深部高应力矿井原岩应力测试与生产影响分析

赵艳鹏 牛海连 邵珠娟

（1.临沂矿业集团菏泽煤电有限公司，山东 郓城 2740201；2.济宁市高级职业学校，山东 济宁 272001；3.临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 276017）

矿山井下岩层初始处于三维的稳定受力状态，开挖后，岩体一个方向的约束得到解除，岩体即处于非稳定的受力状态，岩层开始运动。而为满足采煤工作面正常的作业条件，需要控制巷道围岩的稳定，需要进行巷道支护。郭屯煤矿面临深井高地压的问题，且目前尚未进行原岩应力测试，对其原岩应力分布规律尚不清楚。因此，本文通过应力解除法在郭屯煤矿巷道中选取了4个测点，进行原岩应力测试，分析原岩应力分布规律，以指导矿井更加安全高效的生产。

1 工程概况

郭屯井田位于山东省菏泽市郓城县城南约10km。井田为华北型石炭、二叠系煤田。地层从上而下依次为第四系、上第三系、二叠系上统上石盒子组、下统下石盒子组和山西组、石炭系上统太原组、中统本溪组、奥陶系中、下统，主要含煤地层为山西组和太原组。

郭屯矿井开采条件复杂，应力较大，井田内地质构造复杂程度中等，断层发育。开采的3煤层属稳定-较稳定类型，埋深为500～1250m，煤层及顶板具有弱冲击倾向性。3煤层底板有一层太原组“三灰”含水层，水压较大。为确保郭屯煤矿的安全开采，进行原岩应力测试。

2 原岩应力测试

2.1 测点布置与安排

郭屯煤矿原岩应力测试共选取4个测点，分别编号为 GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4。测点均位于1301轨道顺槽。根据现场条件确定各测点钻孔的方位角、钻孔仰角、测点绝对深度。

首先应用Φ108mm的取芯钻头施工安装应力传感器的导孔，导孔深度为8.11m；然后在导孔孔底使用变径钻头施工变径孔，变径孔深度为4cm；而后应用Φ38mm取芯钻头施工安装小孔，孔深度30cm，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4测 点取出的岩芯分别为中砂岩、细砂岩、泥岩、细砂岩；最后使用专用清洗头清理安装小孔。安装孔完成后，根据安装小孔岩芯完整情况，采用粘结的方法安装应力计。粘结剂固化24h后，对装有应力计的岩体进行套芯应力解除。应力解除后传感器如图1所示。

2.2 测试结果

应用专用数据处理软件对测量数据进行处理后表明，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4的应变片数据相关系数为0.952、0.975、0.963、0.956，可信度均较高。应力计的12个应变片随解除距离的应变变化曲线如图2所示。

图1 GTSC应力解除后传感器

由图2（a）可知，从开始至距离为10cm的阶段，曲线变化幅度较小，说明钻头与应变片之间还有一定的距离；当解除距离至10cm后，各应变片的应变量迅速增大；当解除距离达22cm时，应变量达到最大值；当解除通过应变片后，各应变片的应变曲线趋于平缓；当解除至25cm后，应变量基本不变；解除至30cm时，应变解除结束。应变解除曲线正常，可作为计算应力的依据。

GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4测点的规律与GTSC-1基本相似。GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4测点的解除至应变片位置分别达到21cm、22cm、21cm时，应变量达到最大值；分别解除至24cm、25cm、25cm后，应变量基本不变；解除至30cm时，应变解除结束。

根据测试结果分析得出最大水平应力、最小水平应力、垂直应力，如表1所示。

图2 郭屯煤矿应力计应力解除曲线

表1 原岩应力测量结果

3 原岩应力实测分析

为便于分析，将上述测试结果汇总到立体网格上，如图3所示。

根据图2和图3的分析，可以看出：最大主应力为水平应力，其方位角集中在119.03°～122.08°范围内，应力值大小为31.00～56.56MPa，倾角为 -21.36°～55.28°；最 小 主 应 力 的 方 位 角 集 中 在208.48°～215.94°，应力值大小在 15.02～17.13MPa；中间主应力的方位角集中在283.98°～0.36°，应力值大小在 15.02～17.13MPa。

图3 主应力分布立体网格图

3.1 原岩应力对矿井生产影响

分析最大水平应力与巷道成不同角度的情况下，巷道破坏的情况。与最大水平主应力成不同角度掘进的巷道将经受不同程度的应力集中的影响，相应的巷道状况也会有显著的差别，如图4所示。

图4 不同掘进方向巷道状况的差异

巷道掘进方向与最大水平主应力成不同的角度则对巷道围岩控制具有不同的影响。当两者角度平行时，水平应力对其影响最小；当两者垂直时，水平应力对其影响最大；当两者斜交时，巷道一侧应力集中而另一侧应力释放，变形会出现非对称性。

郭屯煤矿目前的巷道沿近南北向布置的1302、1304外、1308外工作面顺槽掘进方向与最大水平应力的夹角一般为47°～63°左右，巷道沿不利的方向掘进，水平应力对巷道的布置有影响；而沿北东-西南方向布置的1301、1303、1304里、1305、1306、1308里工作面顺槽巷道掘进方向与最大水平应力的夹角一般为96°左右，掘进方向与最大水平应力接近垂直，巷道沿最不利的方向掘进，水平应力对巷道产生影响较大。所以，对于未开采区域布置巷道时，应尽量使巷道掘进方向与最大水平应力的方向一致，以减少水平应力对巷道的影响。

3.2 原岩应力与底板突水分析

郭屯井田3煤层底板砂岩厚2.10～21.92m，以细砂岩为主，局部为中砂岩和粉砂岩，裂隙局部发育，充填有方解石脉。在采动压力和奥灰含水层水压的共同作用下，会造成底板的破坏。当底板破坏深度波及到下部含水层且承压水压力大于或等于水平最小应力时，底板岩体的渗透性增大。当渗透性增加到一定程度时产生渗流，随着渗流量的增大，造成底板突水。

现阶段郭屯煤矿工作面顺槽的布置方向与最大水平应力方向近乎垂直，最大水平应力对巷道顶底板的破坏程度影响最严重，导致3煤底板与三灰间的有效隔水层厚度大大减少，增加了三灰水突水的可能性。因此，当工作面顺槽方向与最大水平应力接近垂直时，应加强对底板破坏程度的观测和监测，防止底板突水事故的发生。从长远角度讲，郭屯煤矿下组煤受底板奥灰水威胁严重，研究煤层采动后顶底板应力状态发生改变，会产生一定范围的变形与破坏。不同煤层采动过程中的底板破坏具有一定的规律，对于受底板水害威胁的下组煤，正确确定底板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要条件。

4 结论

（1）原岩应力场的最大主应力为水平应力，最大水平应力的方向为119.03°～122.01°。最大水平应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的1.52～2.68倍。最大水平应力对井下岩层的变形破坏方式及矿压显现规律会有明显的影响。

（2）最大水平主应力为最小水平主应力的1.83～3.77倍，水平应力对巷道掘进的影响具有较为明显的方向性。工作面巷道掘进方向与最大水平应力的方向夹角较大，已接近垂直，水平应力对巷道稳定性的影响较大。另外，最大水平应力对巷道顶底板的破坏程度影响最严重，导致3煤底板与三灰间的有效隔水层厚度大大减少，增加了三灰水突水的可能性。