红庆梁煤矿地应力场特征及巷道稳定性分析_荣海.pdf

第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.5 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract The in-situ stress of 3-1 coal seam in Hongqingliang coal mine was measured by hollow core inclusion measurement, and distribution characteristics of in-situ stress field were obtained in order to solve the problem of serious deation in mining roadway. Fault structures of grade Ⅰ– in ⅤHongqingliang coal mine were di- vided by geo-dynamic division , and the stress areas were divided and the stability of roadways was analysis by rock stress state analysis system. The research showed that the in-situ stress field in Hongqingliang coal mine belongs to the horizontal tectonic stress field, which is dominated by horizontal compressive stress. The direction of in-situ stress field had little influence on the stability of roadway. The stress areas could be di- vided into four kinds, which are high stress area, stress gradient area, normal stress area and low stress area, and the type’s area was 5.9, 55.7, 27.0,11.4 of the whole coal mine. In mining field, stress gradient area and normal stress area accounted for the most, and serious deation areas were located in high stress area and stress gradient area, which were the main reasons that affected the stability of roadways. Distribution character- istics of in-situ stress field and the division of stress area would play important roles in the mining deployment and support design in Hongqingliang coal mine and other coal mines in similar conditions. Keywords in-situ stress measurement; in-situ stress field; roadway deation; geo-dynamic division; rock stress state analysis; stress area division; Hongqingliang coal mine 第 5 期 荣海等 红庆梁煤矿地应力场特征及巷道稳定性分析 145 煤岩体应力状态对煤矿采场、巷道与硐室的稳 定性至关重要。煤岩体应力状态主要取决于原岩应 力、采动应力及其相互叠加作用。地应力是原岩应 力的重要组成部分，开展地应力测量工作，分析地 应力场特征对于巷道支护和矿井安全高效生产具有 重要意义。康红普等[1-2]在晋城矿区开展了地应力场 测试与研究，为晋城矿区提供了可靠的基础数据， 同时收集 1 357 条煤矿地应力数据，建立了“中国煤 矿井下地应力数据库”， 绘制了中国煤矿矿区地应力 分布图；李勇等[3]采用水压致裂法获取地应力测量 数据，建立地应力与煤层埋藏深度的相关性模型， 分析露头节理、煤层割理与现今地应力方向的耦合 关系；王丹等[4]对临汾区块 33 口煤层气探井主力煤 层的地应力数据进行了分析，发现储层压力、破裂 压力和闭合压力均与煤层埋藏深度呈线性正相关； 孟召平等[5-6]采用水压致裂方法测得沁水盆地南部 45 口煤层气井主采煤层的地应力，研究淮南矿区的 地应力分布规律； 李方全等[7-8]在华北、 西南、 西北、 华东和中南等地区相继进行原岩应力测量， 研究成 果为我国现今构造应力场的研究提供重要的基础 资料；韩军等[9]利用空心包体地应力测量方法对淮 南矿区的地应力进行了实测， 确定淮南矿区地应力 场类型属大地动力场型和准静水应力场型； 闫振雄 等[10]采用线性参数的最小二乘拟合方法对地应力 分量计算公式进行推导，得到 6 个地应力分量的改 进算法及其标准误差的计算公式。 以往研究主要根据局部测点的应力测量结果 判断最大主应力方向， 进而直接反演地应力场类型 和特征。对局部测量数据进行整合分析，进行应力 分区后， 判断井田地应力场特征的相关研究报道较 少。在井田应力场分布复杂的情况下，局部测点的 应力测量结果往往并不能反映井田地应力场的全 部特征。 空心包体法、水压致裂法、扁千斤顶法和声发 射法等是地应力测量常用的方法[11-13]，其中空心包 体法以其易于操作、准确度高的特点得到广泛的应 用[14-17]。 鉴于此，选择红庆梁煤矿 3-1 煤层的 11301 工 作面，应用空心包体地应力测量方法，在红庆梁煤 矿 3-1 煤层中选取 3 个测点进行地应力测量；在此 基础上分析地应力分布特征，划分不同应力区，确 定巷道变形严重的主要原因，并对接续工作面回采 巷道的稳定性进行分析，为类似矿井的采掘部署和 支护设计提供参考。 1 矿井地质条件与开采条件 红庆梁煤矿 3-1 煤层位于 3 煤组的顶部，赋存 在一盘区，全区可采，煤层厚度 2.906.85 m，平均 5.10 m，层位稳定、结构简单。顶板岩性以砂质泥 岩和粉砂岩为主，局部为细砂岩和粗砂岩；底板岩 性以砂质泥岩和泥岩为主。 3-1 煤层物理力学参数测 定结果见表 1。 表 1 3-1 煤层物理力学参数测定结果 Table 1 Physical and mechanics parameters of 3-1 coal seam 层位 视密度/kgm –3 真密度/kgm–3 单轴抗拉强度/MPa 单轴抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 内摩擦角/ 黏聚力/MPa 顶板岩层 2 214 2 658 1.14 22.33 11.82 0.26 32.05 3.94 3-1煤 1 231 1 361 0.64 11.40 2.86 0.25 32.79 2.75 底板岩层 2 372 2 616 1.26 23.44 12.29 0.22 30.34 5.83 11301 工作面为 3-1 煤层的首采工作面， 工作面 巷道布置如图 1 所示。在回采过程中，工作面的回风 巷、运输巷和辅运巷均有底鼓出现，其中回风巷最大 底鼓量为 700 mm，运输巷最大底鼓量为 250 mm，巷 道底鼓位置随工作面的回采而不断向外移动。回风 巷和运输巷的顶板完整性较好，巷道两帮整体无明 显变化。 工作面周期来压前煤壁容易出现多处片帮， 且片帮位置呈现不均匀分布。 煤壁破坏形式以掉顶、 漏矸和片帮为主，破裂位置多集中在夹矸处。接续 回采的 11302 工作面， 其辅运巷底鼓情况最为严重， 最大底鼓量为 1 300 mm，并伴有局部顶板垮落和片 帮现象，最大顶板垮落高度 800 mm，最大片帮深度 800 mm。 图 1 红庆梁煤矿 11301 工作面巷道布置 Fig.1 Roadway layout of panel 11301 for Hongqingliang coal mine 146 煤田地质与勘探 第 48 卷 2 井田地应力测试及结果分析 2.1 矿井地质构造概况 红庆梁井田位于东胜矿区北部边缘，煤层总体 呈西南方向倾斜的单斜构造， 倾向 200230， 煤层 倾角小于 5。通过三维地震勘探共揭示断层 31 条， 均为正断层，断层走向表现为 2 组NW 向和 NNE 向。落差 1020 m 断层 4 条，为 DF2、DF3、DF4 和 DF11；落差 510 m 断层 10 条，包括 DF1、DF5 和 DF6 等。其中 DF2 断层自西向东贯穿全井田，把 井田分为南、北 2 个区块。断层以南，煤层埋藏相 对较深、倾角较小，发育断层稀少、落差不大，最 大落差 57 m。断层以北，煤层埋藏相对较浅、煤 层倾角突增，发育断层相对较少、落差较大，最大 落差 1020 m。红庆梁煤矿构造纲要如图 2 所示。 图 2 红庆梁煤矿构造纲要 Fig.2 Geological structure outline of Hongqingliang coal mine 2.2 地应力分布特征 2.2.1 地应力测量 在红庆梁井田选取 11303 辅运巷通风联络巷和 辅助回风第六联巷 2 个测点，运用 KX-81 型空心包 体三轴测量应力计、 XC 定向仪、 围压率定机、 YJZ-16 型矿用智能数字应变仪、 CMS1-4000/55 型煤矿用深 孔钻车等设备进行地应力测量， 共施工 3 个测试孔。 测试过程如图 3 所示， 测点位置如图 2 和图 4 所示， 钻孔参数见表 2。 2.2.2 测试结果分析 将测试数据、钻孔方位、应变片安装角、弹性 模量、泊松比等数据输入到由阜新工大矿业科技有 限公司开发的地应力测量计算程序，得到红庆梁煤 矿 3 个测点的主应力参数表 3。 其中 1 号测点数据 有超限和负值等异常情况出现，可信度较差，予以 舍弃； 2 号和 3 号测点的 12 组应变值均无异常现象， 可作为地应力分析的主要数据。 1打大孔；2钻小孔；3放入安装器；4将测量仪放入小 孔；5挤压包体探头释放黏结剂；6拔出安装器；7解除套 心；8取出带测量仪的岩石 图 3 地应力测量流程 Fig.3 Process of in-situ stress measurement 图 4 地应力测点位置以测点 1 为例 Fig.4 Location of in-situ stress measuring pointNo.1 point 表 2 地应力测试钻孔参数 Table 2 Borehole parameters for in-situ stress test 序号测点位置 测点 深度/m 孔深/m 方位 角/ 倾角/ 1 11303辅运巷通 风联络巷 500 10.37 175 3.5 2 11303辅运巷通 风联络巷 500 8.72 280 10.0 3 辅助回风第六 联巷 488 9.17 80 11.0 根据表 3 中 2 号和 3 号孔地应力测试结果，红 庆梁煤矿最大主应力为近东西方向，最小主应力为 近南北方向，中间主应力为垂直方向。 最大水平应力的应力梯度为 5.65.9 MPa/hm， 垂直应力的应力梯度为 2.42.5 MPa/hm，最小水平 应力的应力梯度为 1.62.2 MPa/hm，最大水平应力 与垂直应力比值为 2.33 和 2.34。 地应力测量结果表明，红庆梁煤矿地应力场以 水平应力为主导，近东西方向地应力的作用较为强 烈。由图 1 和图 4 可知，红庆梁煤矿工作面回采巷 第 5 期 荣海等 红庆梁煤矿地应力场特征及巷道稳定性分析 147 道的布置方向也以东西向为主，与最大主应力方向 保持一致。 2.2.3 地应力场对巷道稳定性影响分析 以井田 3 号孔的地应力测量结果为例，最大水 平应力 σHmax为 27.50 MPa， 垂直应力 σv为 11.73 MPa， 最小水平应力 σHmin为 10.74 MPa，最大主应力与巷 道轴线方向的夹角为 11.53， 3 个主应力值满足关系 σHmax＞σv＞σHmin，确定红庆梁井田的地应力场类型 为 σHv型。 在 σHv型地应力场中，最有利于巷道稳定的巷 道布置方向，应使施加在巷道围岩边界上的法向应 力比值 σn/σv1[18]。 计算得到巷道轴线方向与最大水平应力方向间 的夹角为 14.1，有利于巷道稳定。再根据红庆梁煤 矿所测实际地应力数据，计算得到 σn11.41 MPa， 说明 σn/σv≈1，表明红庆梁煤矿地应力场方向有利于 巷道稳定，地应力对 11301 回采巷道稳定性的影响 较小。 根据上述分析结果，红庆梁煤矿地应力场方向 不是影响巷道严重变形的直接原因。工作面回采巷 道矿压显现强烈、变形严重的原因需结合其他影响 条件进行分析。 表 3 红庆梁煤矿主应力参数 Table 3 Principal stress parameters of in-situ stress for Hongqingliang coal mine 测孔号 测量地点 主应力类别 主应力值/MPa 方位角/ 倾角/ 最大主应力 29.66 253.47 20.17 中间主应力 12.68 –69.24 65.23 2号孔 11303辅运平巷通 风联络巷 最小主应力 7.93 168.64 –13.78 最大主应力 27.50 258.47 –10.63 中间主应力 11.73 33.08 75.04 3号孔 辅助回风 第六联巷 最小主应力 10.74 166.49 –10.40 3 岩体应力状态分析 3.1 岩体应力计算 地质动力区划是地质动力学的一个新分支，通 过对地形地貌的分析， 查明区域断裂的形成与发展， 利用地应力测量、数值分析、GIS 等技术手段，揭 示断裂构造的形成机制和延伸趋势，以此来确定断 块间的相互作用关系，确定岩体应力状态，为人类 工程活动提供地质环境信息，预测工程活动可能产 生的地质效应[19]。 应用地质动力区划法， 按照 1︰250 万1︰1 万 的比例尺逐级划分红庆梁井田ⅠⅤ级断裂构造， 最终确定井田尺度的断块构造，并建立构造与工程 应用间的联系[19]。基于Ⅴ级断块建立红庆梁井田 地质构造模型，模型长为 13 km，宽为 12 km，面 积 156 km2，如图 5 所示。根据断裂构造划分结果， Ⅲ-5、Ⅲ-6、Ⅳ-5、Ⅴ-3、Ⅴ-4、Ⅴ-5、Ⅴ-7 等断裂 分布在井田内部，对井田内应力场起控制作用。 在区划断裂的影响下，井田内的应力场分布复 杂，局部测点的应力测量结果并不能全面反映井田 地应力场的特性，通常用数值模拟方法进行应力和 区域应力场的分析，进而评价巷道失稳破坏及矿井 动力灾害发生的危险性[19]。 图 5 红庆梁煤矿地质构造模型 Fig.5 Geological structure model of Hongqingliang coal mine 在建立地质构造模型的基础上，应用辽宁工程 技术大学自主研发的“岩体应力状态分析系统”划分 网格并进行岩体应力分析计算，如图 6 所示。 “岩体 应力状态分析系统”提供了使用便捷、高质量、强 大的网格划分功能，该程序还提供众多的网格控制 和处理功能[20-22]。基于图 6 建立计算模型，进行网 148 煤田地质与勘探 第 48 卷 格剖分，共 19 881 个节点和 39 200 个单元。单元划 分完毕后，将相关断裂、井田边界、煤层边界线等 信息输入到模型中。 红庆梁煤矿地应力场属于以水平压应力为主导 的水平应力场， 处于最大压应力方位 166.49的区域 构造应力场。在进行煤岩体应力计算时，将水平方 向的应力值分别投影到水平方向和竖直方向进行计 算。 3-1 煤层顶板岩性以砂质泥岩为主， 相关参数见 表 4。 基于地质动力区划法划分的ⅠⅤ级断裂构 造，根据计算要求，各级断裂影响宽度取值如下 Ⅰ级取实际宽度 1 000 m，Ⅱ级取实际宽度 500 m， Ⅲ级取实际宽度 200 m，Ⅳ级取实际宽度 100 m， Ⅴ级取实际宽度 50 m，将ⅠⅤ级断裂按照各级断 裂图的相应比例尺绘制在图 7 中。在断裂处，介质 是不均匀的， 受到载荷作用时， 断裂附近的应力大小 和方向都将发生较大变化。根据岩体应力计算规则， 图 6 应力计算模型及岩性分布 Fig.6 Stress model and lithologic distribution 表 4 3-1 煤层顶板岩性分类及参数 Table 4 Lithological classification and parameters of 3-1 coal seam roof 岩性分类 弹性模量/GPa 泊松比 泥岩、砂质泥岩 11.82 0.26 粉砂岩、粉细砂岩互层 42.00 0.22 细粒砂岩及其他岩性 32.30 0.25 ⅠⅢ级断裂 5.00 0.30 ⅣⅤ级断裂 12.00 0.27 采用弱化断裂内介质的方法对断裂带进行处理 ⅠⅢ级断裂带的弹性模量通常取正常岩体参数的 1/10，ⅣⅤ级断裂带取 1/5。 应用“岩体应力状态分析系统” ，根据表 2 表 4 的力学参数及边界载荷，计算红庆梁煤矿 3-1 煤层的岩体应力，计算最大主应力值、最小主应 力值和水平剪应力值，并以数据库的方式显示， 生成红庆梁煤矿 3-1 煤层最大主应力等值线图， 如图 7 所示。 图 7 3-1 煤层最大主应力等值线 Fig.7 Contour of maximum principal stress of 3-1 coal seam 3.2 构造应力区划分 由于构造断块间的相互作用和岩石力学性质的 差异，在井田范围内会自然形成高应力区、应力梯 度区、应力正常区和低应力区。在高应力区内，岩 体在较高的应力作用下，积聚的弹性能与正常应力 区相比有较大幅度提高，部分岩体已达到稳态向非 稳态转变的临界，最容易导致巷道破坏发生。在应 力梯度区内，应力和变形模量都有较大幅度增长， 岩石的脆性增大、破坏强度降低，容易形成地质构 造，在构造应力的作用下容易导致巷道破坏。位于 低应力区的岩石，其特性变化程度不大，不易产生 能量积聚，巷道破坏的危险性最低[23-24]。 一般情况下，当应力集中系数 k＞1.2 时，与之 对应的主应力等值线圈定的范围为高应力区；当 k＜0.8 时，与之对应的主应力等值线圈定的范围为 低应力区；应力梯度区通常位于应力正常区与高应 力区之间[23-24]。 根据红庆梁煤矿应力计算结果，当 k≤0.8，即 最大主应力 σHmax≤19.55 MPa 时，与之对应的主应 力等值线圈定的范围为低应力区；当 0.8k≤1.0， 即最大主应力 19.55 MPaσHmax≤24.44 MPa 时，对 应圈定区域为应力正常区；当 1.029.33 MPa 时， 与之对应的主应力等值线圈定的 第 5 期 荣海等 红庆梁煤矿地应力场特征及巷道稳定性分析 149 范围为高应力区。构造应力区划分结果如图 8 所示。 a. 低应力区 井田内共3个区域。 井田西北部， 主要受Ⅲ-5、V-3 控制，应力值为 1719 MPa，影响 范围约为 2.29 km2；井田西部，主要受 V-6 断裂控 制，应力值为 1819 MPa，影响范围约 0.51 km2； 井田西南部，主要受Ⅳ-5 断裂控制，应力值约为 19 MPa，影响范围约为 0.05 km2。低应力区占井田 面积的 5.9。 b. 应力正常区 井田内共 2 个区域。 井田北部及 中部， 主要受Ⅲ-5、 Ⅲ-6断裂控制， 应力值为1924 MPa， 影响范围约为 23.87 km2；井田南部边界，主要受 Ⅲ-6、Ⅳ-5 断裂控制，应力值为 1924 MPa，影响范 围约为 3.21 km2。应力正常区占井田面积的 55.7。 图 8 构造应力区划分 Fig.8 Tectonic stress region division and stope position c. 应力梯度区 井田内共 4 个区域。井田北 部，主要受Ⅲ-5 断裂控制，应力值约为 2429 MPa， 影响范围分别约为 0.27 km2和 1.31 km2； 井田中部， 主要受Ⅲ-6、 Ⅴ-3、 Ⅴ-4 控制， 应力值为 2429 MPa， 影响范围约为 4.86 km2；井田南部，主要受Ⅲ-6、 Ⅴ-4、Ⅴ-7 断裂控制，应力值为 2429 MPa，影响范 围约为 6.69 km2。应力梯度区占井田面积的 27.0。 d. 高应力区 井田内共 1 个区域，井田中南 部，应力值为 2936 MPa，由Ⅲ-6、Ⅳ-8、Ⅴ-4 共 同控制形成，影响范围约 5.52 km2。高应力区占井 田面积的 11.4。 4 不同岩体应力分区内巷道稳定性影响分析 4.1 低应力区及应力正常区 在一盘区内，低应力区范围主要覆盖 11305 工 作面切眼、11306 工作面切眼北部 59 m 及 11305 运 输巷与辅运巷前 185 m。 应力正常区范围主要覆盖 11304 运输巷、辅运 巷西部 3 018 m，11305、11306 运输巷、辅运巷的 大部分，处于这 2 个区域的巷道稳定性受原岩应力 影响较小。 4.2 应力梯度区 应力梯度区范围主要覆盖 11301 工作面 3 条巷 道，11302 工作面回风巷东部约 3 750 m、运输巷及 辅运巷中部约 2 804 m，11303 运输巷、辅运巷东部 4 050 m，11304 运输巷、辅运巷东部 1 500 m，上述 区域易受采动应力扰动产生巷道变形等情况。现场 情况表明，11302 回风巷已经出现强烈底鼓情况， 说明在工作面开采扰动等影响下，此区域围岩易发 生失稳破坏，巷道稳定性降低。 4.3 高应力区 高应力区范围主要覆盖11302回风巷西部703 m， 运输巷、辅运巷东部 900 m、西部 750 m 以及 11301 回风巷 185 m 的区域。根据现场观测情况，11301 回风巷发生较严重底鼓，局部鼓起量达 900 mm， 11302 回风巷发生严重底鼓， 最大底鼓量 1 300 mm。 在高应力区范围内的巷道，受工作面开采扰动等影 响，易发生围岩变形破坏。 4.4 巷道变形分析 根据地质动力区划和岩体应力计算结果图 9， 11301 工作面 3 条巷道的大部分位于应力梯度区内， 其余位于高应力区；11302 工作面 3 条巷道大部分 位于应力梯度区内，其余位于高应力区；11303 运 输巷、辅运巷大部分位于应力梯度区内，其余位于 应力正常区；11304 运输巷、辅运巷大部分位于应 力梯度区，其余位于应力正常区；11305、11306 回 采巷道全部位于低应力区及应力正常区内。 红庆梁煤矿 11301 回采巷道变形情况明显，特 别是回风巷与辅运巷，在回采时，出现底鼓并伴随 较强烈的顶板破碎现象。11301 回采巷道大部分处 于应力梯度区，小部分处于高应力区。区域内主要 受Ⅲ-6、Ⅴ-4、Ⅴ-7 等断裂的影响和控制，在一盘 区内形成较高的水平应力。在工作面开采扰动等影 响下，围岩易发生失稳破坏，巷道稳定性降低。 11302 回风巷靠近切眼附近的 703 m 处于高应 力区，同样发生强烈底鼓现象。在高地应力作用下， 巷道顶板与两帮支护强度较大，使顶板内的高应力 传递至底板，在底板内形成应力集中，底板支护弱、 岩性相对软弱，发生大面积底鼓。 150 煤田地质与勘探 第 48 卷 11301 运输巷、辅运巷处于应力梯度区内，受 到采动应力影响后，辅运巷发生大范围底鼓现象， 底鼓量达 1 0001 300 mm， 说明应力梯度区内巷道 稳定性差， 易发生围岩变形的情况。 11303 运输巷、 辅运巷大部、11304 运输巷、辅运巷靠近集中巷的 1 500 m 巷道处于应力梯度区，目前尚未掘进，因 此，在后续掘进过程中应加强对围岩，特别是对底 板的支护。 5 结 论 a. 运用空心包体法进行红庆梁煤矿 11301 工作 面的地应力测量，该矿地应力场属于水平构造应力 场，最大水平主应力为 27.50 MPa，方向 258.47， 地应力场方向与巷道布置方向保持一致，对巷道稳 定性影响较小。 b. 通过构建岩体应力分析模型，计算得到红庆 梁煤矿岩体应力分布规律并进行构造应力区划分， 3-1 煤层水平最大主应力值为 1836 MPa，低应力 区、应力正常区、应力梯度区、高应力区分别占井 田面积的 5.9、55.7、27.0、11.4。 c. 根据地质动力区划和岩体应力计算结果， 11301 工作面 3 条巷道的大部分位于应力梯度区内； 11302 工作面 3 条巷道大部分位于应力梯度区内， 其余位于高应力区；11303 运输巷、辅运巷大部分 位于应力梯度区内，其余位于应力正常区；11304 运输巷、辅运巷大部分位于应力梯度区，其余位于 应力正常区；11305、11306 回采巷道全部位于低应 力区及应力正常区内。 d. 处于低应力区与应力正常区的巷道围岩受 原岩应力的影响较小；位于应力梯度区及高应力 区的巷道受原岩应力影响较大，在工作面开采扰 动等影响下，围岩易发生失稳破坏，巷道稳定性 降低。对于未投入使用的巷道应根据应力分区结 果加强对巷道位移的监测，巷道掘进时应加强巷 道支护。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 康红普， 姜铁明， 张晓， 等. 晋城矿区地应力场研究及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2009，2811–8. 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