岩体应力状态对煤矿开采影响分析.pdf

第 l 3 卷第 2 期 黑龙 江 科 技 学 院 学 报 V o 1 ． 1 3 N o ． 2 2 0 0 3年 6月 J OUR NAL OF HE I L ONGJ I ANG I NS T I T UTE OF S C I E NC E TE C HNOL O GY J u n e 2 0 0 3 文章编号 1 6 7 1 0 1 1 8 2 0 0 3 0 2 一o 0 2 4一o 4 岩体应力状态对煤矿开采影 响分析 李孝 东 ， 温彦 良 1 ． 黑 龙 江科 技 学 院 教 务 处 ， 黑 龙 江 鸡 西1 5 8 1 0 5 ； 2 ． 辽 宁 工程 技 术 大 学资源 与 环境 工程 学 院 ， 辽 宁 阜 新1 2 3 0 0 0 摘要 针对 吕家坨井 田深部开 采 的矿 山压力 问题 ， 在 区域地 质 构 造 分析 的基 础 上， 采 用 空 芯 包体测量方法， 对 吕家坨井田进行 了地应力测量。 结果表 明 吕家坨矿 地应力场属 于水平应 力场， 井田内存在着较 大的水平构造应 力。 测量成果为井下工程设计 、 稳 定性分析、 巷道合 理布局和锚 杆 支 护设计提供 了依据， 并为进一步研究井田岩体应力状 态和应 力场的 区域预测奠定了基础 ． 关键 词 岩 体应 力煤矿 开 采；地应 力 ；区域地质 中图分类号 TD8 2 文献标识 码 A An a l y s i s of t h e E f f e c t o f W e l l Body S t r e s s on Coa l 。__ mi n i n g LI Xi a o d o n g ， W EN Y a n l i a n g 1 ．De a n s Off i c e ，He i l o n g i i a n g I nst i t u t e o f S c i e n ce a n d T e c h n o l o g y ，J i x i 1 5 8 1 0 5 ，Ch i n a ； 2 ．I nst i t u t e o f Re s o u r ce a n d E n v i r o n me n t ，L i a o n i n g T e c h n o l o g y Un i v e r s i t y ，F u x i n 1 2 3 0 0 0 ，C h i n a Abs t r ac t I n t he l i ght of t he pr e s s ur e e x i s t i ng i n t he c oa l m i ni ng de e p unde r gr ound i n Lu we l l fie l d ，b a s e d on t he a n a l y s i s i n t h e r e g i o na l g e o l o g i c a l s t r u c t u r e ，t h e e mpt y co r e b od y me a s u r i n g me t h od i s a d o pt e d t o me a s u r e t h e c r u s t s t r e s s i n t hi s fie l d ．Th e r e s u l t i s t h a t t h e c r u s t s t r e s s i s a k i n d o f l e v e l s t r e s s fie l d a n d a l s o t h e r e e x i s t s l a r g e l e v e l s t r u c t u r a l s t r ess i n i t ． Thi s me a s u r e me n t offe r s b a s i s f o r e n g i n e e r i n g de s i g n a n d s t a b i l i t y a n a l y s i s ，r a t i o na l t un n e l a r r a n g e me n t a n d pr o p s i n t he p i t ，a n d l a y s f ou n d a t i o n fo r f u r t h e r s t u d y o n we l l b od y s t r ess s t a t e a nd r e gi onal pr e di c t i on fo r s t r es s fie l d． K e y wor ds we l l body s t r es s ；co a l m i ni ng；c r u s t s t r e s s ；r e gi ona l ge ol ogy 0 引 言 研究地壳的局部区域岩体应 力状态 及预测应 力 场的区域对地下建筑工程、 油气 田、 地热 能的开发利 用 ， 核 电站建设及工程稳定性评价 ， 特 别是 对煤矿开 采 中 的诸 如 巷 道布 置 方案 选 择、 采场 布 置 方案 确 定 、 具有冲击和 突出危险煤层 矿井 的开采有着重 要 意 义。 收 稿 日期 2 0 2 -1 1 1 2 ； 修 回 日期 2 0 0 3 0 3 3 l 吕家坨井 田位于 多个构造 的复合部位 。 井 田构 造复杂， 矿 山压力显现明显 的格局 ， 对矿井 安全生 产 有较大影 响。 为 了依 靠科技进步 ， 实现 高效开 采， 吕 家坨矿与辽 宁工程技 术大学 合作， 采用地 质动力 区 划方法 ， 对井 田构造形式 、 运动 方式、 应力分 布等进 行研究 ， 对影 响安全生产 的岩体应力 因素进行 分析 预测 ， 预测矿井深部 开 采 的矿 山压力 现 象， 指 导巷 道布 置和支护 方式等， 为矿井 安全生 产提 供地 质保 障。 文中论述的是地应力及岩体应力分析部分。 维普资讯 第 2 期 李 孝 东 ， 等 岩 体应 力 状 态 对煤 矿 开 采 影 响 分 析 1 岩体应 力状态与矿井生产 的关系 1 ． 1 岩体应力状态与巷道围岩稳定性的关 系 由于 地应力 和二 次应力 的作用 ， 地下岩 体 内的 巷道 或洞 室 易 发 生 变 形 和 破 坏 。 为 保 证 巷 道 的稳 定 性， 使巷道周边的应力集 中程度减到 最小， 在选择巷 道的位置、 方 向以及断面形状时， 应考虑岩 体 中的应 力状态。 分 析表 明 在 水 平应 力 为 主 的 情 况 下 ， 巷 道 轴 线 与最大主应力方 向夹 角小时 ， 巷道周 边受力 较小且 比较 均 匀； 随 着 夹 角 增 大 ， 巷 道 受 力 也 逐 渐 增 大 ， 且 受力 的不均匀性也逐渐明显。 因此 ， 根据最大 主应力 方 向兼顾 工程地质条件 和现场 施工条 件， 综 合考虑 选择最佳 巷道轴线方 向， 是减 少巷道 变形破坏 的有 效措施之一。 另一方面 ， 巷道 围岩的稳定 性取决于所 受的三 向应力 状态， 通常岩体 内的三个 主应力全部 是压应力。 但是， 在不同的巷道断面形状和地 应力状 态下也可以发生拉应力。 由岩石力学 可知， 圆形巷道 周边切 向应力 由式 1 计算[ 1 1 。 f 口 r H[ 1 2 1 2 c o s 2 0 】， 1 式 中 切 向应力 ； 】 卜 - - 一岩石容重 ； 日巷 道垂 深 ； 侧压 系数； 考查点与水平轴夹角。 计算得 出， 巷道周边不出现拉应力的条件是 1 ／ 3 ≤ ≤3 ， 当 l时巷道受力状况最好， 即巷道受均匀地 压 且 巷道 较 易 维 护 ， 反 之 ， 难 于 维 护 。 岩 石 的抗 拉 强 度 一 般 小 于 l 0 MP a 远 远 小 于 抗 压 强 度 ， 因 此 ， 在 巷道 周 边 出 现 拉 应 力 时巷 道 就 易 于 破 坏 。 根 据 初 始 应力状态选 择合适的巷道 形状， 使 围岩发 生的拉应 力达到最低程度 是非常重要 的。 不 同形状巷道 周边 的应 力 分布 见 图 l 。 研究 得 出， 当水平 应 力 大于 垂 直 应 力 时 ， 巷 道 的 轴 向应选 择在最大水平 主应力方 向上； 当垂直应力 大于水平 应力 时， 巷道 的轴 向则应选 择在最 小水平 主应 力 方 向上 。 1 ． 2地 应 力测 量 J ． 2 ． J 地应 力 测量 的意 义 我国地应力测量及地应力 预报地 震的研究工 作 始于 2 O世纪 6 O年代[2 1 。 进行地应力测量 ， 研究岩体应 力状态， 目的在于正确认识岩石 的力学性 能， 阐明围 岩的破坏机制， 充分利用和发挥 围岩 的 自承 能力， 使 工程设计更加 合理、 安全和经济。 ／ y 一息 l V 2 ① 一 压 应力 ； e 一拉 应 力 ； 1 一 1 时 ； 2 一 1 一 时 为泊 松 比 图 1 不同形状巷道周边的应力分布 Fi g ．1 St r e s s d i s t r i b u t i o n a r o u n d t u n n e l s o f d i ffe r e n t t y p e s 地 应 力 是 引起 采 矿工 程 围岩、 支 护 变 形 和 破 坏、 产生矿井动力现象的根本作用力。 在影 响采矿工 程稳定性 的诸多 因素 中， 地 应力状 态是最重要 和最 根本的因素之一。 准确 的地 应力资料 是确定工 程岩 体力学属性， 分析和计算 围岩稳定性， 区域预测 矿井 动力现象， 实现采矿决策和设计科学化 的必要前提。 目前， 采矿工程设 计和施 工 中较少 考虑地应 力 的影响， 当采矿 活动在小规 模的范 围 内或在地表 浅 部进 行 的 时 候 ， 这 种 方 法 还 是 可 行 的。 但 是 ， 随 着 采 矿规模的不 断扩大和不 断 向深部 发展， 地 应力 的影 响会越加严重。 不考虑地应力的影响进行设计和施工 往往造成 露天边坡 的失稳、 地下巷 道和采 场的坍塌 破坏、 冲击地压等矿井动力现象， 使矿 井生 产无法进 行， 并经常引起严重的事故， 造成人员 伤亡 和财产 的 重大损失。 J ． 2 ． 2 地应 力测 量 的 方 法 目前 ， 国 内外地 应力 的测量 方 法 有 几 十 种 ， 我 国 使用 的方法 主要有压磁法、 水压致裂 法、 空芯 包体法 和声发射法等。 压磁法是 地应力 间接测 量法 中精 度 维普资讯 2 6 黑龙江科技学院学报 第 l 3 卷 最高 的一种 ， 此 种方法 比较 适合在井 下巷道 内进行 水平孔地应 力测量 ， 国 内已能生产性 能 比较稳定 的 压磁 法地 应 力测 量 的 成套 设 备； 水 压 致裂 法 能 进 行深孔地 应力测量 ， 其最 大优势就 是可在地 面利用 地质勘探 钻孔进行 地应力测 量， 不 受煤矿地 应力测 量仅在井下进行的局限， 可应用在矿井 设计、 建设和 生产 的各 阶段 ； 空芯包体法具 有 安 装 简单 ， 使用 方 便， 适应性强的优 ， 是煤矿地应力测量中的常用方 。 在矿井设计、 施工和生产的各个 阶段， 要根据工程 所处 的不 同构 造部位 和地质条件 ， 考虑 地应力作用 的特征， 合理地确定巷道断面 的几何 形状， 合理地 选 择巷道的轴线 方 向， 保 证巷道 的相对稳定 和生产 的 安 全。 此外 ， 根 据地 应 力分 析 ， 针 对工 程 的薄 弱 部 位 ， 结合地质条件 ， 采取必要的加 固措施。 地应力状 态不仅 为巷道合理 设计提供 依据， 而 且还为正确地选择采法以及保证矿井安全 生产提供 依据。 根据矿 区工程地质 条件、 煤层赋 存条件 ， 岩体 应力状态等来综合考虑选择最佳 的巷道 布置方案、 巷道 的支护方式、 顶板管理、 采场的布局和 回采顺序 等， 以提高经济效益。 2 吕家坨矿应用 实例 2 ． 1 区域地质概况 吕家坨井 田位于开平 向斜东南翼 中段， 其主体构 造是 吕家坨背斜。 开平 向斜是一赋煤 向斜构造 ， 为石 炭二迭系煤系地层。 向斜轴 的总体 方 向约 NE 4 0 , 北 部受青龙山背斜等 北西 一东南 向构 造的影 响， 自古 冶至唐家庄逐渐变为东西向， 形成一弧形构 造． 向斜 的两翼不对称 ， 西北翼岩层倾角陡， 甚 至局部倒转 ， 并伴随出现了一组与向斜轴大致平行 的断层 和短轴 褶皱构造。 东南翼岩层倾 角相对平缓 ， 向斜边缘 出现 两组短轴边幕状 褶皱， 轴 向与开平 向斜轴直交 或斜 交 ， 并沿倾伏方向逐渐消失 。 其中一组 由山杜军 庄背 斜、 黑鸭子 向斜 、 吕家坨背斜、 范各庄向斜 、 毕各 庄 向 斜及南阳庄一 岭上背斜组 成； 另外 一组在宋家 营 以 南 ， 规模不如前一组． 东南翼断层 的发育程度相 对西 北翼较低 ， 且断层常分布在轴部附近， 方 向常斜交 地 层走向或平行褶 曲的轴向， 以正断层为主 ， 逆 断层 较 少， 落差一般小于 3 0 m 图 2 。 图 2 吕家坨矿地质构造纲要 Fi g ．2 Ge o l o g i c a l ma p o f LO c o a l mi l l e 2 ． 2地 应力测 量 经过井 田地质 资料 的分 析 和 井 下 实地 考 察， 确定测量地点为 一8 0 0 m处。 该测量地点 的施 工条件 和岩石条件都 比较好， 无大的地质构造 ， 从工 程设计 方面考虑 比较合适。 各测量钻孔状况见表 1 。 2 ． 3测量结果 通过实验室测定得到测量 地点岩石 的力学 参数 表 1测量钻孔 状况 Ta b l e 1 M e a s u r e me n t a n d d r i l l i n g 维普资讯 第 2 期 李 孝东 ， 等 岩体应 力状态对煤矿 开采影 响分 析 2 7 后 ， 将现场测量的数据输入计算机， 用 K X一8 1 地应力 线图略 。 计算软件计算各测点地应力大小和方向。 结果见表 2 。 表 2 吕家坨 矿 实测地 应 力 值 Ta b l e 2 Va l u e s f o r a c t u a l l y me a s u r e d c r u s t s t r ess i n c o a l mi n e 孔号测 点位置主应力类型 主应力值／ MP a 方位 角／ 。 倾角／ 。 2 ． 4岩体应力分析 2 ． 4 ． 1 皋俸 庭 力分 搬 应用“ 岩体应力状态分析系统 软件 ， 计算 了吕家 坨矿 一8 0 0 m水平区域岩体 应力场。 通 过友好 的用户 界面 ， 获得求解过程的计算结果 ， 包括应力 、 应力矢量 和位移． 输 出形式有 图形和数据两种。 可存在 数据库 中， 也 可通 过外 设 输 出 。 2 ． 4 ． 2 图形 输 出结果 通 过 计 算 获得 后处 理 数 据， 并 以 图 形 方 式 显 示 。 应力等值线 图展示应力在计 算模型 上的变化情 况． 岩体应 力 区域 预测见 图 3 。 水 平最大 主应力 等 值线 图、 水平最小主应力等值线 图、 水平剪 应力等值 图 3岩体应 力预 测 F i g ．3 Pr e d i c t i o n ma p f o r we ll b o d y s tre s s 3 结 论 1 吕家坨矿地应力测量结果为该矿巷道合理布 局、 锚杆 支护设计和 采场分 置提供 了设计 依据和基 础数据。 该测量成果 也为井 下工程设计 和稳定性分 析、 巷道支护方式和支护材料选择提供 了依 据， 并 为 进一步研究井田岩体应力状态和构造应 力场 的区域 预测奠定了基 础。 2 吕家坨矿地应力场属于 水平应力场 ， 地应 力 是 以水平 压应力 为主导。 在应力 数值上， 垂深 8 3 0 m 的最大主应力值为 2 0 ． 5 3 MP a ， 方位角 2 5 3 。 ， 倾角 1 2 ． 9 4 近 水平 方 向 ；中 间 主 应 力 值 为 l 9 ． 3 8 MP a ， 倾 角 7 3 ． 9 7 o 近垂直方 向 ； 最小 主应力值 l 6 ． 3 3 MP a ， 倾 角 9 ． 2 7 o 近水平方 向 。 3 吕家坨 井 田实测三个 主应力值 比较 接 近． 一 8 0 0 m实测最大水平 应力 2 0 ． 5 3 MP a 与 中间主应 力 1 9 ． 3 8 MP a 的 比 值 约 为 1 ． 0 6 ； 最 小 水 平 应 力 1 6 ． 3 3 MP a 与中间主应力的比值约为 0 ． 8 4 ． 说明 在 一 8 0 0 m 水 平 岩 体 中应 力 呈 现 出近 于静 水 压 力 状 态。 井 田内存在着较大的水平构造应力 。 该 水平应力 是产生巷道底鼓和变形破坏 的主要 原 因， 同时， 对矿 井巷道布置、 采场布置等将 产生较大的影 响． 4 在 吕家坨井 田西部存在一个高 应力 区， 在井 田西北部存 在一个 高应力梯 度 区， 这两个 区域 对矿 井 深部 开 采具 有 重要 影 响， 预 测 矿 山压 力显 现 严 重； 在井田南部存在一个低应力梯度 区， 预测矿 山压 力显现不严重 。 参考文献 【 l 】 王连捷 ， 潘 立宙， 廖椿庭 ， 等 ． 地应 力测量 及 其在 工 程 中 的 应 用 【M】 ． 北京 地质 出版 社， 1 9 9 1 ．1 0 --1 6 ． 【 2 】 张宏 伟 ， 张 文军 ． 地壳应 力状态 与地应 力 测量 【 M】 ． 赤 峰 内 蒙古 科学 技术出版社 ， 1 9 9 9 ．7 4 7 ＆ 作者简介 李孝东 1 9 5 9 一 ， 男， 吉林省依通县人， 副教授， 1 9 8 2 年毕业于阜新矿业学院， 现从事采矿理论和方法的研究， 发表 论文 5 篇， 专著 2 部 。 维普资讯