据 相关判 断标 准 0 1 0 MP a为低 应力 区 ． 1 0 1 8 MP a为中等应力区 ，1 8 ～ 3 0 MP a为高应力区 ； 大于 3 0 MP a为超高应力 区。因此潞 宁煤矿地应力 整体上属于中等应力场 。 2 ． 4 ． 4 测压比随埋深的规律变化 测压 比指 的是最大水平主应力与垂直主应力 的 比值 即O “H ／ O r v 。经计算得出潞宁煤矿 7 个测站的 测压 比为 0 ． 6 7 2 ． 6 7 。其 中 ，第六测站 的测压 比为 0 ． 6 7 ，其值小于 1 ． 0 ；第一 、第二 、第三测站的测压 科掊刨断与生产力l 2 0 1 3 -ff 7 9 只 惠 第 塑 一 面 ■用技术l 比为 2 ． 1 8 ～ 2 ． 6 7 ，其值均大于 2 ． 0 ；第四、五、七测 点的测压比为 1 ． 0 9 ～ 1 ． 5 1 ，其值均大于 1 ． 0 。可见除 去第六测站外，其余测站的测压比大体上随埋深的 增加而增大。 2 ． 4 ． 5 平均水平与垂直主应力 间比值的变化规律 平均水平主应力为最大水平主应力与最小水平 主应力的比值。经计算得出潞宁煤矿 7 个测站的平 均水 平 主应 力与 垂直 主应 力 的 比值 为 0 ． 5 6 ～ 2 ． 1 7 。 其 中第五 、六测站 的平均水平主应力与垂直主应力 的比值小于 1 ． 0 ，其余测站均大于 1 ． 0 。 2 ． 4 ． 6 最大和最小水平主应力问的比值 在潞 宁煤 矿 7个 测站 中 ， ／ o “ h 最 大为 1 ． 8 5 ， 最小为 1 ． 2 9 ，平均为 1 ． 5 9 ，最大与最小水平主应力 差值较大 。最大 、最小主应力差值较大造成岩体 内 剪应力较大，超过岩体抗剪强度时，岩体将发生 破坏。 3 现场 应 用 潞 宁煤矿地应力测试 已用于矿井 2号煤西翼扩 区轨道运输大巷的支护设计。通过在 2号煤层及 围 岩物理力学参数测量结果的基础上建立数值模 型 ， 模拟 出不 同的支护方案 ，分析比较不同方案的巷道 变形 、破坏范围、支护体受力等状况 ，在经济和技 术上取得最优方案 ，并得到较好的支护效果。 3 ． 1 巷道简述与地质特征 西翼扩区轨道运输大巷为 2号煤层总体为单斜 构造 ，走向 N 4 8 。 ，倾向南东，倾角为 1 3 8 。 左右。 巷道全长 2 4 9 8 ． 3 4 2 m 从轨道下山巷正中线至停掘 点 ，开 口标高 1 1 8 0 m，方位角 2 3 9 。 1 8 3 0 ” 。断面 为 5 0 0 0 mmx 3 7 0 0 m m 宽 高 。掘进过程中地质 结构简单 ，断层不发育 。 3 ． 2 巷道支护设计 根据上述岩体参数与应力场实测数据运用美 国 岩土工程大型软件 F L A C 3 D对巷道的锚 固效果及其 稳定性进行计算与分析，通过支护参数分析及多方 案的比较 ，得出的支护形式为 锚杆 金属网 钢筋 梁 锚索 喷射混凝土联合支护。 具体参数为顶板支护。锚杆杆体为 2 2号高 强度左旋无纵筋螺纹钢筋 ，长度 2 ． 4 m，树脂加长 锚 固 ；采 用钢筋托梁 与金属菱 形 网护顶 。锚杆 排 距 1 ． 2 m，每排 6根锚 杆 ，间距 0 ． 9 m。锚索直 径 1 8 ． 9 m m，长度 7 ． 3 m，树脂加长锚固。锚索每排 2 根 ，排距为 2 m。巷帮支护 锚杆 、钢筋托梁及网 的形式与顶板相 同。锚杆排距 1 m，每排 4根锚杆 ， 间距 1 m 3 ． 3 应用效果 将初始设计实施于井下 。并进行 了巷道表面位 移、顶板离层及锚杆与锚索受力监测。经观测发现 工作面受 回采影响期间 ，巷道表面位移变化不大 ， 巷道 围岩的稳 定性没有 明显 的影 响 ．基本趋于稳 定 ，巷道围岩变形得到有效控制 ，支护效果好 ，确 保回采工作高效顺利推进， 并取得良好的经济效益。 4 结论 1 潞 宁煤矿 主要存在两种类 型的地应力 场 H O “ h 及 Ⅳ o r v 。由于煤层埋藏相对较深 ， 原岩应力总体上水平应力占明显优势，具有典型的 构造应力场特征。其中最大水平主应力方 向以 N W 方向为主 ，方向全部集中在 N 3 9 。 W～ N 4 5 。 W 之间。 2 潞宁煤矿地应力整体上属于中等应力场， 最大与最小水平主应力及垂直应力总体上随测站深 度的增加而增大，但也有极个别测站存在明显的离 散性 。 3 所测矿井最大 、最小水平 主应力 与测站深 度之间的关系为 O r H 0． 03 1 1 ． 6 7 5． o r 0 ． 0 01 8 H 7． 3 41． 4 潞宁煤矿所测 区域侧压 比随埋深 的变化规 律性不强 ，数值分布在 0 ． 6 7 ～ 2 ． 7之间。平均水平 主 应力与垂直主应力的比值大多数大于 1 ． 0 。小于 1 ． 0 的占 2 9 ％。最大水平主应力和最小主应力的比值范 围为 1 ． 2 9 1 ． 8 5 ，平均 为 1 ． 5 9 。最 大与最小水平主 应力差值较大。最大、最小主应力差值较大造成岩 体 内剪应力较大 ，超过岩体抗剪强度时 ，岩体将发 生破坏 。 5 地应力测试结果 以用于潞宁煤矿 2号煤西 翼扩 区轨道运输大巷的支护设计 ．使其合理性和可 靠性显著提高 ，巷道支护状况得到明显改善。 参考文献 [ 1 】 何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等． 深部开采岩体力学研究卟岩 石力学与工程学报， 2 0 0 5 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． [ 2 ] 何满潮． 深部的概念体系及工程评价指标卟岩石力学与 工程学报， 2 0 0 5 1 6 2 8 5 4 2 8 5 8 ． [ 3 】 康红普， 林健， 张晓． 深部矿井地应力测量方法研 究与应 用U 1 ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ， 2 6 5 9 2 9 9 3 3 ． 【 4 】 蔡美峰． 地应力测量原理与技术[ M】 ． 北京 科学出版社， 2 00 0． 【 5 】 HUDS ON J A ， COP ． NE T F H， C HI S TI A NS S ON R． I S RNI s ug g e s t e d me t hod f or r oc k s t r e s s e s t i m a t i o np a r t 1 s t r a t e g y f o r r o c k s t r e s s e s ti ma ti o n [J ] ． I n t ． 1 ． Ro c k Me c h ． Mi n ． 下转第 1 0 0页 叠用技术 关理论知识的不断完善 ，使得遥感技术逐步成为地 质宏观调查以及地质状况动态监测和评估中不可缺 少的技术方法之一。 参考文献 【 1 】 高波． 浅谈遥感地质存在的问题及关键技术 民营科技， 2 0 1 2 4 5 6 ． [ 2 1 王润生． 遥感地质技术发展的战略思考卟国土资源遥感， 2 0 0 8 1 1 - 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