李紅友,姚方興
(1.臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦,山東 菏澤 274000;2.安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001)
煤炭是自然界中一種基礎能源,儲量大、分布廣、可利用率高,同時又作為國家能源安全和經濟安全的基礎,在中國能源發展史上有著舉足輕重的位置[1]。隨著煤炭開采的深度加大,對巷道安全的要求就越來越高。地應力作為造成礦山巷道及地下工程變形、破壞的主要因素,其大小、方向等會對巷道的穩定性產生嚴重影響[2]。作為原巖應力的重要組成部分,地應力的變化與巷道的穩定息息相關。因此,對地應力進行準確地測量,分析其特征,對于巷道的支護和礦井安全十分必要[3]??招陌w法因其操作簡單,準確度高[4-6]等特點,受到了國內外學者的廣泛歡迎。高峰[7]采用應力解除法針對曹莊煤礦現場進行地應力測試,優化巷道支護參數,針對高應力軟巖巷道圍巖變形提出相應解決方法;高會春[8]將三維套孔應力解除地應力測試技術和空心包體應變計相結合,對東周窯礦東翼采區進行地應力現場實測以及圍壓率定實驗,對空心包體應力解除法測試地應力的原理、儀器構造、測試過程等方面做了詳細介紹的同時,對該礦區地應力分布規律做出詳盡介紹;李曉鵬[9]測定軟巖巷道圍巖的物理力學參數,為軟巖巷道控制方案提供數據支撐;康紅普[10]對晉城礦區進行地應力場測試和研究,收集煤礦地應力數據,在建立“中國煤礦井下地應力數據庫”的同時,繪制了中國煤礦礦區地應力分布圖。
本文以郭屯煤礦采區為研究背景,利用空心包體類三維應力測量法,在測得郭屯煤礦巷道圍巖地應力的同時對巷道圍巖穩定性進行研究,為類似礦井的開采和支護提供一定參考價值。
郭屯煤礦地層自下而上分為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系,區域內含煤地層主要賦存于二疊系山西組和石炭-二疊系太原組。礦區東起田橋斷層,西界為煤系地層隱伏露頭,總體為向東傾斜的單斜構造,地層傾角約為6°,屬簡單型構造。
本研究項目用空心包體類三維應力測量法進行測量,應力計結構如圖1、圖2 所示。
圖1 空心包體應力計結構Fig.1 Structure of hollow inclusion stress meter
圖2 空心包體應變分布示意Fig.2 Hollow inclusion strain distribution diagram
該應力計由12 個電阻應變片分別埋入環氧樹脂筒中制成。制作過程中將3 個應變花沿環氧樹脂薄壁筒圓周相隔120°粘貼。然后在外層注入環氧樹脂粘結劑,并將其嵌入到環氧樹脂管內[11]。
本文采用空心包體類環氧樹脂三軸應變法,其應力解除過程詳如圖3 所示。
圖3 測點應力解除過程Fig.3 Stress relieving process of measuring point
(1) 應在盡量完整、層理不發育或膠結較好的巖體中布置測點。
(2) 側孔深度應大于巷道或已開挖峒室跨度的2.5 倍。
在煤礦副井四叉門處布置地應力測試點,鉆孔數據見表1。
表1 地應力測量鉆孔狀況Table 1 In-situ stress measurement drilling
(1) 用工程地質鉆,鉆孔直徑133 mm,并進行濕法鉆井,將巖粉水等排出,再用36 mm 鉆頭同心鉆進測量孔,深度約33 cm。
(2) 先將質量比為4.2∶1 的粘結劑填充到空心包體應力計圓筒內,柱塞插入內腔,用鋁絲將其固定,再用定位器接送棒把空心包體送入鉆孔中預定位置,繼而推動安裝桿,剪斷鋁絲,使粘結劑流入應力計與測量孔孔壁之間的間隙。15 h 后,粘結劑發生固化,記錄應力計相應偏角β。
(3) 在應變儀相應位置處連接由應變片所引出的電纜線,調節應變儀使其讀數為零。
(4) 每2 cm 進尺測量一次。當采集儀的數據不變時,停止鉆機。
(5) 應力解除完畢后,取芯。應力解除曲線如圖4 和圖5 所示。
圖4 1 號測試孔應力解除曲線Fig.4 Stress relief curve of No.1 test hole
圖5 2 號測試孔應力解除曲線Fig.5 Stress relief curve of No.2 test hole
由圖4 和圖5 可得,12 個應變片的應力解除曲線規律性良好,應變片工作狀態正常。解除套孔,套孔到達應變片所在位置之前,12 個應變片所測得應變值趨近于零;當套孔深度至測量斷面時(即應變片所在部位),應變片測得數值均不斷增加;當套孔深度在36~38 cm 時,應變片測得應變值趨于穩定,此時測點應力完全解除。
根據巖芯的圍壓率定實驗,其彈性模量E 和泊松比ν 修正后的計算公式如下:
式中:εθ、εz分別為周向應變值和軸向應變值;R和r 分別為空心包體的外徑和內徑;P0為圍壓試驗加載的外壓;R1為空心包體內半徑;R2為小孔半徑;G1、v1分別為空心包體材料環氧樹脂的剪切模量和泊松比;G2、v2分別為芯樣的剪切模量和泊松比;ρ 為應變片在空心包體中的徑向距離。
綜上,可得地應力大小和方向,數據見表2、表3。
表2 兩個鉆孔的應力分量/MPaTable 2 Stress components of two boreholes/MPa
表3 主應力的大小及方向Table 3 The size and direction of principal stress
本文以郭屯煤礦采區為研究背景,利用空心包體類三維應力測量,對巷道圍巖地應力進行了測試,其主要研究結論如下。
(1) 實測結果表明,第一主應力為水平應力,其方位角為100.44°~111.030°。
(2) 該礦最大水平主應力均值為15.7 MPa,為最小水平主應力值的0.60~0.62 倍,二者差值較小,有利于巷道穩定。
(3) 根據常用應力量級判斷標準可得,該煤礦井下地應力整體上處于低、中地應力值區域,對巷道支護有利。