云崗礦堅硬頂板地應力測試及分布的應用實踐

王 亮 翁旭澤 楊耀霞 徐 亮 王春陽

一、立項原因

云崗礦屬于資源衰退型礦井，礦井資源逐年減少，為保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，計劃復采2#、3#、7#煤層大巷煤柱及三下壓煤，2#層頂板屬于礫巖頂板，3#和7#層頂板屬于砂巖頂板，都為堅硬頂板類型，考慮設計盤區(qū)周圍采空區(qū)影響及原巖應力影響，我礦采用鉆孔應力解除地應力測試法對2#煤、3#煤、7#煤進行了地應力場實測，根據現場測試頂板應力情況和取巖心結果合理優(yōu)化巷道布置及支護設計，保證安全生產。

    二、立項內容

云崗礦原巖應力現場測量工作自2020年11月10日開始，2020年12月18日結束，完成原巖應力測點3個。采用鉆孔套芯應力解除法進行應力測量。對應力解除數據、現場率定測試參數及其他有關資料進行了計算和分析。以下內容以2#層測點為例說明，根據實測應力分布方位及大小，合理優(yōu)化巷道布置和支護設計，保證安全生產，提高經濟效益。

1、地應力測點布置及測試孔布置

考慮到地應力測試的技術要求和現場實際情況，經井下多處備選地點實測調研，決定選擇將測點布置在通404-2盤區(qū)軌道暗斜井2#煤躲避硐室進行了地應力實測。

實際測孔布置如圖1所示。

圖1 地應力測孔布置示意圖

2、測試步驟

根據空芯包體應變計解除的原理，地應力現場具體測量步驟、所需儀器及注意事項如下：

（1）地質鉆打孔

地點選取。選取整體巖性較好區(qū)域的巷道，安設測點。測點巷道內應水電方便，地質鉆工作時應不影響巷道運輸。

打孔取芯。使用地質鉆機，如圖2所示，配直徑為42mm的接長鉆桿，并運用特制的取芯套筒（長度為1m，直徑為127mm）及平鉆頭（直徑為127mm），如圖2所示。在所測巷道巖壁上打直徑為127mm的鉆孔，至巷道跨度的2～3倍深處，以保證應變計安裝位置位于原巖應力區(qū)。當鉆孔至預定長度時，取出巖芯，并編號套袋保護巖芯，最終成孔如圖3所示，取得的巖芯如圖5所示。

打空心包體孔。利用自備的錐形鉆頭（直徑為127mm，圖4），其上帶有長360mm，直徑36mm的小鉆頭，打同心小孔并取巖芯，同時將孔底磨平，并用錐形鉆頭打出70mm長的喇叭口，小孔深360mm。此小孔一次性打到底，鉆孔過程中，必須利用1m長巖芯管定向。

沖洗鉆孔。小孔成形后，抽出鉆桿50mm，用鉆機的水管沖洗。

（2）安裝空心包體

清洗和干燥鉆孔：在洗孔器上纏上棉紗（直徑略大于36mm），倒上丙酮，利用安裝桿將洗孔器送到孔底進行鉆孔干燥清洗一至兩遍，并記錄洗孔器進入孔底時鉆桿外露長度及洗孔器長度。

配制環(huán)氧膠（圖6）。用注射器和托盤天平嚴格量取環(huán)氧膠47克，固化劑8.4克，置于燒杯內，混合均勻。將配制好環(huán)氧膠倒入應力計的空腔，用牙簽固定好柱塞（圖7）。

安裝空心包體。先用砂紙把空心包體表面尤其是應變片位置打磨掉1mm左右的厚度，然后在定位器的定位槽中涂抹好黃油，將空心包體安裝到定位器上，確定A應變片豎直向上后用安裝桿細心的將包體送到預定位置，推斷固定銷牙簽，將環(huán)氧膠從包體內腔擠出使空心包體與鉆孔壁膠合。并測量鉆桿外露長度，確定牙簽斷掉，環(huán)氧膠已完全擠出。

專人保護。設專人看守，防止誤碰外露鉆桿，影響空心包體與巖壁膠合。

（3）取導向桿

測量數據。等24h后，環(huán)氧膠粘結密實，用特制萬用表記下空心包體A應變片的角度并讓礦上專門的地測人員測量鉆孔的方位角。

取出安裝鉆桿和定位器，取桿時拽緊定位器的電纜線，防止被擠斷。

（4）應力解除

挪回鉆機，精確對孔。然后將空心包體的導線電纜從取芯管、鉆桿孔、鉆機和改裝過的水節(jié)頭穿出，連接到數字應變儀上，同時不要忘記接上溫度補償元件。如圖8所示。

接好鉆桿和500mm取芯管后，如圖9示，啟動鉆機，開始注水，這時應變儀讀數會有所輕微變化，讀數穩(wěn)定后（約15分鐘），再開始進尺讀數。在套芯過程中若為人工讀數，每隔2cm進行一次儀器讀數，讀數不隨進尺變化時（解除深度為500mm左右），停止套芯。套芯結束后，取出帶有應力計的巖芯。若為自動讀數，可選取讀數時間間隔為10s。

3、地應力測量結果分析

（1）地應力測孔參數

云崗礦地應力測試孔的技術參數如下表所示：

表1地應力測試孔的技術參數

（2）測量孔的解除曲線

在測量工作中，應力解除過程都比較正常，并能取出帶有應力計的完整巖心。應力解除完成后根據應變儀的讀數，分布繪制出各測點的應力解除曲線，并由繪制出的應力解除曲線得出各個應變的穩(wěn)定應變值。

2020年11月10日在通404-2盤區(qū)軌道暗斜井2#煤躲避硐室進行了測量，A應變片豎直向上，應變片深度為800cm，解除過程中應用應力計的12個應變片隨解除距離的應變變化曲線詳見應力解除曲線（圖12）。

從圖中可以看出，解除開始至解除距離28cm階段，應變曲線平緩，應變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進至應變片位置；當解除距離至28cm后，應變量逐漸增加，當解除至應變片位置即解除距離達30cm時，應變量突然增加，隨后應變曲線趨于平緩，解除至40cm后，應變量基本不變，解除至45cm時，應變解除結束。應變解除曲線正常，可作為計算應力的依據。

1. 應力計算結果見表2

表2 2#煤測量孔原巖應力實測結果

B．應力解除曲線見圖12

圖12  測試孔應力解除曲線

（3）云崗礦地應力場分布規(guī)律分析

2#煤地應力測試結果為：最大主應力σ₁為3.2MPa，傾角為-29.30°，方位角216.76°，中間主應力σ₂為2.6MPa，傾角-59.45°，方位角17.71o；最小主應力σ₃為1.9MPa，方位角122.30o，傾角-1.50°。

三個主應力σ₁、σ₂、σ₃在空間的矢量關系如圖13所示。

圖13 測試區(qū)域三個主應力空間分布示意圖

4、優(yōu)化支護形式

三、主要創(chuàng)新點及結論

通過對云崗礦原巖應力現場測定，再根據實測結果對其進行的反演，得到了2#煤測點處的三維地應力狀態(tài)。對礦井以后的地下工程設計和施工有很大的幫助。綜合分析礦區(qū)原巖應力測定研究成果和地應力反演結果，我們得到了以下結論：

（1）通過實測得到了云崗礦2#煤測試區(qū)域地應力分布的大小及方向。得出2#煤測試區(qū)域主應力空間分布規(guī)律，確定巷道布置沿最小主應力方向平行受力最小，將2#層盤區(qū)主要巷道沿最小主應力方向布置，保證了安全生產。

（2）另外，通過直接頂取芯結果，確定2#層頂板為含礫粗砂巖，較堅硬，完整性好。

通過以上兩點結論，我們優(yōu)化2#層巷道支護，頂板支護中將原設計6m錨索優(yōu)化為4m錨索，排距由原2m兩根擴大到3m兩根，錨桿支護由1.8m改為1.5m，間排距按原設計，2#層巷道共計5000m，為云崗礦減少了可觀的成本支出。

四、經濟社會效益

1、經濟效益

優(yōu)化巷道支護方面：頂板支護由原來的2m排距2根錨索，改為3m排距2根錨索支護，每米巷道節(jié)省4m錨索材料支出，錨索成本9元/m，巷道節(jié)省36元/m；

人工投入方面：云崗礦目前采用“四·六”制作業(yè)方式，依據目前各掘進隊組單進水平能力，每班次可掘進進尺為6米。支護優(yōu)化后每班次可節(jié)約5根錨索（按長度計算20m），按四人支護作業(yè)，可節(jié)省一半工作量，人均300元工資結算，每米可節(jié)省人工投入150元。

巷道優(yōu)化設計后，每米巷道材料和人工投入共可節(jié)省186元，2#層共計可減少支出93萬元。

    考慮優(yōu)化支護后，掘進單進由6m加快到8m，預計提前7個月圈出工作面，每月按月產3萬噸計算，可多出煤炭21萬噸，噸煤200元計算，可產生經濟效益4200萬元。

2、社會效益

通過對云崗礦原巖應力現場測定，分析原巖應力方向分布，合理優(yōu)化巷道布置方式及優(yōu)化巷道支護形式，減少了支護工程量，節(jié)約了成本，保證礦井安全生產。

五、推廣應用前景

云崗礦堅硬頂板地應力測試及分布的應用實踐后，不僅僅在于該項目采用了“應力解除法”先進地應力測試技術，更重要的是通過地應力測試科學合理的布置巷道和優(yōu)化支護設計，可以省去諸多管理環(huán)節(jié)、施工工序、工程費用，屬云崗礦首例，集團公司少有。通過在云崗礦井下3#現場試驗成功，實踐證明了這種地應力測試技術是可行的，并對類似條件下礦井有一定的借鑒，具有廣泛的推廣和應用價值。

作者：晉能控股煤業(yè)集團云崗礦 王 亮