云崗礦堅(jiān)硬頂板地應(yīng)力測(cè)試及分布的應(yīng)用實(shí)踐

王 亮 翁旭澤 楊耀霞 徐 亮 王春陽(yáng)

一、立項(xiàng)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(jì)劃復(fù)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(jiān)硬頂板類(lèi)型，考慮設(shè)計(jì)盤(pán)區(qū)周?chē)煽諈^(qū)影響及原巖應(yīng)力影響，我礦采用鉆孔應(yīng)力解除地應(yīng)力測(cè)試法對(duì)2#煤、3#煤、7#煤進(jìn)行了地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試頂板應(yīng)力情況和取巖心結(jié)果合理優(yōu)化巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì)，保證安全生產(chǎn)。

    二、立項(xiàng)內(nèi)容

云崗礦原巖應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作自2020年11月10日開(kāi)始，2020年12月18日結(jié)束，完成原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)3個(gè)。采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。對(duì)應(yīng)力解除數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)率定測(cè)試參數(shù)及其他有關(guān)資料進(jìn)行了計(jì)算和分析。以下內(nèi)容以2#層測(cè)點(diǎn)為例說(shuō)明，根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力分布方位及大小，合理優(yōu)化巷道布置和支護(hù)設(shè)計(jì)，保證安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1、地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試孔布置

考慮到地應(yīng)力測(cè)試的技術(shù)要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)井下多處備選地點(diǎn)實(shí)測(cè)調(diào)研，決定選擇將測(cè)點(diǎn)布置在通404-2盤(pán)區(qū)軌道暗斜井2#煤躲避硐室進(jìn)行了地應(yīng)力實(shí)測(cè)。

實(shí)際測(cè)孔布置如圖1所示。

圖1 地應(yīng)力測(cè)孔布置示意圖

2、測(cè)試步驟

根據(jù)空芯包體應(yīng)變計(jì)解除的原理，地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)具體測(cè)量步驟、所需儀器及注意事項(xiàng)如下：

（1）地質(zhì)鉆打孔

地點(diǎn)選取。選取整體巖性較好區(qū)域的巷道，安設(shè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)巷道內(nèi)應(yīng)水電方便，地質(zhì)鉆工作時(shí)應(yīng)不影響巷道運(yùn)輸。

打孔取芯。使用地質(zhì)鉆機(jī)，如圖2所示，配直徑為42mm的接長(zhǎng)鉆桿，并運(yùn)用特制的取芯套筒（長(zhǎng)度為1m，直徑為127mm）及平鉆頭（直徑為127mm），如圖2所示。在所測(cè)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(yīng)變計(jì)安裝位置位于原巖應(yīng)力區(qū)。當(dāng)鉆孔至預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)，取出巖芯，并編號(hào)套袋保護(hù)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(zhǎng)360mm，直徑36mm的小鉆頭，打同心小孔并取巖芯，同時(shí)將孔底磨平，并用錐形鉆頭打出70mm長(zhǎng)的喇叭口，小孔深360mm。此小孔一次性打到底，鉆孔過(guò)程中，必須利用1m長(zhǎng)巖芯管定向。

沖洗鉆孔。小孔成形后，抽出鉆桿50mm，用鉆機(jī)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(jìn)行鉆孔干燥清洗一至兩遍，并記錄洗孔器進(jìn)入孔底時(shí)鉆桿外露長(zhǎng)度及洗孔器長(zhǎng)度。

配制環(huán)氧膠（圖6）。用注射器和托盤(pán)天平嚴(yán)格量取環(huán)氧膠47克，固化劑8.4克，置于燒杯內(nèi)，混合均勻。將配制好環(huán)氧膠倒入應(yīng)力計(jì)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(yīng)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(yīng)變片豎直向上后用安裝桿細(xì)心的將包體送到預(yù)定位置，推斷固定銷(xiāo)牙簽，將環(huán)氧膠從包體內(nèi)腔擠出使空心包體與鉆孔壁膠合。并測(cè)量鉆桿外露長(zhǎng)度，確定牙簽斷掉，環(huán)氧膠已完全擠出。

專(zhuān)人保護(hù)。設(shè)專(zhuān)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(dǎo)向桿

測(cè)量數(shù)據(jù)。等24h后，環(huán)氧膠粘結(jié)密實(shí)，用特制萬(wàn)用表記下空心包體A應(yīng)變片的角度并讓礦上專(zhuān)門(mén)的地測(cè)人員測(cè)量鉆孔的方位角。

取出安裝鉆桿和定位器，取桿時(shí)拽緊定位器的電纜線，防止被擠斷。

（4）應(yīng)力解除

挪回鉆機(jī)，精確對(duì)孔。然后將空心包體的導(dǎo)線電纜從取芯管、鉆桿孔、鉆機(jī)和改裝過(guò)的水節(jié)頭穿出，連接到數(shù)字應(yīng)變儀上，同時(shí)不要忘記接上溫度補(bǔ)償元件。如圖8所示。

接好鉆桿和500mm取芯管后，如圖9示，啟動(dòng)鉆機(jī)，開(kāi)始注水，這時(shí)應(yīng)變儀讀數(shù)會(huì)有所輕微變化，讀數(shù)穩(wěn)定后（約15分鐘），再開(kāi)始進(jìn)尺讀數(shù)。在套芯過(guò)程中若為人工讀數(shù)，每隔2cm進(jìn)行一次儀器讀數(shù)，讀數(shù)不隨進(jìn)尺變化時(shí)（解除深度為500mm左右），停止套芯。套芯結(jié)束后，取出帶有應(yīng)力計(jì)的巖芯。若為自動(dòng)讀數(shù)，可選取讀數(shù)時(shí)間間隔為10s。

3、地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

（1）地應(yīng)力測(cè)孔參數(shù)

云崗礦地應(yīng)力測(cè)試孔的技術(shù)參數(shù)如下表所示：

表1地應(yīng)力測(cè)試孔的技術(shù)參數(shù)

（2）測(cè)量孔的解除曲線

在測(cè)量工作中，應(yīng)力解除過(guò)程都比較正常，并能取出帶有應(yīng)力計(jì)的完整巖心。應(yīng)力解除完成后根據(jù)應(yīng)變儀的讀數(shù)，分布繪制出各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力解除曲線，并由繪制出的應(yīng)力解除曲線得出各個(gè)應(yīng)變的穩(wěn)定應(yīng)變值。

2020年11月10日在通404-2盤(pán)區(qū)軌道暗斜井2#煤躲避硐室進(jìn)行了測(cè)量，A應(yīng)變片豎直向上，應(yīng)變片深度為800cm，解除過(guò)程中應(yīng)用應(yīng)力計(jì)的12個(gè)應(yīng)變片隨解除距離的應(yīng)變變化曲線詳見(jiàn)應(yīng)力解除曲線（圖12）。

從圖中可以看出，解除開(kāi)始至解除距離28cm階段，應(yīng)變曲線平緩，應(yīng)變隨解除距離的變化幅度很小，說(shuō)明鉆頭未推進(jìn)至應(yīng)變片位置；當(dāng)解除距離至28cm后，應(yīng)變量逐漸增加，當(dāng)解除至應(yīng)變片位置即解除距離達(dá)30cm時(shí)，應(yīng)變量突然增加，隨后應(yīng)變曲線趨于平緩，解除至40cm后，應(yīng)變量基本不變，解除至45cm時(shí)，應(yīng)變解除結(jié)束。應(yīng)變解除曲線正常，可作為計(jì)算應(yīng)力的依據(jù)。

1. 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2

表2 2#煤測(cè)量孔原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

B．應(yīng)力解除曲線見(jiàn)圖12

圖12  測(cè)試孔應(yīng)力解除曲線

（3）云崗礦地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律分析

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

三個(gè)主應(yīng)力σ₁、σ₂、σ₃在空間的矢量關(guān)系如圖13所示。

圖13 測(cè)試區(qū)域三個(gè)主應(yīng)力空間分布示意圖

4、優(yōu)化支護(hù)形式

三、主要創(chuàng)新點(diǎn)及結(jié)論

通過(guò)對(duì)云崗礦原巖應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，再根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行的反演，得到了2#煤測(cè)點(diǎn)處的三維地應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)礦井以后的地下工程設(shè)計(jì)和施工有很大的幫助。綜合分析礦區(qū)原巖應(yīng)力測(cè)定研究成果和地應(yīng)力反演結(jié)果，我們得到了以下結(jié)論：

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

（2）另外，通過(guò)直接頂取芯結(jié)果，確定2#層頂板為含礫粗砂巖，較堅(jiān)硬，完整性好。

通過(guò)以上兩點(diǎn)結(jié)論，我們優(yōu)化2#層巷道支護(hù)，頂板支護(hù)中將原設(shè)計(jì)6m錨索優(yōu)化為4m錨索，排距由原2m兩根擴(kuò)大到3m兩根，錨桿支護(hù)由1.8m改為1.5m，間排距按原設(shè)計(jì)，2#層巷道共計(jì)5000m，為云崗礦減少了可觀的成本支出。

四、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

1、經(jīng)濟(jì)效益

優(yōu)化巷道支護(hù)方面：頂板支護(hù)由原來(lái)的2m排距2根錨索，改為3m排距2根錨索支護(hù)，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(jù)目前各掘進(jìn)隊(duì)組單進(jìn)水平能力，每班次可掘進(jìn)進(jìn)尺為6米。支護(hù)優(yōu)化后每班次可節(jié)約5根錨索（按長(zhǎng)度計(jì)算20m），按四人支護(hù)作業(yè)，可節(jié)省一半工作量，人均300元工資結(jié)算，每米可節(jié)省人工投入150元。

巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)后，每米巷道材料和人工投入共可節(jié)省186元，2#層共計(jì)可減少支出93萬(wàn)元。

    考慮優(yōu)化支護(hù)后，掘進(jìn)單進(jìn)由6m加快到8m，預(yù)計(jì)提前7個(gè)月圈出工作面，每月按月產(chǎn)3萬(wàn)噸計(jì)算，可多出煤炭21萬(wàn)噸，噸煤200元計(jì)算，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益4200萬(wàn)元。

2、社會(huì)效益

通過(guò)對(duì)云崗礦原巖應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，分析原巖應(yīng)力方向分布，合理優(yōu)化巷道布置方式及優(yōu)化巷道支護(hù)形式，減少了支護(hù)工程量，節(jié)約了成本，保證礦井安全生產(chǎn)。

五、推廣應(yīng)用前景

云崗礦堅(jiān)硬頂板地應(yīng)力測(cè)試及分布的應(yīng)用實(shí)踐后，不僅僅在于該項(xiàng)目采用了“應(yīng)力解除法”先進(jìn)地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，更重要的是通過(guò)地應(yīng)力測(cè)試科學(xué)合理的布置巷道和優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，可以省去諸多管理環(huán)節(jié)、施工工序、工程費(fèi)用，屬云崗礦首例，集團(tuán)公司少有。通過(guò)在云崗礦井下3#現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功，實(shí)踐證明了這種地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)是可行的，并對(duì)類(lèi)似條件下礦井有一定的借鑒，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

作者：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦 王 亮