深部煤礦地應(yīng)力場(chǎng)分布及影響因素分析

深部煤礦地應(yīng)力場(chǎng)分布及影響因素分析

0深部開采的地應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力目前，中國(guó)有30多座礦山開采深度為1000米，最大開采深度為1500米，每年延長(zhǎng)8.12米。我國(guó)東部煤礦的淺部煤炭資源已逐漸枯竭,為了實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,深部開采已成為煤炭工業(yè)必須解決的重大課題。地下煤炭資源開采以前煤巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)行采掘活動(dòng)后,破壞了煤巖體原始的應(yīng)力平衡狀態(tài),產(chǎn)生了應(yīng)力集中、應(yīng)力轉(zhuǎn)移等應(yīng)力變化,在采掘空間周圍形成采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)。正是煤巖體中的應(yīng)力變化引起了圍巖變形、巖層運(yùn)動(dòng)、巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞,進(jìn)而導(dǎo)致各種災(zāi)害的發(fā)生。因此,地應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力是煤炭開采巖層災(zāi)害的根本驅(qū)動(dòng)力。深部煤炭開采的最大特點(diǎn)是煤炭資源開采前煤巖體處于高原巖應(yīng)力狀態(tài),而進(jìn)行采掘活動(dòng)后,裸露采掘空間表面垂直方向的應(yīng)力迅速降到大氣壓,煤巖體中的瓦斯壓力、水壓力也是如此。這種變化引起了圍巖應(yīng)力、瓦斯與水壓力的調(diào)整,出現(xiàn)很高的集中應(yīng)力,在圍巖中形成很大的應(yīng)力梯度。圍巖應(yīng)力分布不是一成不變的,而是隨著采掘活動(dòng)的進(jìn)行不斷變化。當(dāng)煤巖體不能承受這種應(yīng)力變化時(shí),就會(huì)出現(xiàn)各種災(zāi)害,包括頂板垮落、沖擊地壓、煤巖與瓦斯突出、煤礦突水、巷道圍巖大變形等,對(duì)深部煤礦的安全、高效開采帶來(lái)巨大威脅。為了解深部煤礦地應(yīng)力分布規(guī)律,很多煤礦進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量。新汶、開灤、徐州及淮南等礦區(qū)采用空心包體應(yīng)力解除法對(duì)地應(yīng)力測(cè)量,獲得了所測(cè)礦區(qū)的地應(yīng)力值與方向。煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院開發(fā)研制出煤礦井下小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置,在新汶、淮南及平頂山等深部礦區(qū)進(jìn)行了測(cè)量,獲得了深部煤礦井下地應(yīng)力數(shù)據(jù)。除需要研究原巖應(yīng)力外,還必須研究采掘活動(dòng)引起的采動(dòng)應(yīng)力,一般采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與監(jiān)測(cè)、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律。進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)時(shí),在已受采動(dòng)影響的位置安裝應(yīng)力傳感器進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí),在采煤工作面回采前安裝應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器,監(jiān)測(cè)工作面回采過(guò)程中的應(yīng)力變化,兗州、潞安等礦區(qū)采用空心包體應(yīng)變計(jì),測(cè)得了三維采動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)。筆者在已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,論述了深部煤礦地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力分布特征,介紹深部煤礦巷道圍巖控制原理及相關(guān)的技術(shù)。1深部煤礦的推擠特征1.1地應(yīng)力場(chǎng)分布新汶礦區(qū)是我國(guó)煤礦開采深度最大的礦區(qū)之一,平均開采深度已超過(guò)1000m。筆者主要以新汶礦區(qū)為例,介紹深部煤礦地應(yīng)力分布特征。新汶礦區(qū)的華豐礦、孫村礦曾采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置進(jìn)行了2次地應(yīng)力測(cè)量。第1次共完成6個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量(序號(hào)1—6),第2次也完成6個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量(序號(hào)7—12),見表1。第1次測(cè)量結(jié)果表明:4個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力σH大于垂直應(yīng)力σV,2個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力小于垂直應(yīng)力。其中華豐礦全部3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,孫村礦僅有1個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力?？梢?華豐礦所測(cè)區(qū)域地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)占明顯優(yōu)勢(shì)。而孫村礦所測(cè)區(qū)域垂直應(yīng)力的作用更明顯。第2次測(cè)量結(jié)果表明:3個(gè)測(cè)點(diǎn)(全部在孫村礦)的最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,3個(gè)測(cè)點(diǎn)(全部在華豐礦)的最大水平主應(yīng)力小于垂直應(yīng)力。與第1次測(cè)量結(jié)果有相反的趨勢(shì),2個(gè)煤礦測(cè)點(diǎn)深度相差不大,但水平應(yīng)力相差較大。華豐礦3個(gè)測(cè)點(diǎn)平均最大水平主應(yīng)力為30.17MPa,平均最小水平主應(yīng)力為16.1MPa;而孫村礦平均最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh分別為36.87、19.54MPa,比華豐礦測(cè)點(diǎn)分別大22.2%、21.4%。與第1次埋深接近的測(cè)點(diǎn)相比,華豐礦最大、最小水平主應(yīng)力分別降低28.5%、29.4%;孫村礦最大、最小水平主應(yīng)力分別提高15.3%、18.4%。可見,不同的煤礦,即使埋深相差不大,水平應(yīng)力也有明顯差別;即使是同一煤礦,不同區(qū)域的地應(yīng)力也明顯不同。周鋼等采用空心包體法在大屯礦區(qū)孔莊礦、姚橋礦及徐莊礦的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明:在-780—-380m水平的測(cè)點(diǎn)中,最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢(shì);在-800m水平以下,垂直應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力;礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)有可能以-800m水平為界,上部以構(gòu)造應(yīng)力為主,-800m水平以下逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源怪睉?yīng)力為主的地應(yīng)力場(chǎng)。綜合分析現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),隨著埋深增加,煤礦地應(yīng)力場(chǎng)中水平構(gòu)造應(yīng)力有減弱的趨勢(shì),垂直應(yīng)力有增強(qiáng)的趨勢(shì)。但是,即使是超過(guò)千米的煤礦,在構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域,最大水平主應(yīng)力仍可能大于垂直應(yīng)力,表現(xiàn)出典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征。1.2礦井地應(yīng)力分析為了研究深部與淺部煤礦地應(yīng)力分布特征的區(qū)別,對(duì)煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院近10年來(lái)采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置獲得的20余個(gè)礦區(qū)、395個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。測(cè)量深度最小69.2m、最大1283.0m。地應(yīng)力與埋深的關(guān)系如圖1所示,平均水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨埋深變化的規(guī)律如圖2所示。煤礦井下地應(yīng)力分布特征見表2。煤礦井下地應(yīng)力分布特征的主要影響因素為埋藏深度、巖層分布、巖層強(qiáng)度與剛度、地質(zhì)構(gòu)造與圍巖結(jié)構(gòu)。從圖1、圖2和表2中可看出淺部與深部地應(yīng)力場(chǎng)有以下區(qū)別:(1)淺部巖層(埋藏深度小于250m)構(gòu)造應(yīng)力占明顯優(yōu)勢(shì),地應(yīng)力狀態(tài)為σH>σh>σV;(2)中等埋深礦區(qū)(埋藏深度為250—600m)的地應(yīng)力狀態(tài)一般為σH>σV>σh;(3)埋深超過(guò)600m,一般垂直應(yīng)力占優(yōu)勢(shì),地應(yīng)力狀態(tài)為σV>σH>σh;但受地質(zhì)構(gòu)造影響明顯的礦區(qū),地應(yīng)力仍可能是以構(gòu)造應(yīng)力為主,處于σH>σV>σh狀態(tài)。(4)我國(guó)煤礦多數(shù)礦區(qū)最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值集中在0.5~2.5。隨著埋深增加,該比值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),趨近于1;(5)地應(yīng)力除受埋深、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響外,還與巖體物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。2采動(dòng)應(yīng)力應(yīng)達(dá)性采動(dòng)巖的應(yīng)力集中放在煤巖體中開掘巷道、硐室等地下工程,及采煤工作面進(jìn)行回采時(shí),破壞了煤巖體的原始平衡狀態(tài),采掘空間周圍煤巖體的應(yīng)力將發(fā)生重新分布,在圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中。已有的研究成果表明,采動(dòng)應(yīng)力可達(dá)到原巖應(yīng)力的2~5倍。因此,在了解深部煤礦原巖應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力的測(cè)量與監(jiān)測(cè),進(jìn)而研究采動(dòng)應(yīng)力分布特征與規(guī)律,對(duì)煤礦開采與支護(hù)具有十分重要的意義。2.1工作面周圍垂直應(yīng)力1)掘進(jìn)工作面周圍應(yīng)力分布特征。圖3是采用FLAC3D軟件模擬的晉城寺河礦首采工作面巷道開挖時(shí)水平切面上垂直應(yīng)力σZ的分布,其中,X、Y分別為沿工作面長(zhǎng)度和推進(jìn)方向的距離。由圖3可知:(1)巷道開挖以后,垂直應(yīng)力在掘進(jìn)工作面周圍重新分布,在工作面前后方出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)與升高區(qū)。(2)在工作面前方,先出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū),之后出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū),但兩區(qū)域的范圍都不大。(3)在工作面后方,隨著遠(yuǎn)離工作面,應(yīng)力降低區(qū)與應(yīng)力升高區(qū)范圍不斷擴(kuò)大。至工作面一定距離后保持穩(wěn)定。(4)掘進(jìn)引起的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.3。由于開挖空間小,引起的應(yīng)力集中范圍和程度都比較小。2)采煤工作面周圍應(yīng)力分布特征。圖4為晉城寺河煤礦4301工作面周圍垂直應(yīng)力σZ分布狀況。該工作面布置5條巷道,工作面一側(cè)布置3條巷道,煤柱寬度分別為35,20m。由圖4可知:(1)當(dāng)4301工作面部分開采后,在工作面前方形成了較高的支承壓力。支承壓力的影響范圍為40m左右。在4301工作面后側(cè),43013巷與43012巷之間煤柱的靠工作面?zhèn)犬a(chǎn)生了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這種集中應(yīng)力在滯后工作面40m范圍內(nèi)比較小,之后達(dá)到最大值,為原始垂直應(yīng)力的9倍。在43013巷與43012巷之間煤柱的另一側(cè)也產(chǎn)生了集中應(yīng)力,但較小。43012巷與43014巷之間的煤柱受4301工作面開采影響,但影響程度不大。(2)當(dāng)4301工作面全部開采后,在工作面后側(cè),43013巷與43012巷之間煤柱的靠工作面?zhèn)染霈F(xiàn)了高集中應(yīng)力。(3)由于回采工作面開采空間大,采動(dòng)影響范圍很大,而且集中應(yīng)力遠(yuǎn)大于掘進(jìn)工作面。2.2工作面應(yīng)力分布采用鉆孔應(yīng)力計(jì)、空心包體應(yīng)變計(jì)等儀器,可監(jiān)測(cè)回采工作面周圍應(yīng)力變化。1)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)回采工作面超前與側(cè)向支承壓力。圖5a為新汶潘西煤礦采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)得到的回采工作面超前支承壓力分布曲線。工作面超前相對(duì)支承壓力峰值約為22.6MPa,峰值深入煤壁距離為7~8m。在工作面推進(jìn)過(guò)程中,超前支承壓力影響范圍約為50m。以支承壓力峰值位置為分界線,在其前方由于煤體基本處于塑性狀態(tài),形成應(yīng)力降低區(qū),在其后方逐漸向原巖應(yīng)力接近。在煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案中,采用不同孔深布置,可監(jiān)測(cè)到工作面前方實(shí)體煤中側(cè)向支承壓力分布狀況,如圖5b所示。從圖5b中可以看出,支承壓力峰值相對(duì)較小,而且峰值位置更深入煤體中。2)空心包體應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)回采工作面采動(dòng)應(yīng)力變化。兗州東灘礦采用空心包體應(yīng)變計(jì)在43上07軌道巷進(jìn)行了采動(dòng)應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)。將其應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)結(jié)果以平行軌道巷軸向的縱剖面形式繪制,得到如圖6所示的應(yīng)力變化。圖6中箭頭方向代表應(yīng)力方向,箭頭長(zhǎng)度代表應(yīng)力大小。隨著工作面推進(jìn),近似垂直的應(yīng)力不斷增加。特別是距工作面小于40m后,應(yīng)力增加幅度較大;當(dāng)工作面推進(jìn)到距應(yīng)變計(jì)24m時(shí),應(yīng)力增加值達(dá)到最大,為19.1MPa;之后應(yīng)力呈減小的趨勢(shì);至11m時(shí),應(yīng)力向采空區(qū)方向釋放,表明測(cè)點(diǎn)處圍巖已經(jīng)破壞。實(shí)測(cè)的垂直應(yīng)力達(dá)31.92MPa,可得出回采工作面超前支承壓力的峰值為自重應(yīng)力的2.5倍左右。3煤巖體錨桿支護(hù)巷道圍巖控制技術(shù)按原理可分為3大類:(1)支護(hù)法,是作用在巷道圍巖表面的支護(hù)方式,如各種類型的支架、砌碹支護(hù),為了改善支架受力狀況,提高支護(hù)阻力,還可實(shí)施壁后充填和噴漿等。(2)加固法,是插入或灌入煤巖體內(nèi)部起加固作用,使煤巖體自穩(wěn)的方法,如各種錨桿與錨索、注漿加固,錨桿、錨索分為插入煤巖體內(nèi)的部分(桿體、錨固劑),以及設(shè)置在巷道表面的構(gòu)件(托板、鋼帶及金屬網(wǎng)),因此,“錨桿支護(hù)”確切意義上應(yīng)稱為“錨桿加固”或“錨桿加固與支護(hù)”。(3)應(yīng)力控制法,是改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài),使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)的方法,包括巷道布置優(yōu)化及各種人工卸壓法。3.1采空區(qū)形成巷道支護(hù)體系針對(duì)深部巷道圍巖應(yīng)力高、變形大,甚至?xí)霈F(xiàn)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害,進(jìn)行采掘優(yōu)化、巷道布置優(yōu)化,改善巷道受力狀態(tài)是首先應(yīng)該考慮的方法。將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū),如沿已穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道(沿空掘巷),將巷道布置在采空區(qū)下方(掘前預(yù)采、上行開采等),均可明顯降低巷道受力,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。如前所述,在深部開采中,有些煤礦水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性,最大水平主應(yīng)力明顯高于最小水平主應(yīng)力。在這種條件下,當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行,巷道受水平應(yīng)力的影響最小,有利于頂?shù)装宸€(wěn)定。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化巷道布置方向,對(duì)巷道穩(wěn)定性會(huì)起到事半功倍的作用。此外,巷道布置應(yīng)盡量避開大型地質(zhì)構(gòu)造(斷層、褶曲、陷落柱等)。根據(jù)深部煤礦地應(yīng)力場(chǎng)分布特征,對(duì)巷道斷面形狀與尺寸進(jìn)行優(yōu)化,可改善巷道周邊附近圍巖應(yīng)力分布,有利于圍巖穩(wěn)定。人工卸壓法,包括切縫、爆破、鉆孔及掘卸壓巷等,可轉(zhuǎn)移巷道周邊附近的高應(yīng)力,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),在適宜的條件下可作為一種輔助的圍巖控制手段。3.2錨桿支護(hù)主要可選用的支護(hù)技術(shù)主要體現(xiàn)目前,深部巷道支護(hù)與加固形式主要有:錨桿、錨噴支護(hù),U型鋼可縮性支架,注漿加固,復(fù)合支護(hù)(采用2種或2種以上的支護(hù)加固方式聯(lián)合支護(hù)巷道,如錨噴+注漿加固,錨噴+U型鋼可縮性支架,U型鋼支架+注漿加固,以及錨噴+注漿+U型鋼支架等型式)。經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐,我國(guó)煤礦已經(jīng)形成了基于煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、以預(yù)應(yīng)力錨固與注漿為核心的巷道支護(hù)成套技術(shù)。對(duì)于深部巷道,錨固與注漿技術(shù)也是經(jīng)濟(jì)有效的圍巖控制技術(shù)。1)預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)。在深部巷道采用的預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)技術(shù),其支護(hù)原理是大幅提高支護(hù)系統(tǒng)的初始剛度與強(qiáng)度,形成高支護(hù)應(yīng)力場(chǎng),降低采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)梯度,主動(dòng)控制圍巖擴(kuò)容變形,保持其完整性。同時(shí),支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有高延伸率,允許圍巖有較大連續(xù)變形,通過(guò)預(yù)留變形量,使巷道發(fā)生可控變形后仍能滿足使用要求。不同巷道條件應(yīng)有不同的錨桿支護(hù)形式:預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)適用于圍巖比較完整的巖石巷道、巖石頂板煤巷等;預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù)可應(yīng)用于煤頂巷道、無(wú)煤柱護(hù)巷、軟巖巷道、高應(yīng)力巷道、動(dòng)壓巷道及大斷面巷道等多種比較困難的條件;全預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),頂板、兩幫,甚至底板全部采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),適用于深部高應(yīng)力巷道、強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道等非常困難的條件。2)注漿加固技術(shù)。在松軟破碎煤巖體中開掘巷道,圍巖自穩(wěn)時(shí)間短、破碎范圍大,在這種條件下,注漿加固是圍巖控制的有效途徑。注漿加固利用漿液充填圍巖內(nèi)的裂隙,將破碎煤巖體固結(jié)起來(lái),提高圍巖整體強(qiáng)度,增加圍巖自身承載能力。我國(guó)煤礦目前采用的注漿材料主要分為2大類:一類是水泥基材料,是注漿加固應(yīng)用最廣的材料;另一類是高分子材料,如聚氨酯、脲醛樹脂等。此外,還開發(fā)出多種復(fù)合材料,以改善注漿材料的性能,降低注漿材料的成本。在井下應(yīng)用時(shí),可根據(jù)巷道具體地質(zhì)與生產(chǎn)條件進(jìn)行選擇。3)預(yù)應(yīng)力錨固與注漿聯(lián)合加固技術(shù)。當(dāng)巷道圍巖松軟破碎,錨桿與錨索錨固力不能保證時(shí),預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索與注漿聯(lián)合是一種有效的加固技術(shù)。注漿可將松軟破碎圍巖粘結(jié),