邵國飛

（山煤國際蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

1 概況

豹子溝煤業(yè)有限公司礦井生產(chǎn)能力0.9 Mt/a。9+10+11 煤層為主采煤層，三個(gè)煤層相近，采用聯(lián)合開采，總平均厚度5.54 m。頂板為11 m 厚的泥巖、中砂巖，底板為9 m 的泥巖、砂巖。煤層平均埋深450 m，地質(zhì)條件復(fù)雜。眾所周知，煤巖體是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體，煤巖體是否發(fā)生破壞主要有兩大影響因素[1-2]：一是煤巖體本身強(qiáng)度，煤巖體存在大量的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，就會導(dǎo)致強(qiáng)度較低，反之強(qiáng)度較高；二是煤巖體承載的外在地應(yīng)力大小及地應(yīng)力方向，地應(yīng)力越大煤巖體容易發(fā)生破壞，地應(yīng)力方向也會造成很大影響。豹子溝礦巷道斷面較大，構(gòu)造復(fù)雜，斷層較多，煤巖體內(nèi)裂隙較多，煤巖體本身強(qiáng)度不高，勢必給巷道支護(hù)造成一定的困難。煤層埋深一定，地應(yīng)力大小也一定，故地應(yīng)力的分布特征及巷道與地應(yīng)力方向的關(guān)系成為巷道支護(hù)的關(guān)鍵問題[3-4]。

2 地應(yīng)力測試

測試地應(yīng)力的方法有應(yīng)力解除法、水壓致裂法等。豹子溝礦采用水壓致裂法測試地應(yīng)力，測試裝置為SYY-56 型[5-6]。測試步驟如下：（1）選取測試孔段。利用窺視儀選擇完整的孔段，選擇的孔段深度不小于巷道寬度的2.5 倍。（2）注水管泄漏試驗(yàn)。對注水管進(jìn)行壓裂前的試驗(yàn)工作，保證注水管在高壓下管路的正常使用。（3）正式壓裂。將封隔器下到設(shè)定的孔段，并進(jìn)行注壓，直至壓裂段的巖石壓裂，然后停止加壓，完成第一次壓裂試驗(yàn)。（4）重復(fù)張裂試驗(yàn)。當(dāng)壓裂管道內(nèi)壓力恢復(fù)為零時(shí)，重復(fù)上一步驟第一次壓裂試驗(yàn)3～4 次，并記錄破裂縫重新張開到關(guān)泵后壓力隨時(shí)間的衰減曲線。（5）壓模、確定裂紋方向。在排凈空氣的印模器上劃一道直線，與定向儀上基線取齊，將定向儀與涂有四氫呋喃的印模器進(jìn)行連接，并將印模器送至預(yù)先設(shè)定的壓裂位置。對印模器進(jìn)行加壓1.2 Pa，持續(xù)約1 h，通過分析基線與地理北極的夾角，以及模膠筒上的基線和裂紋跡線，可確定裂紋方位角。

通過豹子溝井下實(shí)際情況，選取了6 個(gè)地方進(jìn)行地應(yīng)力測試，分別編號1#～6#測站。具體位置及測試深度情況如下：1#測站風(fēng)井井底，距離1#聯(lián)絡(luò)巷80 m 處，測試深度16 m；2#測站1208 巷中約580 m 處，測試深度15 m；3#測站軌膠聯(lián)絡(luò)Ⅰ巷中，測試深度20 m；4#測站1212 巷中約480 m 處，測試深度16 m；5#測站1212 巷中約1000 m 處，測試深度19 m；6#測站1208 巷中，距離巷道拐點(diǎn)處約60 m，測試深度16 m。測試結(jié)果如圖1 和表1。從測試的結(jié)果可知，測試中最大、最小水平應(yīng)力最大值分別為18.98 MPa、9.86 MPa，垂直應(yīng)力最大值為11.45 MPa，六個(gè)測站最大水平應(yīng)力普遍較大，垂直應(yīng)力普遍較小且小于水平應(yīng)力，水平應(yīng)力對巷道頂?shù)装遄饔么笥趦蓭?；根?jù)應(yīng)力判別標(biāo)準(zhǔn)和測試應(yīng)力結(jié)果可判斷，該采區(qū)為中等應(yīng)力場；最大水平主應(yīng)力方向主要集中在N24°W ～N54°W 之間。

圖1 各測站地應(yīng)力測試定向結(jié)果

表1 各測站測定結(jié)果

3 地應(yīng)力與巷道布置關(guān)系數(shù)值模擬

利用FLAC3D數(shù)值模型模擬工作面巷道布置與地應(yīng)力不同方向時(shí)塑性變化情況。數(shù)值模擬對象為豹子溝礦工作面順槽，煤厚5.47 m，傾角為1.5°～3°，煤層單軸抗壓強(qiáng)度為19 MPa。模擬方案為最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線的夾角從0°～90°，中間每間隔10°分別對圍巖應(yīng)力、塑性破壞情況進(jìn)行模擬，部分模擬結(jié)果如圖2、圖3。

通過圖2 和圖3 的模擬結(jié)果可知：煤巖體被挖空后，原巖應(yīng)力被破壞并重新分布，在巷道兩幫、底板分別出現(xiàn)了應(yīng)力升高區(qū)、垂直應(yīng)力降低區(qū)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著最大水平應(yīng)力與巷道軸線的角度增大，兩幫垂直應(yīng)力降低區(qū)從頂板上方與底板下方發(fā)展到巷道頂角上方與底板斜下方，同時(shí)兩幫應(yīng)力降低區(qū)逐漸增大，遠(yuǎn)離巷道兩幫的水平應(yīng)力不斷增加；頂板垂直切面上巷道軸線平行于最大水平主應(yīng)力方向，應(yīng)力值減小，集中應(yīng)力分布范圍減小，隨著夾角增大，應(yīng)力集中區(qū)不斷擴(kuò)大，直到90°時(shí)，水平應(yīng)力值與集中范圍最大；圍巖塑性變形量隨著夾角的增大塑性變形逐漸增大，平行時(shí)最小，垂直時(shí)變形最大，但是在0°～20°范圍內(nèi)塑性變形不夠明顯，在20°～60°塑性變形比較顯著，與水平應(yīng)力實(shí)地測試結(jié)果一致，即實(shí)測的巷道水平應(yīng)力方向與巷道軸線夾角不是在0°～20°合理范圍內(nèi)，故需要加強(qiáng)巷道兩幫的支護(hù)；同時(shí)，其他巷道掘進(jìn)時(shí)盡量使巷道水平應(yīng)力方向與巷道軸線夾角在0°～20°內(nèi)。

圖2 部分不同角度下圍巖垂直應(yīng)力分布情況

圖3 最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線夾角塑性變形情況

4 結(jié)語

豹子溝礦地質(zhì)情況復(fù)雜，存在大量的地質(zhì)構(gòu)造、斷層等，構(gòu)造應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。通過水壓致裂法實(shí)地對礦井的地應(yīng)力分布進(jìn)行測量以及數(shù)值模擬的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)部分巷道軸線與最大水平應(yīng)力夾角在20°～60°，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)巷道兩幫的支護(hù)，同時(shí)，建議掘進(jìn)時(shí)其他巷道的巷道軸線與水平應(yīng)力方向夾角應(yīng)設(shè)定在0°～20°內(nèi)。