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發展，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，考慮設計盤區周圍采空區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。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。

配制環氧膠（圖6）。用注射器和托盤天平嚴格量取環氧膠47克，固化劑8.4克，置于燒杯內，混合均勻。將配制好環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定應變值。

2020年11月10日在通404-2盤區軌道暗斜井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 測試區域三個主應力空間分布示意圖

4、優化支護形式

三、主要創新點及結論

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。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#煤測試區域地應力分布的大小及方向。得出2#煤測試區域主應力空間分布規律，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，我們優化2#層巷道支護，頂板支護中將原設計6m錨索優化為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，每米巷道節省4m錨索材料支出，錨索成本9元/m，巷道節省36元/m；

人工投入方面：云崗礦目前采用“四·六”制作業方式，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。支護優化后每班次可節約5根錨索（按長度計算20m），按四人支護作業，可節省一半工作量，人均300元工資結算，每米可節省人工投入150元。

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

    考慮優化支護后，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，合理優化巷道布置方式及優化巷道支護形式，減少了支護工程量，節約了成本，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化支護設計，可以省去諸多管理環節、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：晉能控股煤業集團云崗礦 王 亮