王興旭，孟 坤，陳 夢

(1.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 710035；2.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司三十六工程處，安徽 宿州 234000；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710600)

0 引言

地應(yīng)力是井下圍巖單位面積上因受力變形而承載的作用力，主要以地心引力作用而產(chǎn)生的自重應(yīng)力和地殼構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力為主，是天然存在于巖體中的原始應(yīng)力。因此，地應(yīng)力主要由埋藏深度和地質(zhì)構(gòu)造賦存情況決定。地應(yīng)力是影響井下采掘工程活動最重要和最根本的因素，是引起井下圍巖變形破壞、產(chǎn)生礦井動力現(xiàn)象的根本作用力[1-2]，尤其在采深比較大的礦井中，地應(yīng)力的影響和作用更甚。因此，掌握礦井地應(yīng)力場的空間分布規(guī)律，對減弱采礦工程圍巖的破壞，減少沖擊地壓對礦井安全生產(chǎn)的威脅具有重要意義。

目前，掌握礦井地應(yīng)力場的方法主要有理論計算法、地應(yīng)力測量法和數(shù)值模擬反演法，由于地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，即使在同一巖層、同一水平，不同地點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)也可能存在較大差異，理論計算僅能反應(yīng)大范圍的地應(yīng)力場賦存分布規(guī)律，因此要了解某一地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，最直接有效的方法就是進(jìn)行現(xiàn)場實測。地應(yīng)力測量最常用方法有水壓致裂法、應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法等[3]，其中應(yīng)力解除法是應(yīng)用最廣泛、最成熟的地應(yīng)力測量方法。通過在小莊煤礦選取典型測點(diǎn)，運(yùn)用套孔應(yīng)力解除法實測地應(yīng)力場大小及分布規(guī)律，并運(yùn)用三維地應(yīng)力場反演數(shù)值模擬進(jìn)行對比分析，掌握礦井的地應(yīng)力場分布規(guī)律，對整體提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益具有重要意義。

1 礦井構(gòu)造特征

小莊煤礦位于彬長礦區(qū)中部，礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北北緣的彬縣—黃陵坳褶帶，總體構(gòu)造形態(tài)為中生界構(gòu)成的 NW緩傾的大型單斜構(gòu)造，在此單斜上產(chǎn)生一些寬緩而不連續(xù)的褶皺，地表屬陜北黃土高原與隴東黃土高原結(jié)合部的塬梁溝壑區(qū)，地勢U總體呈西南高東北低，海拔在+1 000～+1 200 m。

彬長礦區(qū)發(fā)育有彬縣背斜、路家—小靈臺背斜、七里鋪—西坡背斜等背斜，其對礦區(qū)煤層分布有一定的控制作用。背斜的軸向與礦區(qū)地層走向基本一致，彬縣一帶及以東呈 EW向，彬縣以西呈 NW或近 EW向，背斜兩翼弓狀多不對稱，南翼較緩，一般 1°～3°，北翼較陡，一般在 4°～8°，背斜軸長 10～30 km，軸部缺失含煤地層或上含煤段；礦區(qū)斷層較罕見，在礦區(qū)東南部的水簾煤礦、火石咀煤礦、下溝煤礦等生產(chǎn)礦井揭露少量斷距在 1.2～6 m的小斷層。礦區(qū)主要構(gòu)造形態(tài)特征如圖1所示。

圖1 小莊煤礦構(gòu)造分布特征示意圖

小莊煤礦主采的4#煤位于延安組下部，基本全井田分布，4#煤形成于長期發(fā)育的泥巖沼澤中，煤層厚度0～38.66 m，平均厚度15.23 m，屬特厚煤層，在井田范圍內(nèi)屬于穩(wěn)定煤層，全區(qū)可采；二盤區(qū)為小莊煤礦的首采盤區(qū)，煤層埋深約447～600 m，首采40201工作面已回采完畢，目前正在回采40202工作面。

小莊煤礦4#煤埋藏較深，受路家—小靈臺背斜和南玉子向斜構(gòu)造的影響，礦井發(fā)生沖擊礦壓的危險程度較大，因此通過地應(yīng)力測量和數(shù)值計算，確定井田區(qū)域內(nèi)的集中應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力分布狀態(tài)是預(yù)測預(yù)防礦井動力現(xiàn)象的前提；此外根據(jù)地應(yīng)力的分布規(guī)律，合理確定巷道斷面形狀，正確選擇巷道軸線方向，科學(xué)設(shè)計采場布局和回采順序等，對于保證巷道的相對穩(wěn)定和生產(chǎn)安全都有重要意義。

2 地應(yīng)力現(xiàn)場測量及特征分析

現(xiàn)場地應(yīng)力實測是了解區(qū)域范圍內(nèi)地應(yīng)力大小和分布特征最直接有效的手段，一般選取地球坐標(biāo)系作為測量坐標(biāo)系，由6個應(yīng)力分量可求得所選點(diǎn)的3個主應(yīng)力的大小和方向。近年來，地應(yīng)力的測量方法有了很大的發(fā)展，根據(jù)其測量原理的不同，主要分為三大類：一是以直接或間接測定原巖應(yīng)力下的巖體應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槭侄蔚膸r石力學(xué)方法；二是以測量巖體中聲發(fā)射、波速特征或電阻率等物理量的變化為依據(jù)的地球物理方法；三是根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征和井下鉆孔破壞狀況等信息，通過相關(guān)計算確定應(yīng)力方向的地質(zhì)測繪法[4]。

在煤礦工程中因測量地點(diǎn)和時間條件等制約，多采用應(yīng)力解除法與水壓致裂法，其它幾種方法多用于輔助檢驗。由于水壓致裂法多由地面打鉆進(jìn)行深井測量，其工程量大、測試費(fèi)用高，且無法實現(xiàn)對井下局部范圍內(nèi)地應(yīng)力的快速測量，在煤礦井下地應(yīng)力測試應(yīng)用較少；套孔應(yīng)力解除法精準(zhǔn)度高、可靠性強(qiáng)、適用性強(qiáng)，其發(fā)展時間長、技術(shù)較成熟，是一種能夠客觀反映巖體應(yīng)力分布規(guī)律的一種測量方法，適用于煤礦井下的巷道、硐室，為此采用套孔應(yīng)力解除法對小莊煤礦的原巖應(yīng)力進(jìn)行測量。

2.1 套孔應(yīng)力解除法原理

套孔應(yīng)力解除法是以彈性理論為基礎(chǔ)，在巖體中選定測點(diǎn)按要求施工鉆孔，并安裝應(yīng)變計和數(shù)據(jù)采集器等，通過掏槽或套孔使該部分巖芯與原巖分離，分離后巖芯不再受到周圍應(yīng)力作用從而產(chǎn)生一定的彈性形變擴(kuò)張，通過儀器記錄下相關(guān)變形量，然后運(yùn)用彈性理論計算出其原巖應(yīng)力狀態(tài)[5-6]。

2.2 地應(yīng)力實測

測量設(shè)備：套孔應(yīng)力解除法的地應(yīng)力測量設(shè)備包括礦山壓力數(shù)據(jù)記錄分站、改進(jìn)型空心包體應(yīng)力計、定向儀和率定儀。

本次測試對傳統(tǒng)的空心包體應(yīng)力計進(jìn)行了改進(jìn)，以提高測量的精確度。設(shè)備的應(yīng)變計探頭是用環(huán)氧樹脂制成一個空心圓筒，在其中間沿同一圓周嵌埋三個電阻應(yīng)變花，每兩個應(yīng)變花夾角為120°；每個應(yīng)變花由四支應(yīng)變片組成，相互間隔45°，共12支應(yīng)變片。改進(jìn)型空心包體應(yīng)變計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，應(yīng)變片排列方式如圖3所示。

1-封閉圈；2-環(huán)氧樹脂殼體；3-空腔(內(nèi)裝膠結(jié)劑)；4-電阻應(yīng)變片；5-固定銷；6-活塞；7-膠結(jié)劑流出孔；8-封閉圈；9-導(dǎo)向頭圖2 改進(jìn)型空心包體應(yīng)變計內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 應(yīng)變片排列方式

測點(diǎn)布置：根據(jù)套孔應(yīng)力解除法的基本原理和現(xiàn)場實際環(huán)境，測點(diǎn)要選取在具有代表性的區(qū)域內(nèi)，并避開巖石破碎帶、斷裂發(fā)育帶、較大開挖體等，保證應(yīng)力測點(diǎn)必須位于原巖應(yīng)力區(qū)；另外為了研究地應(yīng)力狀態(tài)隨深度變化的規(guī)律，測量應(yīng)盡量在3個或3個以上水平進(jìn)行，本次結(jié)合現(xiàn)場實際情況考慮，選擇3個測點(diǎn)經(jīng)行測量，各測點(diǎn)鉆孔布置參數(shù)見表1。

表1 各測點(diǎn)鉆孔布置參數(shù)

地應(yīng)力測量操作步驟：①在所選測點(diǎn)的巷道壁上打垂直于巷道煤壁的鉆孔，直徑130 mm，鉆孔上傾 1°～3°，孔深9～9.5 m，保證測點(diǎn)是未受到采動影響的原巖應(yīng)力場；②在大孔底部打同心小孔，用來安裝儀器，小孔直徑36 mm，孔深25～30 cm，并用綁有干毛巾的擦孔器反復(fù)擦拭小孔內(nèi)壁，以保證膠著牢固；③用帶有定向器的安裝桿將改進(jìn)型空心包體應(yīng)變計安裝在小孔中央部位，記下定向器所顯示的應(yīng)力計的偏角，并用羅盤測量出鉆孔的方位和傾角；④當(dāng)環(huán)氧樹脂固化后，首先接通應(yīng)變儀，測得其初始值；然后用直徑為130 mm的薄壁鉆頭繼續(xù)分級延深大孔，每級深度3 cm，每解除一級深度，停鉆讀數(shù)，連續(xù)讀取2次，從而使得小孔周圍巖芯逐步應(yīng)力解除，直至一定深度后應(yīng)變計讀數(shù)趨于穩(wěn)定；⑤解除過程中，小孔變形值經(jīng)空心包體應(yīng)變計探測并通過電橋轉(zhuǎn)換裝置和數(shù)據(jù)采集器記錄在儲存器內(nèi)，根據(jù)應(yīng)力解除過程中由空心包體應(yīng)變計測得的小孔變形值，通過有關(guān)公式計算出測點(diǎn)的三維原巖應(yīng)力狀態(tài)。

2.3 測量結(jié)果分析

應(yīng)力解除變化：應(yīng)力解除完成后，將數(shù)據(jù)采集器中的應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)，并據(jù)此繪制出測點(diǎn)各應(yīng)變片的應(yīng)變值隨應(yīng)力解除深度變化的曲線。巖石條件良好，應(yīng)變計工作狀態(tài)正常的情況下應(yīng)力解除曲線應(yīng)呈現(xiàn)有規(guī)則的、可預(yù)測的形狀，正常的應(yīng)力解除曲線基本上可分為無應(yīng)力影響區(qū)、應(yīng)力彈性釋放區(qū)和應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)3部分。小莊煤礦3個測點(diǎn)應(yīng)力解除曲線如圖4所示。

a-1#測點(diǎn)；b-2#測點(diǎn)；c-3#測點(diǎn)圖4 小莊煤礦地應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)力解除曲線

根據(jù)各個測點(diǎn)的應(yīng)力解除曲線，得到各測點(diǎn)12個應(yīng)變片的穩(wěn)定應(yīng)變值，見表2。

表2 各測點(diǎn)應(yīng)變計最終穩(wěn)定值

根據(jù)實測的應(yīng)變數(shù)據(jù)、巖石力學(xué)參數(shù)及鉆孔的幾何參數(shù)，即可分析計算得出3個測點(diǎn)的地應(yīng)力分量及主應(yīng)力的大小和方向，小莊煤礦地應(yīng)力見表3。

地應(yīng)力場規(guī)律：從3個測點(diǎn)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，小莊煤礦具有：①3個測點(diǎn)的垂直應(yīng)力值基本上等于或略大于上覆巖層的重量，垂直應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為1.00～1.02，平均比值為1.01；②每個測點(diǎn)均有兩個主應(yīng)力接近于水平方向，其與水平面的夾角平均為8.11°，最大為13.24°；另有一個主應(yīng)力接近于垂直方向，其與垂直方向夾角平均為10.21°，最大為14.08°；③最大水平主應(yīng)力σH量值上約為垂直主應(yīng)力σv的1.69～1.83之間，平均為1.76倍，應(yīng)力場特征為σH>σv>σh，說明小莊煤礦地應(yīng)力場是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的；④最大水平主應(yīng)力σH與最小水平主應(yīng)力σh的比值介于1.82～1.88之間，在量值上相差較大，說明水平應(yīng)力對巷道頂、底板的影響表現(xiàn)出較明顯的方向性；⑤最大水平主應(yīng)力(σhmax)、最小水平主應(yīng)力(σhmin)和垂直主應(yīng)力(σv)均隨深度H(單位為m)呈近似線性增長的關(guān)系；⑥小莊煤礦最大主應(yīng)力σH為21.23～30.17 MPa，屬于高-超高應(yīng)力區(qū)。

3 三維地應(yīng)力場反演分析

地應(yīng)力實測是獲得礦區(qū)地應(yīng)力場最為直接和精確的方式，但很難在礦區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的地應(yīng)力測試，而反演分析通過礦區(qū)勘探資料構(gòu)建三維地質(zhì)模型，利用已測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬的方法反演計算出整個礦區(qū)地應(yīng)力場，彌補(bǔ)了地應(yīng)力實測的不足，給礦井開拓部署、巷道布置和支護(hù)等現(xiàn)場實踐提供更加全面科學(xué)的指導(dǎo)[7]。

表3 小莊礦各測點(diǎn)主應(yīng)力計算結(jié)果

3.1 現(xiàn)場實測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場3個地應(yīng)力實測點(diǎn)的位置坐標(biāo)見表4。

現(xiàn)場 3個實測點(diǎn)三維地應(yīng)力見表5。

3.2 反演過程及效果評價

以工程現(xiàn)場地應(yīng)力測點(diǎn)的位置坐標(biāo)及實測應(yīng)力為基礎(chǔ)，建立研究區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)地應(yīng)力值的多元線性回歸方程，由此可以推算出區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的初始地應(yīng)力值。

本次分別按照單獨(dú)考慮自重應(yīng)力、X和Y兩方向構(gòu)造應(yīng)力、τxy剪切方向的構(gòu)造應(yīng)力、τyx剪切方向的構(gòu)造應(yīng)力共5種不同的荷載形式，采用三維有限差分法進(jìn)行應(yīng)力場模擬分析，獲得5種應(yīng)力場[8]。

表4 現(xiàn)場實測點(diǎn)位置坐標(biāo)

以現(xiàn)場3個實測點(diǎn)三維地應(yīng)力為基礎(chǔ)，結(jié)合5種工況下應(yīng)力場所得主應(yīng)力分量，進(jìn)行最小二乘多元線性回歸法分析，得到5個回歸系數(shù)：L1=1.127 822，L2=3.987 244，L3=1.244 34，L4=2.208 53，L5=36.742 31，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.93。

表5 實測點(diǎn)主應(yīng)力分量

將3個測點(diǎn)實測地應(yīng)力與回歸方程計算得出的應(yīng)力進(jìn)行對比，從表6可以看出，無論是應(yīng)力值、方向還是應(yīng)力傾角，計算值與實際值的相對誤差基本在10%以內(nèi)，計算結(jié)果與實際情況有較高的擬合度，整體上看反演結(jié)果較為理想。

表6 實測地應(yīng)力與回歸應(yīng)力對比

3.3 區(qū)域最大主應(yīng)力分析

通過數(shù)值模擬計算，小莊煤礦4#煤最大主應(yīng)力場分布云圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，4#煤最大主應(yīng)力值主要分布在25～34.5 MPa之間，最大應(yīng)力水平由北向南依次呈現(xiàn)高—低—高—低的分布特征，北部高應(yīng)力區(qū)范圍最大，覆蓋四盤區(qū)整體和三盤區(qū)大部；中部低應(yīng)力區(qū)較狹窄，并在東西方向上貫穿整個礦井；中部高應(yīng)力區(qū)呈不規(guī)則橢圓狀，并由應(yīng)力集中區(qū)2向外依次降低；南部低應(yīng)力區(qū)分布在中部高應(yīng)力區(qū)兩側(cè)，且由北向南呈降低的變化趨勢。

4 結(jié)論

文中在小莊煤礦采用套空應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力場測量，并進(jìn)行了三維應(yīng)力場反演數(shù)值模擬計算，得出了小莊煤礦的地應(yīng)力場分布規(guī)律，為礦井動力現(xiàn)象的預(yù)測預(yù)防奠定了基礎(chǔ)。

圖5 小莊煤礦4#煤最大主應(yīng)力云圖

(1)小莊煤礦地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力約為垂直主應(yīng)力的1.69～1.83之間，平均1.76倍；最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.82～1.88倍，說明水平應(yīng)力對巷道頂?shù)装宓挠绊懕憩F(xiàn)出較明顯的方向性；小莊煤礦最大主應(yīng)力在21.23～30.17 MPa之間，屬于高-超高應(yīng)力區(qū)。

(2)最大水平主應(yīng)力(σhmax)、最小水平主應(yīng)力(σhmin)和垂直主應(yīng)力(σv)均隨深度H(單位為m)呈近似線性增長的關(guān)系。

(3)運(yùn)用三維地應(yīng)力場反演數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果有較高的擬合度。采用反演數(shù)值模擬分析了井田區(qū)域的最大主應(yīng)力，4#煤最大主應(yīng)力值分布在25～34.5 MPa之間，最大應(yīng)力水平由北向南依次呈現(xiàn)高—低—高—低的分布特征。