甘星海

摘 要：針對姚橋煤礦東翼及西翼個別采區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域巷道維護(hù)發(fā)生明顯不同的問題，通過采用空心包體法對典型區(qū)域進(jìn)行了地應(yīng)力測試，并根據(jù)取得的數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析已掘巷道破壞失效原因，同時將地應(yīng)力測試結(jié)果與后續(xù)巷道支護(hù)相結(jié)合，對此采區(qū)巷道施工支護(hù)方案提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：姚橋煤礦；地應(yīng)力測試；礦壓顯現(xiàn)；異常區(qū)域

姚橋煤礦地應(yīng)力場主要以垂直應(yīng)力為主，支護(hù)主要考慮垂直應(yīng)力的作用，水平應(yīng)力的顯現(xiàn)微弱，只作一般的支護(hù)。

1 礦井地質(zhì)條件

本井田第四系沖積層廣泛分布，為全掩蓋式煤田，經(jīng)鉆探揭示最老地層為寒武系鳳山組，最新地層為第四系，本文測試地層位于二迭系山西組地層。

2 測量原理、設(shè)備及步驟

2.1 基本原理

應(yīng)力解除法的基本原理就是，當(dāng)一塊巖石從受力作用的巖體中取出后，由于其巖石的彈性會發(fā)生膨脹變形，測量出應(yīng)力解除后的此塊巖石的三維膨脹變形，并通過現(xiàn)場彈模率定確定其彈性模量，則由線性虎克定律即可計算出應(yīng)力解除前巖體中應(yīng)力的大小和方向。

2.2 測試裝置

該系統(tǒng)主要包括空芯包體應(yīng)變傳感器、KBJ-16井下防爆型智能數(shù)字應(yīng)變儀、現(xiàn)場輔助設(shè)備以及相關(guān)處理軟件四大部分。其中現(xiàn)場輔助設(shè)備包括圍壓率定儀、水平定向儀、扶正器和洗孔器、安裝桿、鉆頭（Φ130mm和Φ36mm）。軟件部分主要包括KBJ-16型礦用數(shù)字應(yīng)變儀驅(qū)動程序以及空芯包體應(yīng)力測量數(shù)據(jù)處理程序。

2.3 測試的主要步驟

應(yīng)力解除法原巖應(yīng)力測試按照以下步驟進(jìn)行：選擇測試位置→利用鉆機(jī)打孔取芯→打空心包體孔→安裝應(yīng)力計→取芯（應(yīng)力解除）→彈模率定→三維應(yīng)力計算→反演結(jié)果。

原巖應(yīng)力測量一般在煤礦井下的巷道中進(jìn)行，應(yīng)力鉆孔普遍采用在巷道內(nèi)以一定的仰角向巷道頂板巖體中施工，在完整巖體中安裝應(yīng)力傳感器進(jìn)行應(yīng)力測量。

在選定地應(yīng)力測量地點施工導(dǎo)孔及安裝孔，在小巖芯完整位置安裝應(yīng)力計，然后，用金剛石巖芯筒把內(nèi)部粘結(jié)著應(yīng)力計的圓柱狀巖芯取出，取芯過程中，巖體的應(yīng)變則由應(yīng)力計測量出來。

3 測量實踐

3.1 測試位置選擇

考慮到地應(yīng)力測試的技術(shù)要求和現(xiàn)場實際情況，決定選擇兩個測點進(jìn)行地應(yīng)力實測，1#孔測點位于東六新建放水巷內(nèi)。

3.2 地應(yīng)力測量結(jié)果分析

3.2.1 測量孔的解除曲線

在兩個測點的測量工作中，應(yīng)力解除過程都比較正常，并能取出帶有應(yīng)力計的完整巖心。應(yīng)力解除完成后根據(jù)應(yīng)變儀的讀數(shù)，分布繪制出各測點的應(yīng)力解除曲線，并由繪制出的應(yīng)力解除曲線得出各個應(yīng)變的穩(wěn)定應(yīng)變值。

東六軌道下山與新建放水巷交匯處的1#孔進(jìn)行測量，A應(yīng)變片正好豎直向上，應(yīng)變片深度為1055cm，解除開始至解除距離28cm階段，應(yīng)變曲線平緩，應(yīng)變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進(jìn)至應(yīng)變片位置；當(dāng)解除距離至28cm后，應(yīng)變量逐漸增加，當(dāng)解除至應(yīng)變片位置即解除距離達(dá)30cm時，應(yīng)變量突然增加，隨后應(yīng)變曲線趨于平緩，解除至40cm后，應(yīng)變量基本不變，解除至45cm時，應(yīng)變解除結(jié)束。應(yīng)變解除曲線正常，可作為計算應(yīng)力的依據(jù)。

4 姚橋井田地應(yīng)力場分布規(guī)律分析

4.1 基于礦區(qū)地應(yīng)力回歸結(jié)果計算姚橋區(qū)域地應(yīng)力

通過對大屯礦區(qū)地應(yīng)力實測結(jié)果分析表明，礦區(qū)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、鉛直主應(yīng)力均隨深度呈近似線性增加的關(guān)系。姚橋井田地處大屯礦區(qū)，根據(jù)周鋼、李玉壽等人對大屯礦區(qū)的地應(yīng)力回歸結(jié)果對1#孔和2#孔地應(yīng)力進(jìn)行計算。姚橋地應(yīng)力實測結(jié)果表明地應(yīng)力場符合豐—沛縣整體地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力場規(guī)律。此外不同區(qū)域不同巖性地應(yīng)力場變化很大，總體上來看巖石抗壓強(qiáng)度越強(qiáng)，則地應(yīng)力特別是構(gòu)造地應(yīng)力場則越高，從這個角度來說，這些地區(qū)受地應(yīng)力場破壞較為嚴(yán)重，也是支護(hù)的難點區(qū)域。

4.2 姚橋井田地應(yīng)力場分布規(guī)律分析

（1）東六新建放水巷內(nèi)1#孔地應(yīng)力測試結(jié)果為：最大主應(yīng)力σ1為11.7MPa，近似鉛垂方向，傾角為82.21°，方位角201.34°，中間主應(yīng)力σ2為9.7MPa，方位角-41.84°，傾角3.53（近似水平方向）；最小主應(yīng)力σ3為5.1MPa，方位角228.59，傾角-6.94°。實測鉛垂應(yīng)力分量為11.56Mpa，若取上覆巖層的平均重力密度γ=2.5t/m3估算自重應(yīng)力（測點深450m），則自重應(yīng)力約為11.25MPa，兩者相差不大；實測最大水平方向應(yīng)力為9.68Mpa，方位角-41.84°。最大水平方向應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力分量比值為0.8，說明此處以垂直應(yīng)力為主。

（2）東七四甩道內(nèi)2#孔地應(yīng)力測試結(jié)果為：最大主應(yīng)力σ1為15.6MPa，方位角97.81，傾角-12.5°（近似水平方向）；中間主應(yīng)力σ2為11.8MPa，方位角4.56，傾角-14.34°；最小主應(yīng)力σ3為9.0MPa，方位角227.37°，傾角-70.79°，接近垂直方向；實測鉛垂應(yīng)力分量為14.8MPa，與上覆巖層重量γH（γ值取為2.3～2.5）相差不大。最大水平主應(yīng)力為15.22，與垂直應(yīng)力的比值為1.03。

4.3結(jié)論

（1）地應(yīng)力是造成巷道發(fā)生嚴(yán)重變形破壞的最主要的原因，高地應(yīng)力使得巷道圍巖中積聚了大量的彈性能，使圍巖處于高圍壓和高垂直壓力下的三軸應(yīng)力狀態(tài)，這樣圍巖處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，但當(dāng)巷道或者硐室開挖后，使圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為兩向應(yīng)力狀態(tài)或低圍壓下的三向應(yīng)力狀態(tài)，大大降低了圍巖的強(qiáng)度和抗破壞能力，圍巖出現(xiàn)了由于卸載而產(chǎn)生的破壞。

（2）在高地應(yīng)力與方向性強(qiáng)的水平地應(yīng)力作用下，巷道破壞表現(xiàn)有明顯的方向性。若巷道上部在以水平地應(yīng)力為主的典型高應(yīng)力區(qū)控制之下且最大水平主應(yīng)力與巷道夾角過大，那么巷道極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致頂板或肩角處發(fā)生破壞。

（3）對于各個不同的開掘完成的巷道破壞區(qū)域治理及后續(xù)巷道支護(hù)，關(guān)鍵在于對頂板的控制及兩幫巖體的支護(hù)強(qiáng)度，如采取高性能超強(qiáng)錨桿及高預(yù)緊力提高支護(hù)強(qiáng)度，大托盤增加支護(hù)面積，阻止破碎區(qū)的發(fā)展，限制塑性區(qū)的深入。

（4）針對高地應(yīng)力區(qū)巷道的變形和破壞特點，在考慮支護(hù)和加固方案的同時，要考慮解決高應(yīng)力的釋放問題，即卸壓問題，原有的高應(yīng)力是無法通過支護(hù)解決的，對于高應(yīng)力，必須讓其得到釋放，然后再采取有效的支護(hù)措施，保證低應(yīng)力狀態(tài)下巷道圍巖的后期穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡美峰，喬蘭，李華斌，等.地應(yīng)力測量原理和技術(shù)[M].科學(xué)出版社.