深部原岩应力测量及其对巷道稳定性影响分析

2016年第6期

深部原岩应力测量及其对巷道稳定性影响分析

杨战标1 李建建2 郭建伟2

（1.中国平煤神马集团 炼焦煤资源开发与综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467099；

2.山东安科矿山支护技术有限公司，山东 济南 250000）

摘 要 平煤一矿北三风井埋深超过1000m，受岩石强度低，持续高水平应力作用影响，巷道变形严重，支护难度大，成巷效果极差。开展地应力测量工作，分析巷道所处地应力场的特点和规律，为巷道支护设计、矿井与采区布置提供科学依据。关键词 深部巷道 原岩应力 应力解除法

中图分类号 TD311 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2016.06.057

Analysis of the deep stress measurement and roadway stability

Yang Zhan-bian1 Li Jian-jian2 Guo Jian-wei1

（1.China Pingmei Shenma Group, State Key Laboratory of Coking coal resources development and

comprehensive utilization,Henan Pingdingshan 467099

2.Shandong Anke mining support technology Co.,LTD, Shandong Jinan 250033）

Abstract:The northern third level wind well of the First Mine of Pingdingshan Coal Industry Group is up to 1000m,because of weak rock and high stress, roadways were destroyed seriously, the support is very difficult, therefore, in order to analyze of characteristics and regularity of in-situ stress field,and provide reference for roadway support design and mining layout,the stress measurement is necessary. Key words: deep roadway in-situ stress stress-relief method

原岩应力是巷道围岩压力产生的根本来源，是原始状态下岩体内某一点各个方向上应力分量总体的度量，一般情况下，地应力场六个应力分量处于相对平衡状态。原岩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。在诸多影响采矿工程稳定性的因素中，地应力是最主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，进行围岩稳定性分析和计算、矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。

但经揭露发现准确度不高，多条断层并没有发现。随着矿井的延深，断层密度越来越大，落差也越来越大。

平煤一矿北三风井围岩以灰色、灰绿色砂质泥岩为主，其次为灰白色，灰色及灰绿色细粒砂岩，中粒砂岩及粉砂岩，局部砂岩层中含有少量菱铁矿结核，泥岩包裹体和白云母碎片，钙质胶结，中、厚层状，具斜层理及交错层理。根据现有采掘状况和地质条件，选择在轨道上山、外水仓和回风上山三个地点进行地应力实测工作，为消除由于巷道挖掘造成的应力扰动影响，保证地应力测量的可靠性，地应力测孔深度不低于15m，应力解除岩性别为黑色泥岩、黑色泥质砂岩和灰白色中砂岩,应力解除法地应力测量施工见图1。

1 原岩应力测量概况

平煤一矿井田位于主体构造李口向斜西南翼中段，井田内构造简单，基本构造为一走向北北东倾斜的平缓单斜构造。地层倾角5°~22°，一般6°~8°，井田内26-29勘探线深部最大倾角22°，褶皱一般不发育。根据煤科院西安分院对三水平丁戊二三维地震勘探资料，发现大于5m的正、逆断层15条,

2016-03-21收稿日期

作者简介 杨战标（ 1980-）河南郏县人，高级工程师，一直从事采矿工程方面的科技研发与管理工作。

2 原岩应力测量方法

应力解除法是当今公认测量原岩应力技术成熟，测量结果准确的方法，也是世界上应用最为广泛的原岩应力测量方法。应力传感器采用澳大利亚产CSIRO HI三维空心包体应力计。CSIRO HI应力计具有12个应变片，以每隔120度的角均匀分布

2016年第6期

于应力计周围，分布密度集中，灵敏度高等优点，增加了应力测量数据的可靠性。

图1 应力钻孔施工示意图

应力解除法的原理是要在岩体未受地下工程影响的原始应力状态位置进行应力解除，打破岩体位置原始平衡状态，当在原岩应力状态的岩体被取出后，由于其岩石的弹性会发生膨胀变形，通过测量岩体在施工扰动前后因应力释放变化而产生的应变结果，结合应力解除岩石的弹性模量和泊松比参数，间接测量原岩应力。

3 原岩应力测量结果

根据原岩应力测量结果，提取原岩应力结果有代表性的数据资料进行分析判断，选择原岩应力中最大水平主应力、最小水平应力和垂直应力进行分析对比，原岩应力测量结果见表1。

表1 原岩应力测量结果

测点

解除量值岩性

弹性模量

主应力（MPa）倾角方位角б1

30.876.2°290.7°轨道

泥岩б224.4480.3°161.6°上山

15.00GPa

б322.127.5°

21.5°

бv24.47б1

36.311.7°159.4°外水泥质б222.2070.4°64.7°仓砂岩

18.53GPa

б314.0119.5°

250.0°

бv21.30б1

39.028.6°293.5°回风中砂27.2581.0°96.4°上山岩

21.56GPa

б2б3

12.832.6°

203.1°

25.73

4 原岩应力结果分析

对原岩应力数据结果进行归纳总结，原岩应力具有如下规律和特点：

（1）埋深大，应力高。平煤一矿北三风井井底车场埋深超过1000m，属于超千米深井。地应力场中最大主应力σ1高达30~40MPa，优势方向为南东-北西向；最小主应力σ3也达到12~22MPa，

127优势方向为北东-南西向；中间主应力σ2达到22~28MPa，接近垂直方向，根据相关判断标准，总体水平达到超高应力区，水平应力分布见图2。

图2 水平主应力分布示意图

（2）北三风井区域地应力场中，岩石弹性模量与地应力场密切相关，即最大水平应力σ1与岩石弹性模量呈正相关关系，最小水平应力σ3与岩石弹性模量呈负相关关系，见图3，说明不同刚度的岩性承担应力水平不同，岩石强度越高，其受到的应力影响越高。

图3 岩石弹性模量与主应力线性关系图

（3）影响巷道稳定性的首要因素是最大水平主应力。根据原岩应力测量结果，平煤一矿北三风井区域地应力场呈现σ1>σv>σ3的应力关系，侧压系数K=（σ1+σ3）/2σv =1.01~1.18，基本较为稳定，说明水平主应力比垂直应力对巷道稳定性的影响要大，综合分析可以判断平煤一矿北三风井区域地应力场为最大水平主应力占优势地位的构造应力场。

（4）地应力场对巷道稳定性影响具有明显的方向性。根据原岩应力测量结果，方向呈正交关系的最大主应力与最小主应力比值σ1/σ3=1.40~3.04，其差值变化较大，且呈现最大主应力越高，其对应最小主应力越小的特点。在巷道掘进过程中，由于最小主应力受力面消失，巷道围岩由三维受力状态转变为二维受力状态，巷道顶底板出现应力集中，使得岩体剪应力增大，超过岩体抗剪强度时，就会发生剪胀破碎，造成巷道变形。

（下转第129页）

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129齐全，内容完整，格式规范，文字简明，文、图、表并茂。附图、附表均要数字化，其精度满足规定要求

（1）《矿山储量年报》正文内容应包括：矿山的基本情况、探采对比、矿山储量变动情况（累计查明储量、保有储量、年度储量增减变动的情况、当年矿井动用储量情况统计、下年度计划动用储量）。

（2）报告附图:①矿区地形地质图；②资源储量估算图；③井上井下工程对照图。

（3）报告附表:①矿山储量动态检测成果表；②矿山企业占用矿产储量登记表；③年度矿产资源储量统计表.

（4）报告附件：①企业法人营业执照复印件;②采矿许可证副本复印件；③占用矿产资源储量登记书。

块度等）。化验样品均需做内外检，允许误差按同矿种技术规范要求执行。

3 资料整理与资源储量估算

（1）所有资料整理后应对其进行分类管理，并做好保存工作。所有的资料必须要有相关人员的签字。

（2）煤矿资源储量均应按类型、品级等进行估算。估算时，应考虑矿井的地质构造、矿体厚度、产状等自然因素，尽量利用勘探线、煤柱边界线、井田和采区边界线、巷道、水平标高线、底板等高线，使块段形状简单、估算方便。

（3）煤矿资源储量估算的一般原则按相应矿种地质勘查规范规定执行。按原审批的工业指标和资源储量估算方法，按有关规范要求确定估算参数。

（4）煤矿资源储量分类与编码，按《固体矿产资源/储量分类》标准执行。经过生产探矿，提高了控制程度的地段(块段)，其资源储量类型与编码，依据煤矿煤种规范的要求重新确定。

6 资料提交

每季度应由有资质的地质测量机构按照资源储量动态检测的技术要求对煤矿企业的资源储量动用情况进行检测,按照技术指南要求的技术方法和质量要求,对煤矿进行采矿工程测量和编录，并将每次的测量成果上报县级国土资源行政主管部门；次年1月底前将汇总后的矿山储量年报上报当地国土资源主管部门。

4 资源储量动态检测台帐的建立

资源储量动态检测台帐是根据资源储量动用班报并结合每季度的资源储量动态测量结果经整理汇总的季报，可以表格的形式按照矿山储量动态检测技术指南的要求进行整理汇总并建立台账。

该表要体现采矿权人名称、记录时间、占用储量登记编号、生产能力、备案动用储量、矿段编号、开采回采率、当班动用矿体编号、长度、宽度、厚度、目估品位、动用储量、采出储量、回采率、矿体形态、采空区及开采技术条件、矿石品位、类型及质量变化情况。

7 结语

通过矿山资源储量动态检测工作，对煤矿现有的资源进行了更加准确、精细的统计，提高了矿井各采区资源回收率,及时了解煤矿动态，资源储量变化,使煤矿资源储量管理更加系统化、规范化管理,从而完好的建立了一套较全面的煤矿企业储量动态监测管理制度。

【参考文献】

5 煤矿储量动态检测年度报告的编写

应严格按照《矿山储量动态管理要求》内容编写，内容真实、严谨。成果提交由文字报告、附图、附表、附件四部分组成。 检测报告的章节按排要求（上接第127页）

【参考文献】

［1］ 《矿山储量动态管理要求》（国土资发[2008]163号）［2］ 《关于全面开展矿山储量动态监督管理的通知》（国

土资发[2006]87号)

［3］ 《山西省矿山储量动态监督管理办法》

［3］ 蔡美峰.地应力测量原理和技术[M].北京: 科学

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