硫磺溝煤礦采掘工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)解危方案最

1、.：.；工程稱號(hào)：硫磺溝煤礦采掘任務(wù)面沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)解危方案工程擔(dān)任人：藍(lán) 航 研討室主任、高工、博士參與人員： 姓 名 職務(wù)、職稱、學(xué)歷 專業(yè) 擔(dān)任工程內(nèi)容 毛德兵 所長(zhǎng)、研討員、博士 采礦 工程指點(diǎn) 劉少虹 博士研討生采礦 地應(yīng)力測(cè)試馮美華 碩士、工程師 地球物理 物探 于海湧 所總工、教授、博士 采礦 報(bào)告審核 姚建國(guó) 研討員 力學(xué) 報(bào)告審核 報(bào)告編寫(xiě)：藍(lán) 航、劉少虹、馮美華報(bào)告匯總：藍(lán) 航報(bào)告審查： 報(bào)告文件編號(hào)： 立項(xiàng)背景1.1 礦井概略硫磺溝煤礦位于烏魯木齊西部準(zhǔn)南煤田頭屯河區(qū)，頭屯河中游之西側(cè)，硫磺溝礦區(qū)中部，行政區(qū)劃屬昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)管轄。井田東距烏魯木齊約40km，東北

2、距烏魯木齊火車(chē)西站24km，北距昌吉市50km，向南可達(dá)廟爾溝、天山林場(chǎng)等地，均有瀝青公路相通，交通便利。1.2 地質(zhì)概略硫磺溝煤礦位于準(zhǔn)南煤田頭屯河區(qū)阿克德向斜南翼，地層分別劃歸中侏羅統(tǒng)西山窯組與頭屯河組，其上被第四系沖洪積、坡積物等覆蓋。西山窯組下段J2x1為主要含煤段，厚146182m，以湖沼相堆積為主。巖石組合為灰-灰黑色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖與煤。含煤37層，主要可采3層，即4-5，7，9-15號(hào)煤層,可采煤層總厚35.7448.20m。煤層間由細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主組成，其次部分夾薄層炭質(zhì)泥巖，具旋回構(gòu)造，其層間接觸均為整合接觸。其他為不穩(wěn)定的不可采或部分可采煤

3、層。西山窯組上段J2x2為不含煤段，厚130150m，以河湖相堆積為主。巖石組合為灰-灰綠色砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖及少量炭質(zhì)泥巖與薄煤組成。不含可采煤層。頭屯河組下段J2t1屬干旱環(huán)境下的河湖相與山麓相堆積，厚260m。巖石組合為雜色粉砂巖與泥巖、中粗粒含礫砂巖等。礦井目前開(kāi)采煤層為4-5煤層，煤質(zhì)為41號(hào)長(zhǎng)焰煤，為黑色，條痕為黑褐褐黑色，光澤普通為油脂光澤，少部分為瀝青光澤，比重和硬度中等，性脆，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，斷口以參差狀斷口為主，構(gòu)造多成條帶狀構(gòu)造。屬于低灰、特低硫、低磷、中高發(fā)熱量富油煤層，是良好的動(dòng)力煉油用煤和民用煤。4-5煤層厚度5.56.8m，平均厚度為6.15m，煤層全區(qū)

4、發(fā)育，較為穩(wěn)定，自東向西略有增厚，沿傾向方向深部有變薄的趨勢(shì)，多以單一煤層發(fā)育，中部變?yōu)橛袠?gòu)造煤層，普通含夾矸1層，為較穩(wěn)定煤層。補(bǔ)勘三維地震勘探查出斷層10條，可靠斷層6條，較可靠斷層4條。其中落差50m的斷層2條，落差20mH50m的斷層2條，落差10mH20m的斷層2條，落差5mH10m的斷層4條。詳見(jiàn)斷層統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1-1。表1-1 斷層統(tǒng)計(jì)表斷層稱號(hào)性質(zhì)走向傾向傾角()長(zhǎng)度(m)斷層落差(m)控制程度FD1逆NESE505510000-75可靠FD2逆NESE50601300-23可靠FD3逆NESE602800-13可靠FD4逆NESE55607500-25可靠FD5逆NNE-NS

5、E50602100-7較可靠FD6 正E-NEENW50553000-10可靠FD7 正NENW6070900-5較可靠FD8正NNENNW501700-5較可靠FD9 正NENW60708000-55可靠FD10 正EN55602800-5較可靠1.3 采掘任務(wù)面概略4-504任務(wù)面為硫磺溝煤礦4-502任務(wù)面的接續(xù)任務(wù)面，走向長(zhǎng)度2750m，任務(wù)面長(zhǎng)度180m。位于礦井西翼，布置在4-5煤層中，4-502任務(wù)面北部，與4-502任務(wù)面皮帶順槽程度間隔 36.8m，開(kāi)切眼距礦區(qū)邊境150m。此外，還有三條下山巷道在向深部延伸，包括集中回風(fēng)上山延伸、主暗斜井延伸和副暗斜井延伸，其中集中回風(fēng)上山

6、延伸和副暗斜井延伸布置在4-5煤層中，主暗斜井延伸布置在9-15煤層中。各采掘任務(wù)面位置如圖1-1所示。圖1-1 硫磺溝煤礦各采掘任務(wù)面相對(duì)位置圖4-504任務(wù)面井下標(biāo)高+700+777m，任務(wù)面順槽沿4-5煤層底板進(jìn)展掘進(jìn)，4-5煤層穩(wěn)定，頂板以粉細(xì)砂巖為主，富水性強(qiáng)，底板多為泥巖、粉砂巖。任務(wù)面總體為一單斜構(gòu)造，傾向北西，任務(wù)面煤層傾角19，掘進(jìn)期間共揭露9條斷層，斷層為FD15FD23，斷層均為逆斷層，落差0.98.8m，對(duì)任務(wù)面回采具有一定影響。煤層頂?shù)装逯鶢钊鐖D1-2。圖1-2 煤層綜合柱狀圖1.4 “1.30災(zāi)禍描畫(huà)2021年1月30日早班，掘進(jìn)一隊(duì)5名工人完成第一循環(huán)后，前移前探

7、梁，并上網(wǎng)預(yù)備聯(lián)網(wǎng)，15時(shí)52分一聲煤炮，瞬間上幫和迎頭左肩窩處拋出大量煤體，將上幫3人埋住，事故共呵斥2死1傷。災(zāi)禍發(fā)生時(shí)，煤炮響聲較大，在呵斥頂板冒落的同時(shí)，綜掘機(jī)被顛動(dòng)，巷幫炸幫。煤炮發(fā)生時(shí)，該段巷道頂板、底板和兩幫圍巖的震動(dòng)顯著。圖1-3為本次災(zāi)禍頂板冒落斷面素描。(a)(b)(c)圖1-3 “1.30動(dòng)力災(zāi)禍頂板冒落斷面素描(a)平面圖(b)橫剖面圖(c)走向剖面圖1.5 災(zāi)禍緣由分析根據(jù)調(diào)查組專家意見(jiàn)，造本錢(qián)次災(zāi)禍的主要緣由有：1對(duì)硫磺溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力認(rèn)知缺乏，在消費(fèi)實(shí)際中，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力危害程度評(píng)價(jià)、存在發(fā)活力理、超前預(yù)控方案研討不夠、不深。2021年進(jìn)展了+860m、+796

8、m程度地應(yīng)力測(cè)試，垂直應(yīng)力大于最大程度應(yīng)力，為1.01.42倍，最大程度應(yīng)力為最小程度應(yīng)力1.351.82倍。4-5)04任務(wù)面兩順槽標(biāo)高為+777m、+700m，隨著向西部掘進(jìn)，炸幫、片幫、煤炮景象增多，礦方高度注重，多次組織專業(yè)人員討論分析，并咨詢了相關(guān)專家學(xué)者，當(dāng)時(shí)分析以為這些景象的緣由能夠是隨著礦井延伸，地應(yīng)力添加引起的，可以經(jīng)過(guò)卸壓方式處理，沒(méi)有從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)展更深化細(xì)致的分析和研討。雖然礦井先后運(yùn)用了綜掘機(jī)截割刨頭鉆進(jìn)卸壓、改動(dòng)截割工藝循序卸壓、鉆孔卸壓、爆破卸壓等方法，并根據(jù)實(shí)際效果確定了爆破和鉆孔卸壓相結(jié)合的方法，平安掘進(jìn)了1000m左右，但是還是沒(méi)有防止災(zāi)禍的發(fā)生。根據(jù)本次專

9、家組分析：礦井地質(zhì)報(bào)告闡明了井田位于北天山強(qiáng)震斷裂帶上，地震活動(dòng)以強(qiáng)度大、頻率高、小震較多為特征，屬級(jí)地震烈度區(qū)。另外4-5)04任務(wù)面掘進(jìn)期間共揭露9條斷層，斷層為FD15FD23，斷層均為逆斷層由程度應(yīng)力擠壓構(gòu)成的，落差0.98.8m。闡明該礦井地層及構(gòu)造處于受地震影響區(qū)域，存在較大的程度構(gòu)造應(yīng)力。根據(jù)新疆地震信息網(wǎng)報(bào)道1月31日10時(shí)29分瑪納斯縣發(fā)生3.6級(jí)地震，臨近地域在1.30事故次日發(fā)生地震闡明該地域存在大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。本次煤體在掘進(jìn)暴露后，煤體由原先的高程度構(gòu)造應(yīng)力形狀向二維垂直應(yīng)力形狀轉(zhuǎn)化時(shí)，積聚在煤體及巷道頂板巖層內(nèi)的彈性變形能忽然釋放，且左幫片幫處煤壁豎向煤體節(jié)理、劈理非常

10、發(fā)育，使煤體破碎并沿滑移面拋出。在煤體拋出的同時(shí)，已接受程度構(gòu)造應(yīng)力及超前支承壓力等靜載的掘進(jìn)頭前方頂板在該動(dòng)載作用下，產(chǎn)生煤巖拋出的動(dòng)力景象。2支護(hù)設(shè)計(jì)注重了支護(hù)強(qiáng)度，沒(méi)有思索到支護(hù)剛度問(wèn)題。根據(jù)掘進(jìn)期間出現(xiàn)的炸幫、片幫、煤炮景象增多，礦多次組織專業(yè)人員根據(jù)大專院校教師的建議進(jìn)展討論分析并進(jìn)展了支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了支護(hù)強(qiáng)度，并強(qiáng)化了支護(hù)質(zhì)量監(jiān)視檢查和驗(yàn)收制度。此次事故現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔力大于150kN，錨桿螺帽扭矩大于300Nm。事故現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)斷錨桿、錨索景象，闡明正常情況下，錨網(wǎng)索的支護(hù)強(qiáng)度是足夠的。但經(jīng)過(guò)此次專家組的分析：提出了支護(hù)剛度的概念，以為在集中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下和松散的頂煤的條件下，現(xiàn)

11、有的支護(hù)設(shè)計(jì)約束不了掘進(jìn)巷道圍巖煤體的變形、位移，會(huì)呵斥圍巖進(jìn)一步松散和破壞，使錨桿、錨索支護(hù)失去作用。已掘巷道出現(xiàn)的網(wǎng)兜景象，就闡明支護(hù)剛度缺乏，其結(jié)果是呵斥巷道圍巖體松散破碎，支護(hù)失效，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移和集中，呵斥更大的隱患。3暫時(shí)超前支護(hù)方式不順應(yīng)突發(fā)的異常動(dòng)力景象目前掘進(jìn)迎頭采用的是前探梁暫時(shí)超前支護(hù)，這種支護(hù)方式在此次事故中既沒(méi)有控制迎頭的煤體噴出，也沒(méi)有控制住已支護(hù)頂板迎頭后兩排的冒落，用于固定前探梁的錨桿一同垮落，前探梁失去支護(hù)作用，呵斥頂煤沒(méi)有支撐，瞬間垮落，無(wú)法維護(hù)作業(yè)人員平安，需求進(jìn)一步的改良。1.6 研討內(nèi)容根據(jù)以上分析，為保證硫磺溝煤礦4-504任務(wù)面后續(xù)掘進(jìn)及其它各采掘

12、任務(wù)面平安，必需首先弄清礦井當(dāng)前采掘程度的地應(yīng)力分布情況、對(duì)掘進(jìn)迎頭附近構(gòu)造分布進(jìn)展探測(cè)評(píng)價(jià)，并結(jié)合煤巖沖擊傾向性測(cè)試結(jié)果，從地質(zhì)影響要素和采掘技術(shù)影響要素綜合評(píng)價(jià)各采掘任務(wù)面能夠存在的沖擊地壓危險(xiǎn)，在此根底上對(duì)巷道支護(hù)方案、設(shè)備及工藝進(jìn)展調(diào)整和優(yōu)化，并制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和解危方案。為此，開(kāi)展以下任務(wù)：1地應(yīng)力測(cè)試在+777+665m選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試各測(cè)點(diǎn)三個(gè)主應(yīng)力大小及其各自方向，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析礦區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力分布規(guī)律；2掘進(jìn)迎頭周?chē)穹鼧?gòu)造/應(yīng)力異常探測(cè)4-504皮帶順槽迎頭超前150m埋伏構(gòu)造/應(yīng)力異常探測(cè)；4-504皮帶順槽左幫50m范圍埋伏構(gòu)造/應(yīng)力異常探測(cè)；4-504皮帶順槽右?guī)?0

13、m范圍埋伏構(gòu)造/應(yīng)力異常探測(cè)；4-504任務(wù)面切眼掘進(jìn)超前50m埋伏構(gòu)造/應(yīng)力異常探測(cè)。3各采掘任務(wù)面沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)4-502回采任務(wù)面沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)；4-504掘進(jìn)任務(wù)面沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)；回風(fēng)上山掘進(jìn)任務(wù)面沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)；副暗斜井掘進(jìn)任務(wù)面沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)。4沖擊地壓防治方案制定掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)；規(guī)范鉆屑量確定；應(yīng)力異常監(jiān)測(cè)方案；應(yīng)力異常區(qū)域解危方案；解危效果的鉆屑目的檢驗(yàn)。2 +777+665m程度地應(yīng)力測(cè)試硫磺溝煤礦上山巷道變形量較大，在(4-5)04任務(wù)面上、下順槽掘進(jìn)過(guò)程中迎頭礦壓顯現(xiàn)較為明顯，巷道部分圍巖變形量較大。為了進(jìn)一步了解硫磺溝煤礦地應(yīng)力分布情況，分析巷道礦壓顯現(xiàn)明顯的緣

14、由，有必要對(duì)硫磺溝煤礦+777+665m程度區(qū)域進(jìn)展地應(yīng)力測(cè)試。2.1 空芯包體丈量方法簡(jiǎn)介2.1.1 地應(yīng)力丈量方法分類巖體地應(yīng)力丈量，主要是指對(duì)處于地下原始形狀的巖(礦)中的某點(diǎn)的應(yīng)力或應(yīng)變的丈量。巖體原始應(yīng)力形狀的定量數(shù)據(jù)，是礦山開(kāi)采和地下建筑工程所必需的資料。巖體的應(yīng)力能使巖體介質(zhì)的電阻率、磁化率和聲波穿透速度等發(fā)生變化，也能產(chǎn)生光彈效應(yīng)和X射線衍射效應(yīng)。因此，從實(shí)際上講，經(jīng)過(guò)這些物理效應(yīng)完全可以丈量巖體的應(yīng)力。目前，地應(yīng)力測(cè)定方法很多，各種型號(hào)的地應(yīng)力丈量?jī)x器也應(yīng)運(yùn)而生，型號(hào)達(dá)200種以上。參照各種丈量方法的任務(wù)特點(diǎn)，把地應(yīng)力丈量的方法分為五大類，分別為：宏觀類、微觀類、地震類、電磁

15、類和放射性類。其分類及其各自的任務(wù)方法和適用范圍詳見(jiàn)表2-1。表2-1 地應(yīng)力丈量方法分類表類別組別測(cè) 量 方 法工 作 方 法適 用 范 圍宏觀類宏觀變形水壓致裂法在鉆孔中進(jìn)展加壓至巖石破裂，測(cè)定破裂呵斥的壓力值。儀器有液壓傳感器，壓力計(jì)等。在地面和井下均可適用，是目前進(jìn)展深部地應(yīng)力丈量的獨(dú)一方法。大地丈量法(水準(zhǔn)丈量、經(jīng)緯儀丈量和三角丈量)丈量區(qū)域垂直和程度位移，丈量三角網(wǎng)的邊長(zhǎng)和角度變化。儀器有水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等。適宜區(qū)域性現(xiàn)今構(gòu)造的概略分析。巷道壁變形丈量丈量巷道的徑向變形和巷道壁的外表變形。儀器有各種應(yīng)變計(jì)。多用于工程設(shè)計(jì)、施工中了解原地應(yīng)力和應(yīng)變的情況。宏觀構(gòu)造構(gòu)造形跡法研討褶皺、斷

16、裂方向、節(jié)理、小褶皺組合分析等。儀器有地質(zhì)羅盤(pán)、皮尺等。地質(zhì)構(gòu)造專門(mén)調(diào)查研討，目前只能做定性分析。巷道變形、破壞調(diào)查法研討巷道變形特點(diǎn)，分析剝落巖石的位置和幾何外形，察看裂隙方向。儀器有地質(zhì)羅盤(pán)等。作為輔助方法概略的了解地應(yīng)力形狀。鉆孔變形、破壞調(diào)查法研討鉆孔中裂隙方向，巖餅厚度等。儀器有地質(zhì)羅盤(pán)、皮尺等。作為輔助方法概略的了解地應(yīng)力形狀。微觀類微觀形變孔壁應(yīng)力解除法經(jīng)過(guò)丈量解除前后孔壁的應(yīng)變變化，計(jì)算應(yīng)力。典型的丈量探頭是空芯包體三軸應(yīng)變計(jì)。運(yùn)用做多的丈量方法，最適宜在井下巷道中進(jìn)展應(yīng)力丈量。做大優(yōu)點(diǎn)是單孔一次可測(cè)得三維應(yīng)力。孔底應(yīng)力解除法經(jīng)過(guò)丈量解除前后孔底的應(yīng)變變化，計(jì)算應(yīng)力。丈量探頭有

17、門(mén)塞式孔底應(yīng)變計(jì)等。精度較低。國(guó)際上曾廣泛運(yùn)用，目前很少運(yùn)用。鉆孔位移法經(jīng)過(guò)丈量解除前后鉆孔孔徑的變化，推算應(yīng)力形狀。儀器有光彈傳感器等。運(yùn)用的較多，要求巖石完好。丈量三維應(yīng)力必需在正交的三個(gè)孔中進(jìn)展。鉆孔應(yīng)力法把剛性探頭安裝在鉆孔中，丈量解除前后的應(yīng)力變化。典型的丈量探頭是壓磁電感應(yīng)變計(jì)。丈量精度高，運(yùn)用的較多，要求巖石完好。丈量三維應(yīng)力必需在正交的三個(gè)孔中進(jìn)展。鉆孔崩落橢圓形法丈量鉆孔橢圓外形，長(zhǎng)軸代表最小主應(yīng)力方向，長(zhǎng)短軸之比可粗略估算壓力值。適于脆性巖石，設(shè)備簡(jiǎn)單，精度低。鉆孔應(yīng)力擾動(dòng)法在丈量小孔中安裝探頭，并在其周?chē)@平行擾動(dòng)鉆孔，丈量發(fā)生的孔壁徑向變形?？衫孟M(fèi)鉆孔進(jìn)展丈量。微觀

18、構(gòu)造顯微構(gòu)造分析法根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)與應(yīng)力的線性關(guān)系進(jìn)展定量計(jì)算。普通用X射線法、電子顯微鏡透射法。目前處于探求階段。應(yīng)力礦物定向研討法礦物顆粒內(nèi)部受應(yīng)力作用的遺址方面的丈量定性統(tǒng)計(jì)。主要用于地應(yīng)力的方向，目前尚無(wú)法確定地應(yīng)力的大小。物理相態(tài)法利用巖石物理相態(tài)，判別地應(yīng)力的量級(jí)。用于丈量地應(yīng)力大小，尚無(wú)法確定地應(yīng)力的方向。地 震 類超聲波法超聲波發(fā)射法丈量巖體中彈性超聲波的速度和幅度。儀器有超聲波傳感器。普通用于丈量地應(yīng)力的方向和應(yīng)力的相對(duì)變化。超聲波測(cè)井丈量超聲波和面波的速度和幅度。儀器又超聲波傳感器。普通用于丈量地應(yīng)力的方向和應(yīng)力的相對(duì)變化。地震波法天然地震法丈量地震波波速，進(jìn)展震源機(jī)制解。儀器

19、有地震儀等。是求解震源應(yīng)力形狀的方法。人工地震法反復(fù)進(jìn)展人工爆破，用地震檢波器接納地震波。進(jìn)展分析對(duì)比波速變化，從而確定地應(yīng)力形狀。屬于區(qū)域性研討，可用于確定主應(yīng)力方向，較難確定地應(yīng)力的大小。電磁類變形電阻法用電位計(jì)定點(diǎn)，反復(fù)測(cè)定巖石電阻率的變化，推算應(yīng)力。研討范圍從0.1m到幾十米。地面研討中經(jīng)常遭到水和其它要素干擾。導(dǎo)磁率法用磁力儀定點(diǎn)，反復(fù)測(cè)定巖石磁化率的變化，推算應(yīng)力。運(yùn)用范圍尚未確定。放射性類放射法利用射線穿透巖石，反復(fù)測(cè)定其衰減強(qiáng)度等。運(yùn)用范圍尚未確定。2.1.2 應(yīng)力解除法2.1.2.1 應(yīng)力解除法的種類1鉆孔位移法該法又稱為鉆孔變形法。它是經(jīng)過(guò)丈量解除槽開(kāi)出前后鉆孔孔徑的變化來(lái)

20、丈量地應(yīng)力的。運(yùn)用的傳感器稱為鉆孔變形計(jì)。2鉆孔應(yīng)變法該法又分為孔底應(yīng)變法和孔壁應(yīng)變法?？椎讘?yīng)變法是經(jīng)過(guò)丈量解除前后鉆孔底面的應(yīng)變變化來(lái)丈量應(yīng)力的；孔壁應(yīng)變法那么是經(jīng)過(guò)丈量解除前后鉆孔孔壁外表的應(yīng)變變化來(lái)丈量地應(yīng)力的。3鉆孔應(yīng)力法該法是將剛性的鉆孔變形計(jì)置于鉆孔內(nèi)，利用丈量解除前、后變形計(jì)上的壓力變化來(lái)丈量地應(yīng)力。變形計(jì)上的壓力變化與鉆孔孔徑變化有關(guān)。經(jīng)過(guò)力學(xué)分析，可以建立變形計(jì)的壓力與地應(yīng)力的解析表達(dá)式。該剛性變形計(jì)稱為鉆孔應(yīng)力計(jì)。2.1.2.2 應(yīng)力解除法常用的測(cè)試儀器地應(yīng)力的測(cè)試儀器很多，這里只引見(jiàn)幾種常用的儀器。1KX2021型空芯包體式三軸地應(yīng)變計(jì)KX2021型空芯包體式三軸地應(yīng)變計(jì)

21、是由地質(zhì)力學(xué)研討所制造的。這種應(yīng)變計(jì)是澳大利亞CSIRO應(yīng)變計(jì)的一種改良型，目前這種測(cè)試儀器在我國(guó)得到廣泛的運(yùn)用。2YG-73型和YG-81型壓磁地應(yīng)力計(jì)YG-73型和YG-81型壓磁地應(yīng)力計(jì)是由地質(zhì)力學(xué)研討所和地殼應(yīng)力研討所研制的，是對(duì)瑞典哈斯特應(yīng)力計(jì)的一個(gè)改良。這種測(cè)試儀在我國(guó)得到廣泛的運(yùn)用。3USBM鉆孔變形計(jì)該變形計(jì)是由美國(guó)礦物局研制的，是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)方法委員會(huì)建議采用的一種變形計(jì)。該變形計(jì)可安裝在孔徑為38mm的鉆孔中，可測(cè)三個(gè)方向的直徑變化，靈敏度為鉆孔直徑的十萬(wàn)分之一。該應(yīng)力計(jì)在套芯過(guò)程中可結(jié)實(shí)地固定在丈量孔中，不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。它具有良好的防水性能，并能與訊號(hào)電纜分別。經(jīng)過(guò)

22、貼有應(yīng)變計(jì)的觸頭與孔壁相接觸，量測(cè)鉆孔直徑的變化。USBM鉆孔變形計(jì)運(yùn)用電阻應(yīng)變儀進(jìn)展讀數(shù)，運(yùn)用率定安裝進(jìn)展定期率定，運(yùn)用雙向模量率定臺(tái)丈量巖芯的彈模。436-2型鋼環(huán)式鉆孔變形計(jì)該變形計(jì)是由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研討所研制的。變形計(jì)中有4個(gè)鋼環(huán)，每個(gè)鋼環(huán)上貼有應(yīng)變片，可量測(cè)互成45的四個(gè)直徑方向的直徑變化。該應(yīng)變計(jì)可安裝在36mm直徑的巖石鉆孔中。該方法需求丈量巖石的彈性模量和泊松比。5CSIR三向應(yīng)變計(jì)CSIR三向應(yīng)變計(jì)與KX2021型空芯包體三軸地應(yīng)變計(jì)的原理一樣，也是用來(lái)進(jìn)展孔壁應(yīng)變丈量的。它可在單孔中經(jīng)過(guò)一次套芯解除獲得三維地應(yīng)力形狀，所不同的只是應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造不一樣。6孔底應(yīng)變計(jì)這種

23、應(yīng)變計(jì)是李蔓于1964年提出來(lái)的。該應(yīng)變計(jì)有一個(gè)應(yīng)變花，由34個(gè)應(yīng)變片組成。運(yùn)用該應(yīng)變計(jì)需磨平孔底，將應(yīng)變計(jì)貼在孔底上，經(jīng)過(guò)套芯丈量孔底上的應(yīng)變，從而計(jì)算平面應(yīng)力。2.1.3 空芯包體式應(yīng)力解除法的根本原理空芯包體丈量方法屬應(yīng)力解除法(也稱套芯法)，是丈量地應(yīng)力絕對(duì)值的常用方法。其原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在丈量地應(yīng)力的地方先打丈量小孔，把丈量元件安裝在預(yù)定的深度位置，記錄儀器讀數(shù)，然后鉆一個(gè)與小孔同心的大孔，這一過(guò)程稱為套芯應(yīng)力解除。在應(yīng)力解除槽開(kāi)挖過(guò)程中，由于巖芯脫離了地應(yīng)力的作用而發(fā)生彈性恢復(fù)，鉆孔發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變，儀器讀數(shù)也跟著發(fā)生變化。利用鉆孔的應(yīng)變和變形，按照彈性實(shí)際推導(dǎo)出的公式，計(jì)算出地應(yīng)

24、力的大小和方向。接下來(lái)對(duì)空芯包體式應(yīng)力解除法原理進(jìn)展詳細(xì)論述。1鉆孔圍巖應(yīng)力分布公式巖體中的一點(diǎn)的原巖三維應(yīng)力場(chǎng)可由直角坐標(biāo)系中的6個(gè)分量( QUOTE )來(lái)表示，而孔壁圍巖的三維應(yīng)力場(chǎng)由柱坐標(biāo)系中的6個(gè)分量( QUOTE )來(lái)表示，兩組坐標(biāo)系的方向參見(jiàn)圖2-1。圖2-1 鉆孔位置的直角和柱坐標(biāo)系表示圖由彈性力學(xué)坐標(biāo)變換方法可知鉆孔壁附近的應(yīng)力場(chǎng)與原巖應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系為公式(2-1)(2-6)： QUOTE (2-1) QUOTE (2-2) (2-3) QUOTE (2-4) QUOTE (2-5) QUOTE (2-6)上述公式中， QUOTE 。柱坐標(biāo)系的z軸的方向和直角坐標(biāo)系的z軸相一

25、致。柱坐標(biāo)系的角從x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)為正。2孔壁應(yīng)變和原巖三維應(yīng)力分量之間的關(guān)系圖2-2 電阻應(yīng)變花的應(yīng)力形狀表示圖孔壁附近a=r，可以近似的看作平面應(yīng)力形狀，只需， QUOTE 三個(gè)應(yīng)力分量，每個(gè)電阻應(yīng)變花的4支應(yīng)變片所測(cè)的應(yīng)變值，(即) QUOTE 和它們的關(guān)系為(參見(jiàn)圖2-2)： QUOTE (2-7) QUOTE (2-8) QUOTE (2-9)式中，分別是孔壁周向、軸向和與鉆孔軸線成方向的應(yīng)變值， QUOTE 為剪切應(yīng)變值。將式(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-5)代入式(2-7)、(2-8)、(2-9)，可以得出孔壁應(yīng)變，與原巖應(yīng)力分量 QUOTE QUOTE 之間的關(guān)系

26、，即公式(2-10)(2-13)： QUOTE (2-10) QUOTE (2-11) QUOTE (2-12) QUOTE (2-13)每組應(yīng)變花的丈量結(jié)果可得到4個(gè)方程，三組應(yīng)變花共可得到12個(gè)方程，其中至少有6個(gè)獨(dú)立方程，因此可求解出原巖應(yīng)力的6個(gè)分量。3關(guān)于空芯包體式應(yīng)變計(jì)的修正由于空芯包體應(yīng)變計(jì)中，應(yīng)變片不是粘貼在孔壁上，而是與孔壁有1.5mm左右的間隔 ，因此其丈量出的應(yīng)變值和孔壁真實(shí)的應(yīng)變值之間是存在差別的。為了修正這一差別，沃羅特尼基和沃爾頓在公式(2-10)(2-12)中參與了4個(gè)修正系數(shù) QUOTE ， QUOTE 統(tǒng)稱K系數(shù)，其方式如公式(2-14)(2-16)： QUO

27、TE (2-14) QUOTE (2-15) QUOTE (2-16)2.1.4 空芯包體應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造我國(guó)常用的空芯包體應(yīng)變計(jì)是由地質(zhì)力學(xué)研討所制造的KX2021型空芯包體式三軸地應(yīng)變計(jì)。它是利用孔壁應(yīng)變解除法進(jìn)展地應(yīng)力丈量的儀器，可在單孔中經(jīng)過(guò)一次套芯解除應(yīng)變獲得三維應(yīng)力形狀。其運(yùn)用方便、安裝操作簡(jiǎn)單、本錢(qián)低、效率高。這種應(yīng)變計(jì)是澳大利亞CSIRO應(yīng)變計(jì)的一種改良型，由GWorotnichi、RJWalton(1976年)設(shè)計(jì)。應(yīng)力計(jì)由嵌入環(huán)氧樹(shù)脂筒中的12個(gè)電阻應(yīng)變片組成。將3枚應(yīng)變花(每枚應(yīng)變花有4個(gè)應(yīng)變片)沿環(huán)氧樹(shù)脂筒圓周相隔120粘貼，然后再用環(huán)氧樹(shù)脂澆注外層，使電阻應(yīng)變片嵌在筒壁內(nèi)

28、(外層厚度約為0.5mm)。在應(yīng)變計(jì)的頂部有一個(gè)補(bǔ)償應(yīng)變片(圖2-3)。圖2-3 三組應(yīng)變花的分布位置表示圖從左到右依次為：截面投影圖，A、B、C三組應(yīng)變花的粘貼關(guān)系圖，鉆孔中的坐標(biāo)關(guān)系圖KX2021型空芯包體三軸地應(yīng)變計(jì)構(gòu)造如圖2-4所示。環(huán)氧樹(shù)脂圓筒有一個(gè)內(nèi)腔，用來(lái)裝粘結(jié)劑，另有一個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂柱塞。運(yùn)用時(shí)，將圓筒內(nèi)腔裝滿粘結(jié)劑，讓柱塞插入內(nèi)腔約1.5cm深處，用固定銷將其固定。柱塞的另一端有一導(dǎo)向定位頭，以便將應(yīng)變計(jì)順利地安裝在小孔中所需求的位置上。將應(yīng)變計(jì)送入鉆孔中預(yù)定位置后，用力推進(jìn)安裝桿，可使固定銷切斷，繼續(xù)推進(jìn)可使粘結(jié)劑經(jīng)柱塞小孔流出，進(jìn)入應(yīng)變計(jì)和小孔壁之間的間隙里，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，

29、粘結(jié)劑固化后，即可進(jìn)展套芯解除。圖2-4 KX2021型空芯包體三軸地應(yīng)變計(jì)構(gòu)造表示圖應(yīng)變計(jì)的外徑為35.5mm，任務(wù)長(zhǎng)度175mm，可安裝在直徑為3638mm的小鉆孔中，應(yīng)變計(jì)具有良好的絕緣防水性能。2.1.5 SDX定向儀采用SDX程度定向儀確定程度或傾斜鉆孔中地應(yīng)力計(jì)應(yīng)變片的方向。它由顯示器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。顯示器由三位半袖珍式數(shù)字萬(wàn)用表改裝而成，它的作用是供應(yīng)轉(zhuǎn)換器一個(gè)恒壓電源和顯示丈量讀數(shù)。轉(zhuǎn)換器由圓形的高精度線性快速電位器、重錘、外殼、安裝卡頭組成。電位器固定在外殼上，重錘固定在電位器旋轉(zhuǎn)軸上，使重錘與滑動(dòng)臂相對(duì)固定不變，由于重力作用，重錘永遠(yuǎn)指向重力方向，所以滑動(dòng)臂的指向也固定

30、不變。當(dāng)電位器電阻膜片隨著外殼旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑動(dòng)臂與電阻膜片上的參考點(diǎn)之間的夾角將發(fā)生變化。測(cè)出電壓的變化即可算出探頭的安裝角度。2.1.6 礦山壓力監(jiān)測(cè)分站目前空芯包體地應(yīng)力丈量中運(yùn)用的KJF327-F礦山壓力監(jiān)測(cè)分站由原煤炭科學(xué)研討總院北京開(kāi)采所(現(xiàn)煤炭科學(xué)研討總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研討分院)研制。特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、靈敏系數(shù)調(diào)理范圍寬、電阻平衡范圍寬、量程寬、分辨率高、精度高。儀器按平安型電路設(shè)計(jì)，密封便攜，可運(yùn)用于野外及煤礦井下，是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展鉆孔應(yīng)力解除中可靠的丈量工具。圖2-5為KX2021型空芯包體應(yīng)變計(jì)和KJF327-F礦山壓力監(jiān)測(cè)分站。圖2-5 KX2021應(yīng)變計(jì)及KJF327-F礦山壓力監(jiān)測(cè)分站2

31、.1.7 傳感器圍壓率定機(jī)傳感器圍壓率定機(jī)的作用是求算巖石的彈性模量和泊松比。為了求算巖石的彈性模量和泊松比進(jìn)展率定，做出率定曲線。率定機(jī)主要由圍壓器和油泵組成，設(shè)備如圖2-6，原理構(gòu)造如圖2-7。圖2-6 圍壓率定設(shè)備圖 圖2-7 圍壓率定設(shè)備構(gòu)造圖在應(yīng)力解除之后，將帶有元件的巖芯進(jìn)展密封處置，之后放入率定機(jī)中進(jìn)展率定。巖芯中的水份散失很小，可以以為巖芯的力學(xué)性量變化不大。丈量時(shí)，取出帶有空芯包體探頭的巖芯，運(yùn)用圍壓率定機(jī)進(jìn)展率定，將套芯之后所取出的帶有元件的巖芯放入元件率定機(jī)中，用油泵將油打入圍壓器中，給巖芯施加均勻圍壓到預(yù)定值，然后退壓，同時(shí)進(jìn)展儀器讀數(shù)，就可以畫(huà)出率定曲線。在計(jì)算主應(yīng)力

32、時(shí)，需求巖石彈性模量E和泊松比這兩個(gè)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力丈量時(shí)是經(jīng)過(guò)圍壓率定機(jī)來(lái)丈量的。同時(shí)圍壓率定機(jī)還要檢測(cè)應(yīng)力計(jì)可靠性。假設(shè)時(shí)間允許，也可將獲得的巖芯拿到實(shí)驗(yàn)室用實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，這樣結(jié)果會(huì)更可靠。2.1.8 地應(yīng)力丈量任務(wù)流程1鉆進(jìn)丈量孔：施工流程如圖2-8所示。圖2-8 施工流程圖在選定測(cè)點(diǎn)先鉆不斷徑130mm的鉆孔達(dá)預(yù)定深度，(選定地點(diǎn)要避開(kāi)巷道周?chē)鷳?yīng)力集中區(qū)，對(duì)于程度孔，鉆孔要上傾58，便于水和巖粉順利排出)；用一樣口徑的尖鉆頭打一個(gè)導(dǎo)向用的喇叭口，深度約68cm(假設(shè)孔較淺，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育時(shí)，普通尖孔打5cm左右，以使開(kāi)鉆解除時(shí)不致于因起始巖芯壁薄破碎掉塊，而卡斷巖芯，導(dǎo)致解除失敗

33、。)。然后鉆一個(gè)孔徑為36mm的丈量小孔。打丈量孔應(yīng)該要求孔壁圓滑，孔徑一致；小孔深度為3540cm，小孔鉆進(jìn)過(guò)程中，加壓必需均勻，并保證足夠的水量，以使巖粉排出；要根據(jù)空芯包體外徑和巖性情況，挑選適宜外徑的小孔鉆頭；打丈量小孔過(guò)程中，最好不要中途停鉆，堅(jiān)持均勻速度鉆進(jìn)，直至所需深度，以保證元件安裝部位孔徑一致，孔壁光滑。丈量小孔打成后，用清水將孔內(nèi)沖洗干凈。2定向：將SDX程度定向儀安裝在安裝桿的前部，引出導(dǎo)線。定向儀的前部那么用于安裝空芯包體應(yīng)變計(jì)。3應(yīng)變計(jì)的安裝：清洗和擦凈鉆孔后，預(yù)備安裝應(yīng)變計(jì)。將空芯包體應(yīng)變計(jì)按規(guī)定方向安裝于定向儀的前部，引出丈量導(dǎo)線，調(diào)整好定向插頭，先將A、B兩種膠

34、結(jié)劑按比例倒入應(yīng)變計(jì)空腔內(nèi)，固定好柱塞，用帶有定向儀的安裝桿小心地將應(yīng)變計(jì)送到小孔內(nèi)，用力將柱塞推入應(yīng)變計(jì)空腔內(nèi)，將膠結(jié)劑擠入應(yīng)變計(jì)與小孔之間的縫隙中，此時(shí)應(yīng)變計(jì)安裝終了。這時(shí)要留意，不要讓導(dǎo)線纏繞在鉆桿上，并按要求施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，安裝完應(yīng)變計(jì)后將定向儀讀數(shù)記錄下來(lái)。4解除前的預(yù)備任務(wù)：經(jīng)24小時(shí)固化，在丈量應(yīng)變計(jì)安裝角度之后，取出定向儀，解除前將導(dǎo)線從鉆頭、巖芯管、鉆桿穿過(guò)，最后從旋轉(zhuǎn)水接頭(鉆桿的水接頭)處引出，與儀器相銜接，以便用儀器監(jiān)測(cè)各元件在解除過(guò)程中讀數(shù)變化情況，這時(shí)可以開(kāi)場(chǎng)沖水實(shí)驗(yàn)，水溫應(yīng)與環(huán)境溫度一致，在沖水過(guò)程中，儀器讀數(shù)稍有變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，儀器讀數(shù)就穩(wěn)定下來(lái)，此時(shí)可

35、以開(kāi)鉆解除。5解除過(guò)程：用直徑130mm的套芯鉆頭在原鉆孔內(nèi)延深鉆進(jìn)，即是與小孔同心鉆取巖芯，這一過(guò)程稱為開(kāi)挖應(yīng)力解除槽，隨著應(yīng)力解除槽的加深，巖芯逐漸脫離周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)作用，于是巖芯發(fā)生彈性恢復(fù)，安裝于小孔中應(yīng)變計(jì)上的荷載隨之變化，因此，儀器讀數(shù)也發(fā)生變化。應(yīng)力解除槽逐漸加深，在應(yīng)力解除過(guò)程中要跟蹤丈量，當(dāng)套芯進(jìn)尺超越應(yīng)變計(jì)安裝位置時(shí)，且各應(yīng)變片讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，停頓鉆進(jìn)取出巖芯。為了取芯順利，通常多鉆進(jìn)幾厘米，閱歷闡明，空芯包體應(yīng)變計(jì)的解除深度應(yīng)大于40cm?，F(xiàn)場(chǎng)獲得的應(yīng)力接觸后的巖芯如圖2-9所示。圖2-9 應(yīng)力解除后的巖芯2.2 硫磺溝煤礦地應(yīng)力丈量方案2.2.1 丈量地點(diǎn)的選取原那么地應(yīng)力

36、丈量地點(diǎn)及設(shè)備的選擇要滿足以下要求：1丈量礦井原始地應(yīng)力就是確定未受開(kāi)采擾動(dòng)的三維應(yīng)力形狀，這種丈量是經(jīng)過(guò)逐點(diǎn)丈量來(lái)完成的。由于地應(yīng)力形狀的復(fù)雜性和多變性，要比較準(zhǔn)確的反映整個(gè)礦井區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力分布情況，就必需在開(kāi)采區(qū)進(jìn)展一定數(shù)量的“點(diǎn)丈量，通常不少于兩個(gè)點(diǎn)。普通情況下，測(cè)點(diǎn)布置在不同采區(qū)、不同程度內(nèi)。2丈量地點(diǎn)的地應(yīng)力值應(yīng)能確切反映該區(qū)域巖體應(yīng)力的普通程度，而地質(zhì)構(gòu)造往往是地應(yīng)力集中的區(qū)域，特別是構(gòu)造較復(fù)雜的階段。同時(shí)由于人工采掘活動(dòng)產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力，也會(huì)對(duì)原巖應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)。因此選擇的地點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶，且無(wú)采動(dòng)影響。盡量將測(cè)點(diǎn)位置選在穩(wěn)定巖層中，假設(shè)需求穿層打孔，要保證在這個(gè)范

37、圍內(nèi)巖石符合要求。3丈量中運(yùn)用空芯包體應(yīng)變計(jì)，丈量地點(diǎn)要盡量選在層厚適宜的穩(wěn)定巖層中，巖石越致密、鞏固、所含有的裂隙越少，丈量的準(zhǔn)確率越高。假設(shè)沒(méi)有條件完全適宜的巖層，首先思索的是巖石的硬度和水解性，以鞏固、遇水不溶解不膨脹的巖石為好，裂隙的發(fā)育程度可以作為次要要素思索。4空芯包體應(yīng)力解除法必需運(yùn)用全液壓坑道鉆機(jī)(如圖2-10所示)，為了可以擺放鉆機(jī)且保證鉆孔任務(wù)的正常進(jìn)展，所選巷道的寬度至少要4.5m。圖2-10 地應(yīng)力測(cè)試用全液壓坑道鉆機(jī)5由于巷道周?chē)鷰r體中的應(yīng)力在掘進(jìn)期間已遭到擾動(dòng)，在引起鉆孔應(yīng)力解除法丈量時(shí)，安裝空芯包體的小孔必需位于此影響范圍以外。根據(jù)巖石力學(xué)分析，巷道側(cè)向應(yīng)力影響范

38、圍普通為巷道寬度的2倍以上，鉆孔深度通常在1012m之間。6選擇丈量地點(diǎn)時(shí)還必需留意防止地應(yīng)力丈量期間與巷道施工或其他消費(fèi)工序的相互影響，同時(shí)選擇接水、電方便的地點(diǎn)。打鉆運(yùn)用的是金剛石鉆頭，鉆孔過(guò)程中需求大量的水用來(lái)光滑，因此要保證丈量地點(diǎn)具備較高的水壓。2.2.2 地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選取硫磺溝煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖2-11所示，測(cè)點(diǎn)情況如表2-1所示。圖2-11 硫磺溝煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置表2-1 硫磺溝煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)根本情況測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)位置巷道寬度(m)地面標(biāo)高(m)井下標(biāo)高(m)深 度(m)巖性1(4-5)04軌道順槽甩車(chē)場(chǎng)導(dǎo)線點(diǎn)拐2前2.2m4.8+1123+777.1345.9細(xì)砂巖2(4-5

39、)04皮帶順槽導(dǎo)線點(diǎn)P25前54m4.95+1201+719.1481.93集中回風(fēng)上山至+668m水倉(cāng)開(kāi)口向里6.5m4.5+1113.3+665.1448.22.3 硫磺溝煤礦地應(yīng)力丈量結(jié)果及分析2.3.1 根底數(shù)據(jù)丈量根底數(shù)據(jù)丈量主要包括應(yīng)力解除過(guò)程中空芯包體周?chē)?2枚應(yīng)變片的應(yīng)變量監(jiān)測(cè)及鉆取巖芯的圍壓率定。應(yīng)力解除的目的是獲得測(cè)點(diǎn)巖芯在解除應(yīng)力作用后恢復(fù)的應(yīng)變，并以此為根底計(jì)算該點(diǎn)的應(yīng)力大小和方向。圍壓率定是為了獲取巖芯在圍壓條件下各方向的彈性模量和泊松比。從2021年2月25日開(kāi)場(chǎng)進(jìn)展地應(yīng)力丈量的預(yù)備任務(wù)，到3月14日完成地應(yīng)力丈量任務(wù)。應(yīng)力解除過(guò)程中，取芯鉆桿每前進(jìn)2cm采集一次，

40、每孔采集2025次。從應(yīng)變變化曲線判別各個(gè)應(yīng)變片(每個(gè)通道代表一個(gè)應(yīng)變片)的任務(wù)情況。假設(shè)應(yīng)變片任務(wù)正常，最終各條曲線都將趨于平穩(wěn)，這個(gè)穩(wěn)定值即作為計(jì)算地應(yīng)力的數(shù)據(jù)。裝有包體的巖芯取出后，運(yùn)用圍壓率定儀將其率定，以計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)巖芯的彈性模量及泊松比。以3#測(cè)點(diǎn)為例，率定曲線如圖2-12所示。各測(cè)點(diǎn)的率定結(jié)果如表2-2。圖2-12 3#測(cè)點(diǎn)巖芯圍壓率定曲線表2-2 巖芯圍壓率定結(jié)果編號(hào)彈模/MPa泊松比1#測(cè)點(diǎn)巖芯170000.22#測(cè)點(diǎn)巖芯190000.193#測(cè)點(diǎn)巖芯195000.192.3.2 地應(yīng)力丈量計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)展整理和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，采用KX2021型空芯包體應(yīng)力計(jì)算

41、程序?qū)α蚧菧厦旱V地應(yīng)力進(jìn)展計(jì)算，地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)信息詳見(jiàn)表2-3，各應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-4，各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果匯總，如表2-5所示。表2-3 硫磺溝煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的鉆孔信息測(cè)點(diǎn)編號(hào)孔深/m方位角/仰角/安裝角/丈量日期計(jì)算日期112.8331502021-2-282021-3-12123251002021-3-62021-3-7310328502021-3-132021-3-14 (注：安裝角是包體完成安裝后，以垂直向上為起點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到0應(yīng)變花的角度，即圖2-1中的角。)表2-4 硫磺溝煤礦各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分量測(cè)點(diǎn)編號(hào)應(yīng)力分量量值/MPa應(yīng)力分量量值/MPa16.843.051.592.169.

42、115.429.534.252.223.0112.696.938.650.699.16-9.4611.260.24注：表中為x方向程度應(yīng)力；為y方向程度應(yīng)力；為垂直方向正應(yīng)力；，分別為xy，yz，xz平面的剪應(yīng)力。表2-5 硫磺溝煤礦主應(yīng)力丈量計(jì)算結(jié)果測(cè)點(diǎn)編號(hào)主應(yīng)力類別主應(yīng)力值/MPa方位角/傾角/18.2068.1-9.89.6919373.34.70155.813.4212.60 90.63.013.50 25785.49.02 181.1-7.339.6434.5-2.111.28100.284.98.14124.7-4.72.3.3 地應(yīng)力場(chǎng)特征分析對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的初步分析得：硫磺溝煤礦+

43、777+665m程度內(nèi)，最大程度主應(yīng)力與最小程度主應(yīng)力的比值介于1.181.74之間，在量值上相差較大，這使得程度應(yīng)力的影響具有明顯的方向性。并且垂直主應(yīng)力量值上約為最大程度主應(yīng)力的1.071.18倍，應(yīng)力場(chǎng)特征為，硫磺溝煤礦地應(yīng)力場(chǎng)目前以垂直應(yīng)力為主。按公式(4)計(jì)算該礦原巖應(yīng)力實(shí)際值： (2-17)其中：為上覆巖層的容重。通常，H為深度。由表2-6可知，垂直方向主應(yīng)力略大于單位面積上覆巖層的分量，相差在26%，實(shí)際與實(shí)踐吻合較好。差別的存在與該區(qū)地層的傾向及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。表2-6 硫磺溝煤礦垂直應(yīng)力實(shí)際值測(cè)點(diǎn)編號(hào)鉆孔深度/m垂直應(yīng)力實(shí)際值/MPa垂直應(yīng)力實(shí)測(cè)值/MPa1345.98.649

44、.112481.912.0412.693448.211.2111.26圖2-13為地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)程度主應(yīng)力方向表示圖。圖2-13 各測(cè)點(diǎn)程度主應(yīng)力方向經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果進(jìn)一步分析，可得到如下規(guī)律：1地應(yīng)力場(chǎng)類型硫磺溝煤礦+777+665m程度內(nèi)，最大程度主應(yīng)力與最小程度主應(yīng)力的比值介于1.181.74之間，在量值上相差較大，這使得程度應(yīng)力對(duì)巷道頂、底板的影響表現(xiàn)出較明顯的方向性。垂直主應(yīng)力量值上約為最大程度主應(yīng)力的1.071.18倍，應(yīng)力場(chǎng)特征為，闡明硫磺溝煤礦地應(yīng)力場(chǎng)目前仍以垂直應(yīng)力為主。2程度主應(yīng)力方向的分布特征每個(gè)測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)主應(yīng)力方向接近程度方向，其傾角在13之間；每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力均接

45、近垂直方向，與垂直方向偏角小于20。測(cè)點(diǎn)最大程度主應(yīng)力方位角集中在34.590.6之間，與硫磺溝煤礦多數(shù)任務(wù)面順槽軸向夾角均小于35，與集中回風(fēng)上山、主暗斜井、副暗斜井的夾角大于51，因此程度主應(yīng)力對(duì)回風(fēng)上山、主暗斜井、副暗斜井等上山巷道的影響較大。由“最大主應(yīng)力原理可知，當(dāng)這些巷道向深部掘進(jìn)時(shí)，受最大程度主應(yīng)力的影響最大，對(duì)巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定最為不利。3地應(yīng)力量級(jí)根據(jù)康紅普等對(duì)煤礦地應(yīng)力研討成果：最大主應(yīng)力屬于010MPa為低應(yīng)力區(qū)；1018MPa為中等應(yīng)力區(qū)；1830MPa為高應(yīng)力區(qū)；大于30MPa為超高應(yīng)力區(qū)。硫磺溝煤礦+777+665程度最大主應(yīng)力在9.6913.5MPa之間，屬于中低應(yīng)

46、力區(qū)。4主應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律硫磺溝煤礦主應(yīng)力值隨埋深的變化曲線如圖2-14所示。由最小二乘法進(jìn)展回歸分析，得到主應(yīng)力的回歸方程如下，經(jīng)過(guò)方程(2-18)、(2-19)、(2-20)可以估算+600m程度以上區(qū)域的地應(yīng)力值，其中x表示深度，y為對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力值。a垂直主應(yīng)力： (2-18)b最大程度主應(yīng)力： (2-19)c最小程度主應(yīng)力： (2-20)圖2-14 主應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律由回歸方程可以得出，礦區(qū)的垂直主應(yīng)力、最大程度主應(yīng)力，最小程度主應(yīng)力的大小均隨測(cè)點(diǎn)深度的添加而線性添加，如圖2-14。雖然2#測(cè)點(diǎn)位于+719m程度，3#測(cè)點(diǎn)位于+668m程度，從空間上看3#測(cè)點(diǎn)位于2#測(cè)點(diǎn)的下部

47、，但是遭到地表起伏變化的影響，2#測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力值反而大于3#測(cè)點(diǎn)。因此，調(diào)查硫磺溝煤礦井下地應(yīng)力值，只根據(jù)井下標(biāo)高是不夠的，要綜合井上、下標(biāo)高計(jì)算測(cè)點(diǎn)的埋深，從而獲得地應(yīng)力值。5側(cè)壓系數(shù)隨深度的變化規(guī)律側(cè)壓系數(shù)是描畫(huà)地應(yīng)力場(chǎng)的物理量之一，指的是程度主應(yīng)力的平均值和垂直主應(yīng)力的比值，公式如下： 2-21其中，表示側(cè)壓系數(shù)。硫磺溝煤礦+777+665m程度的側(cè)壓系數(shù)為0.670.8，如圖2-15。由回歸分析得，側(cè)壓系數(shù)隨著深度的增大逐漸添加，闡明程度主應(yīng)力的影響在逐漸增大。圖2-15 側(cè)壓系數(shù)隨深度的變化規(guī)律需求闡明的是，由于丈量方法、實(shí)測(cè)過(guò)程和計(jì)算程序等方面的緣由，實(shí)測(cè)獲得的地應(yīng)力值及其方位或與

48、實(shí)踐有所偏向，但這種偏向?qū)χ鲬?yīng)力的分布規(guī)律和變化趨勢(shì)來(lái)說(shuō)是允許的。2.4 測(cè)試結(jié)論1硫磺溝煤礦+777+665m程度的地應(yīng)力場(chǎng)目前仍以垂直應(yīng)力為主，屬于垂直應(yīng)力場(chǎng)類型；但最大程度主應(yīng)力已跟垂直應(yīng)力接近，程度主應(yīng)力的影響隨深度添加而逐漸增大。2硫磺溝煤礦+777+665m程度屬于中低地應(yīng)力區(qū)，程度、垂直主應(yīng)力值隨著埋深的添加而增大。3由最小二乘法進(jìn)展回歸分析，得到主應(yīng)力的回歸方程。經(jīng)過(guò)回歸方程可以估算+600m程度以上區(qū)域的主應(yīng)力值。4硫磺溝煤礦最大程度主應(yīng)力方位角集中在34.590.6之間，與任務(wù)面順槽軸向夾角均小于35，與集中回風(fēng)上山、主暗斜井、副暗斜井的軸向夾角大于51，因此回風(fēng)上山、主暗

49、斜井、副暗斜井易受最大程度主應(yīng)力的影響，巷道變形較大。當(dāng)這些巷道向深部掘進(jìn)時(shí)，受最大程度主應(yīng)力的影響會(huì)更大。3 4-504任務(wù)面掘進(jìn)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)3.1 巷道側(cè)向地質(zhì)構(gòu)造反射共偏移探測(cè)3.1.1 根本原理及探測(cè)設(shè)備3.1.1.1 單點(diǎn)探測(cè)原理單點(diǎn)探測(cè)是利用聲波在波阻抗不同的介質(zhì)界面反射原理來(lái)探測(cè)介質(zhì)中聲波的傳播速度和介質(zhì)厚度的。該探測(cè)技術(shù)是源于反射地震波勘探中的自激自收方式圖3-1，故現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)要求檢波器和震源盡量的接近，但不要接觸震源，即反射波中偏移距為零的垂直反射方式。它是經(jīng)過(guò)接納巖、煤層界面的地震波垂直反射信號(hào)，來(lái)解析計(jì)算目的層間隔 或厚度的。反射波時(shí)距曲線方程： 3-1令，那么。式中時(shí)間

50、可由波形記錄上判讀，波速須是一知數(shù)，其取值準(zhǔn)確與否，直接影響到目的層間隔 或厚度探測(cè)的精度。反之，假設(shè)知目的層間隔 或厚度，就可以解析煤巖層的速度。普通來(lái)說(shuō)，在一定的探測(cè)區(qū)域內(nèi)，巖、煤層的垂向波速都較穩(wěn)定，探測(cè)時(shí)可作波速調(diào)查，弄清各層波速分布情況，為探測(cè)解析提供根據(jù)。圖3-1 單道觀測(cè)系統(tǒng)波路圖3.1.1.2 反射共偏移探測(cè)原理反射共偏移探測(cè)技術(shù)是根據(jù)反射波勘探原理，在單邊陳列分析根底上選定最正確偏移距，采用多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)展數(shù)據(jù)采集。如圖3-2所示，根據(jù)巷道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了單邊激發(fā)、多道接納的觀測(cè)系統(tǒng)。用錘擊激發(fā)產(chǎn)生地震波，構(gòu)成震源，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趲r石中以球面波方式傳播遇到巖石物性界面(即波阻抗明

51、顯差別界面，如斷層、采空區(qū)、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射回來(lái)的地震信號(hào)被一端的檢波器Ri接納構(gòu)成地震記錄?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)在最正確窗口內(nèi)選擇一個(gè)公共偏移距，采用小步長(zhǎng)，堅(jiān)持激發(fā)點(diǎn)和和接納點(diǎn)位置不變，同步挪動(dòng)震源和檢波器。每激發(fā)一次接納一組波形，最后得到一張多道地震記錄。對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)運(yùn)用濾波、道間平衡、疊加和偏移等技術(shù)進(jìn)展深度處置，處置后得到一張偏移地震剖面，從中識(shí)別反射波同相軸。工程中經(jīng)過(guò)分析反射波同相軸位置及特征，并結(jié)合探區(qū)周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)環(huán)境來(lái)對(duì)斷層、陷落柱、巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀進(jìn)展探測(cè)。這種方法施工簡(jiǎn)便易行，適用于

52、礦井煤巖巷道或任務(wù)面構(gòu)造及異常地質(zhì)體的調(diào)查。圖3- SEQ 圖4- * ARABIC 1 共偏移多次覆蓋表示圖3.1.1.3 探測(cè)設(shè)備KDZ1114-6A30 礦井地質(zhì)探測(cè)儀是新一代的便攜式多功能的智能礦井地質(zhì)探測(cè)儀器，主要用于處理井下采掘任務(wù)面前方及周?chē)刺矫鞯牟涣嫉刭|(zhì)構(gòu)造斷層、陷落柱等和影響范圍及巷道余煤巖厚度等的預(yù)測(cè)預(yù)告，為礦井工程、隧道工程施工提供技術(shù)保證。儀器主機(jī)采用當(dāng)前非常先進(jìn)并且成熟的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、片上系統(tǒng)SOC技術(shù)、圖形用戶界面技術(shù)GUI、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)以及各種高分辨率淺層地震勘探方法與技術(shù)等。本次反射共偏移探測(cè)采用KDZ1114-6A30型便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀和TZBS系列

53、主頻為100Hz傳感器進(jìn)展數(shù)據(jù)采集。探測(cè)任務(wù)主要運(yùn)用的儀器設(shè)備有：KDZ1114-6A30型礦井地質(zhì)探測(cè)儀一臺(tái)及附屬配置線；HDQS系列(主頻為100Hz)高阻尼傳感器3組； = 3 * GB3 啟動(dòng)芯片假設(shè)干；采集系統(tǒng)主要硬件技術(shù)參數(shù)：通道數(shù)：3道；A/D轉(zhuǎn)換：24位；觸發(fā)方式：外觸發(fā)；采樣間隔：160s；采樣頻帶：2500Hz低通；固定增益：2448dB；采樣長(zhǎng)度：2048點(diǎn)。3.1.2 探測(cè)方案設(shè)計(jì)4-504任務(wù)面為硫磺溝煤礦4-502任務(wù)面的接續(xù)任務(wù)面，走向長(zhǎng)度2750m，任務(wù)面長(zhǎng)度180m。位于礦井西翼，布置在4-5煤層中，4-502任務(wù)面北部，與4-502任務(wù)面皮帶順槽程度間隔 3

54、6.8m，開(kāi)切眼距礦區(qū)邊境150m。目前正在進(jìn)展4-504任務(wù)面皮帶順槽掘進(jìn)。1單點(diǎn)探測(cè)方案設(shè)計(jì)此方案的目的是為了測(cè)試出該任務(wù)面煤層的速度，為后面的反射共偏移探測(cè)提供適宜的偏移速度。測(cè)試點(diǎn)位于4-504軌道順槽上幫以掘進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)結(jié)實(shí)且完好區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)采用錘擊震源，三個(gè)檢波器均勻分布在以錘擊點(diǎn)為中心0.51m為半徑的圓上，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用與儀器配套的100Hz的HDQS-100動(dòng)圈振動(dòng)速度檢波器。放置檢波器時(shí)，檢波器的指向要和煤層的傾角盡量堅(jiān)持一致，觀測(cè)系統(tǒng)如圖3-3所示。圖3-3 4-504軌道順槽上幫單點(diǎn)速度測(cè)試觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2反射共偏移探測(cè)方案設(shè)計(jì)4-504皮帶順槽掘至距聯(lián)絡(luò)巷600m位

55、置時(shí)，掘進(jìn)范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)比較明顯，推測(cè)掘進(jìn)范圍內(nèi)能夠有不良構(gòu)造的影響。探測(cè)期間，巷道迎頭后方1525m范圍內(nèi)頂煤及兩幫較為破碎，錨網(wǎng)變形嚴(yán)重。為探明掘進(jìn)范圍內(nèi)能夠遇到伴生斷層或其它地質(zhì)異常的賦存情況，決議在4-504皮帶順槽開(kāi)展反射共偏移探測(cè)。本次探測(cè)在間隔 4-504皮帶順槽有限空間內(nèi)展開(kāi)，采用錘擊震源。為探測(cè)距皮帶巷左、右?guī)?0m處斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，設(shè)計(jì)如圖3-4探測(cè)范圍。圖3-4 4-504皮帶順槽側(cè)向反射共偏移探測(cè)位置表示圖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置時(shí)，為了獲得不同偏移距的波形數(shù)據(jù)，采用單邊激發(fā)、三道接納的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一錘三道沿著平行底板齊腰位置組成一個(gè)直線陳列，每激發(fā)1錘，陳列向右挪動(dòng)1個(gè)步長(zhǎng)

56、?？偣苍O(shè)計(jì)激發(fā)25錘，探測(cè)范圍52m，設(shè)計(jì)錘擊步長(zhǎng)2m，單分量檢波器R1、R2和R3布置在錘擊激發(fā)點(diǎn)右側(cè)，偏移距4m，道間距2m。運(yùn)用設(shè)備配套的公用銅錘(可用礦上提供的大鐵錘)作為激發(fā)震源。觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3-5所示。按照施工設(shè)計(jì)，左、右?guī)透髯鲆淮?。圖3-5 4-504皮帶順槽側(cè)向反射共偏移觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3.1.3 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量3.1.3.1 上幫數(shù)據(jù)質(zhì)量本次數(shù)據(jù)采集每道采樣點(diǎn)數(shù)1024，采樣間隔0.096ms，系統(tǒng)延時(shí)0ms，每道采樣時(shí)間98.21ms，系統(tǒng)增益均為24dB。每次激發(fā)有3道同時(shí)接納，實(shí)踐激發(fā)25錘，有效25錘，共采集75道有效數(shù)據(jù)。覆蓋次數(shù)n=1.5，滿足后期數(shù)據(jù)處置要

57、求。經(jīng)過(guò)抽道處置，將全部數(shù)據(jù)按不同偏移距進(jìn)展抽道集，圖3-6為偏移距分別為4m時(shí)即每一個(gè)陳列中第1道的波形數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的頻譜分析結(jié)果，圖中各種反射波組特征明顯，反射相位明晰，為解釋和判別提供根據(jù)。波形數(shù)據(jù)頻譜分析圖3-6 檢波器R1接納波形及其頻譜分析3.1.3.2 下幫數(shù)據(jù)質(zhì)量本次數(shù)據(jù)采集每道采樣點(diǎn)數(shù)1024，采樣間隔0.096ms，系統(tǒng)延時(shí)0ms，每道采樣時(shí)間98.21ms，系統(tǒng)增益均為24dB。每次激發(fā)有3道同時(shí)接納，實(shí)踐激發(fā)25錘，有效25錘，共采集75道有效數(shù)據(jù)。覆蓋次數(shù)n=1.5，滿足后期數(shù)據(jù)處置要求。經(jīng)過(guò)抽道處置，將全部數(shù)據(jù)按不同偏移距進(jìn)展抽道集，圖3-7為偏移距分別為4m時(shí)即每一

58、個(gè)陳列中第1道的波形數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的頻譜分析結(jié)果，圖中各種反射波組特征明顯，反射相位明晰，為解釋和判別提供根據(jù)。 波形數(shù)據(jù)頻譜分析圖3-7 檢波器R1接納波形及其頻譜分析3.1.4 數(shù)據(jù)處置3.1.4.1 單點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)處置4-504軌道順槽與4-502任務(wù)面剩余回采部分的皮帶順槽中間是一寬度為40m的煤柱，即該單點(diǎn)探測(cè)介質(zhì)厚度為40m。對(duì)采集的單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)展波形挪動(dòng)、一維濾波等預(yù)處置后，選擇一道接納效果良好的波形進(jìn)展速度測(cè)試。根據(jù)地震波信號(hào)變化選擇異常界面4-504軌道順槽下幫與空氣組成的強(qiáng)波阻抗界面測(cè)得速度為v=2.82m/ms，計(jì)算方法如圖3-8所示。由于探測(cè)煤層有約19的傾角，反射波途徑主要經(jīng)

59、過(guò)煤層與底板界面?zhèn)鞑?，因此以為測(cè)得的速度為該探測(cè)區(qū)的綜合速度。而由于本次發(fā)射共偏移重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域與煤柱寬度相當(dāng)且又有一定的傾角，假設(shè)該范圍內(nèi)存在波阻抗界面，其反射波傳播途徑與煤柱內(nèi)震波傳播途徑類似，因此，兩者速度可近似替代。圖3-8 皮帶巷單點(diǎn)速度測(cè)試結(jié)果圖3.1.4.2 反射共偏移探測(cè)數(shù)據(jù)處置1上幫數(shù)據(jù)處置將現(xiàn)場(chǎng)采集到的物探數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處置方能轉(zhuǎn)化為可利用的物性圖件，震波探測(cè)數(shù)據(jù)主要在KDZ3.0軟件平臺(tái)上進(jìn)展，反射共偏移探測(cè)后處置主要有如下處置流程：記錄解編文件上傳、道參修正，預(yù)處置頻譜分析、帶通濾波、振幅調(diào)整，中心處置疊前深度偏移和偏移剖面成果顯示。疊前時(shí)間偏移為反射共偏移技術(shù)后處置的中心部分

60、，該技術(shù)的作用是在給定速度模型的條件下，將傾斜反射界面的反射波，斷層面上的斷面波，彎曲界面上的回轉(zhuǎn)波等歸位，得到反射界面的真實(shí)位置和構(gòu)造形狀，以及明晰可辨的斷點(diǎn)和尖滅點(diǎn)。單點(diǎn)探測(cè)測(cè)試出的速度v=2.82m/ms，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件分析該任務(wù)面的煤層速度根本一致，因此可以運(yùn)用該知點(diǎn)反演的速度計(jì)算其它異常位置的間隔 。對(duì)含有不同炮間距的數(shù)據(jù)按偏移距4m、6m和8m進(jìn)展抽道，一樣偏移距地震道抽到一同分別進(jìn)展反射共偏移處置，最終選擇偏移距為4m的數(shù)據(jù)偏移后作為成果圖。2下幫數(shù)據(jù)處置下幫數(shù)據(jù)處置方法和流程同上幫數(shù)據(jù)處置。3.1.5 探測(cè)成果解釋在地震時(shí)間剖面或深度剖面上反射層位表現(xiàn)為同相軸的方式，所以在