地应力在赤峪煤矿中的测试及分析

丁其全 ，孙德利 ，张 龙

1.中国矿业大学资源学院，江苏徐州 221116

2.冀中能源邯郸矿业集团山西金地煤焦有限公司，山西太原 030006

3.冀中能源邯郸矿业集团赤峪煤矿，山西文水 032100

地应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏，产生地震和矿井动力现象的根本作用力[1]。煤矿井下采场、巷道与硐室等地下工程的稳定性与煤岩体中的应力状态密切相关[2]。掌握地应力分布规律对开采与支护工程具有重要意义。地应力测量方法有多种[3]，根据测量原理可分为三大类：以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定主应力方向的方法。本文采用应力解除法进行赤峪煤矿井底车场地应力测试，分析地应力赤峪煤矿地应力场特征与规律，并将测量结果应用于巷道布置与支护设计，指导矿井建设[4-5]。

1 赤峪煤矿概况

赤峪井田位于文水县县城西侧约2.0km处。南北长11.5km，东西宽1.5km～5.1km，面积41.58km2。本井田位于太原西山煤田的西南部，西山矿区的西南端，煤田西缘断裂带与东缘断裂带（清交大断裂带）的收敛部位。主体构造为一宽缓的轴向北东的不对称向斜（东社向斜），局部发育短轴背、向斜并发育一系列走向北东的断层，且向南西收敛。地表岩层倾角西部陡，东部缓，中南部陡，北部较缓。井田内构造方向单一，主要为北东向，仅南部翘起端，发育一条北西向正断层。

2 地应力测试及分析

图1 地应力测试过程

2.1 地应力测试

2.1.1 测试过程

赤峪煤矿原岩应力测量采用在矿井井下巷道中进行，地质钻孔布置在巷道内垂直于巷帮，以30°仰角向巷道顶板岩体中施工一定深度，将应力传感器安装在钻孔底部，24小时候，打钻套芯实施应力解除，记录应变。见图1所示。

2.1.2 测试仪器设备

本次采用澳大利亚ES＆S公司生产的CSIRO HI型传感器，胶体为美国进口专用胶，以及地应力采集器。见图2所示。

2.1.3 测试地点选择

根据山西赤峪煤矿井下巷道开拓实际和地质条件，分别在井田副井区域和风井区域进行地应力测量工作。副井原岩应力测点位于副井底液压室内部，垂直于巷道端部断面；中央风井原岩应力测点位于中央风井车场转弯处末端外侧，垂直于巷道右帮。测点布置见图3所示。

图2 应力传感器、胶体及采集器

图3 测点布置图

2.1.4 测试结果

应力测量在井下巷道中进行。钻孔在巷道两帮中部斜向上布置，测量水平面上的最大与最小水平主应力，垂直主应力由上覆岩层重量计算得出。钻孔采用小孔径，直径为φ80mm；钻孔长度为15m左右，应力解除长度45cm。结果见表1、表2所示。

表1 原岩应力汇总表

2.2 地应力分析

1）原岩应力场的最大主应力б1为最大水平主应力бhmax，方位为南东方向，略偏东。经过原岩应力实测副井测点和中央风井测点最大主应力б1倾角均较小，分别为3.6°和3.4°，均接近水平方向，即最大主应力б1应该为最大水平主应力бhmax。副井测点与中央风井测点最大主应力б1方位平均为分别为NE126.4°和NE124.5°，方向处于南东偏东向；2）原岩应力场的最小主应力б3为最小水平主应力бhmin，方位为近北东偏北方向。实测的副井和中央风井最小主应力б3倾角均较小，分别18.1°和16.3°，也接近水平方向，即赤峪煤矿最小主应力б3为最小水平主应力бhmin。最小主应力б3的方位角分别为37.8°和33.5°，方向为北东方向略偏北；3）同一测点上的最大水平主应力与最小水平主应力在方位上呈正交关系。从副井原岩应力测量结果中可以看出，其最大水平主应力与最小水平主应力方位分别为126.4°和37.8°，在方位上大致垂直，同样的中央风井也可以看出最大水平主应力与最小水平主应力大致垂直；4）赤峪煤矿井田原岩应力场的中间主应力б2倾角较大，分别为74.0°和73.3°，接近垂直方向，且实测值与垂直应力бv接近；5）垂直应力与按上覆岩层容重和埋深计算的垂直应力基本相符。副井测点与中央风井测点埋深分别为680m和650m，按照上覆岩层容重计算垂直应力分别为17.00MPa和16.25MPa，其值比实测垂直应力值17.38MPa和17.83MPa略小；6）影响赤峪煤矿井下巷道稳定性的首要因素是水平应力。从副井和中央风井原岩应力测量结果看，б1/бv其值分别为1.54和1.48倍，矿井水平应力明显大于垂直应力，说明水平应力比垂直应力对巷道围岩稳定性的影响要大，为典型的构造应力场；7）井田巷道受最大水平应力方向性影响非常明显。根据副井和中央风井原岩应力测量结果，б1/б3其值分别为2.50和2.53倍，说明井田内地应力场对巷道掘进影响具有明显的方向性，在同一水平面的最大水平主应力与最小水平主应力之间差值越大，水平应力对巷道稳定性的影响越大；8）副井和中央风井原岩应力测点所测的中间主应力б2近似为垂直应力，所测中间主应力倾角较大，接近垂直方向，且其值与垂直应力也很接近。

3 结论

1）赤峪矿水平地应力大于垂直地应力。矿井主要是南北向延展的构造，构造挤压作用明显，生成了近东西向的最大构造水平主应力；2）目前井底车场巷道、南北大巷大多南北向与最大水平主应力接近垂直，所以该类巷道稳定是重点，应加强支护，局部破坏部位应补强支护；二首采区准备巷道一南北向为主，与最大水平主应力近似平行，预计地应力对该类巷道影响较小。

[1]倪兴华.地应力研究与应用[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2]王连捷，任希飞，丁原辰，等.地应力测量在采矿工程中的应用[J].北京：地震出版社，1994.

[3]蔡美峰.地应力测量原理与技术[M].北京：科学出版社，2000.

[4]康红普，林健，张晓，等.潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究[J].岩土力学，2010，31(3)：827-831.

[5]王连国，陆银龙，杨新华，等.霍州矿区地应力分布规律实测研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(1)增：2768-2774.