基于地应力实测的某矿区应力场分布特征

杨　睿　马　骥

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院；2.陕西正通煤业有限责任公司)



基于地应力实测的某矿区应力场分布特征

杨睿1马骥2

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院；2.陕西正通煤业有限责任公司)

地应力是影响矿井工程设计施工的重要因素，以某矿区为例，选取4个具有代表性的原岩应力测点，采用应力解除法进行了三维地应力测量，分析了该矿区的地应力分布特征。结果表明：各测点最大水平主应力都大于垂直应力，矿区最大主应力方向基本为NW—SE向，与实测主要构造的应力场方向基本一致，即矿区主控地应力为构造应力。现场实测地应力表明：目前主要巷道与最大主应力方向的夹角较大，对巷道围岩稳定与维护产生不利影响，需根据实际采矿地质条件、施工因素、最大主应力方向，综合确定巷道的最佳轴线方向及合理的断面形状。

地应力三维地应力测量应力场分布特征构造应力

地应力是导致土木建筑、水利水电、矿山、铁路及其他岩土开挖工程变形、破坏的根本力源[1]，是确定岩体的力学性质、岩土工程施工设计、决策及相应的围岩稳定性控制所必备的基本资料[2-3]。大量研究表明，在影响巷道围岩稳定性、采矿工程的诸多因素中，地应力是起主导作用的因素之一[4]。近年来，相当一部分矿井陆续开展了地应力的现场实测工作，为井巷设计、矿井施工、围岩稳定性维护提供了主要依据[5-8]。为有效掌握矿区地应力场的分布规律，本研究以某矿区为例，选取该矿区不同区域的4个测点进行地应力测量，为该矿井巷工程设计提供依据。

1　矿区概况

某矿区所在的亭南井田的设计面积为33.82km2，主采煤层为8#煤，煤层平均厚8.29m，矿井地质储量约3.98亿t，可采储量约1.84亿t(图1)。该矿区处于路家—小灵台背斜中段，向南进入大佛寺向斜北翼，向北则跨入孟村向斜南翼。井田受路家—小灵台背斜、孟村向斜、大佛寺向斜的影响，而受路家—小灵台背斜的影响最大。该背斜穿过矿井南部，影响范围包括中塬村南部直至大佛寺井田北部边缘，其轴部地层基本水平，南翼倾角也较平缓，起伏度最大为70m；北翼倾角也较小，为4°～6°，起伏度为70～100m。该井田北部为孟村向斜南翼，地层呈N20°E走向，倾角近水平，为2°～3°，与路家—小灵台背斜北翼相邻，使得井田在总体上形成了较简单的单斜构造，大佛寺向斜北翼向北部凸出，伸入该井田东南角，地层产状较平缓。

图1　井田位置

2　地应力测量

2.1测试仪器及测点布置

本研究采用空芯包体三轴应变计(KX-81型)进行地应力测量，应变计主体采用环氧树脂加工而成的空芯圆筒，壁厚3mm，内径30mm，外径36mm。在空心圆筒的中间部位(即在直径35mm处)，将3组电阻应变花沿同一圆周等间距(120°)嵌埋于圆筒内部，每组应变花包含4支应变片，相互间的夹角为45°。本研究地应力测量共选取了4个原岩应力测点，测点布置如图2所示。

2.2测试过程

首先将空心包体应变计安设于钻孔中，待注入的环氧树脂固化完全后(约20h后)，钻孔内壁岩体与应变计相互胶结为一体；然后采用φ152mm薄壁取芯钻对钻孔进行套芯解除，此时钻孔内壁周围应力被解除，岩芯发生弹性回复，镶嵌于应变计筒壁中的应变片产生了弹性变形，解除进尺为4cm/次，记录相应的读数，直至应力解除进尺大于应变计长度为止，得到了应力解除曲线，其中1#测点应力接触曲线见图3。

图2　地应力测点位置

图3　1#测点地应力解除曲线◆—应变1；■—应变2；▲—应变3；×—应变4； ★—应变5；●—应变6；+—应变7；▶—应变8； ◀—应变9；◇—应变10；□—应变11；△—应变12

2.3测量结果

矿区地应力测量结果见表1，其中，1#测点的测试结果与实际不符，在分析时不予采用。

表1　矿区地应力测量结果

3　矿区深部地应力场分布规律

111工作面材料道联络巷最大主应力σ1的方位角为144°、倾角为-26.4°、σ1为14.3MPa；西大巷201回风巷，最大主应力σ1的方位角为148°、倾角为80.5°、σ1为17MPa；西翼煤仓，最大主应力σ1的方位角为175°、倾角为13.5°，σ1为13.9MPa。各测点的最大水平主应力(13.9～17MPa)都大于垂直应力，水平最大主应力与水平面的夹角为13°～27°。实测矿区各点的垂直应力为10.4～12.7MPa，基本等于单位面积上覆岩层的重量。矿区最大主应力方向基本为NW—SE向，最大主应力与褶曲轴向夹角为60°～85°，与实测主要构造的构造应力场方向基本一致。矿区东翼主要巷道与最大主应力夹角为60°～75°，西翼为75°，垂直方向主应力分量约为最大值的0.8倍，受构造应力影响较大。距1#、2#地应力测点最近的地质构造为井田南部的路家—小灵台背斜，距背斜轴约300m；距1#、2#地应力测点最远的地质构造为南玉子向斜，距向斜轴约1 000m。由于该两构造均呈NEE向延伸，因此，该区域最大主应力的方向与该构造向(背)斜轴向近似垂直，符合原有构造形成时的地应力场特征，如图4所示。

4　地应力场与矿区巷道稳定性分析

在矿井实际生产中，最大水平应力与巷道夹角的不同造成的巷道破坏程度各不相同，与巷道夹角越大，应力集中越严重，巷道的变形越严重，巷道稳定性越差；而与最大水平应力夹角小的巷道则应力集中轻微。地应力实测结果表明，主要的巷道与最大主应力间的夹角较大，尤其是矿井西大巷、东翼轨道巷与最大主应力间的夹角分别约为75°、70°，巷道方向的布置不利于巷道的稳定与维护。图5给出的西大巷方向的主要巷道的垂直方向上受到最大主应力的分量为约12.95MPa，在东翼轨道巷方向受到最大主应力的分量为约12.31MPa，在巷道支护设计时有必要考虑地应力的影响因素。在现场可发现2条巷道均有不同程度的破坏，底臌特别严重且都表现出相同侧的非对称变形。

图4　矿区地应力分布方向

图5　主要巷道垂直方向分力

5　结　语

以某矿区为例，采用应力解除法对该矿区的4个测点进行了地应力实测分析，认为该矿区的最大主应力方向基本为NW—SE向，与实测主要构造的构造应力场方向基本一致，即矿区主控地应力为构造应力。矿区实测最大主应力与目前的主要生产巷

道夹角较大，不利于巷道的稳定与维护，有必要结合实际采矿地质条件、施工因素、最大主应力方向，综合确定巷道的最佳轴线方向及合理的断面形状。

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2016-03-23)

杨睿(1995—)，男，266590 山东省青岛市黄岛区前湾港路579号。