梅花井煤矿应力监测可行性方案的研究

【摘 要】 鉴于梅花井煤矿+850水平主要基建巷道出现了严重的矿压显现，并且基建巷道网路才初步形成，那么矿压显现问题的解决，对整个梅花井煤矿二分区的采煤部署就显得尤为重要，本文提出了梅花井煤矿应力监测可行性方案，论述了地应力的测量对巷道支护设计方案的影响，也从根本上分析了矿压显现的主要原因，并强调了合理的巷道支护设计的重要性。

【关键词】 矿压显现 应力监测 支护设计

【Abstract】 Mei Huajing Coal Mine appears serious mine pressure behavior for infrastructure roadway in view of the level of +850，and it was initially formed in the network of infrastructure roadway， then the mine pressure behavior problems， it is very important to the deployment of coal mining two partition of Mei Huajing Coal Mine. This paper presents the Mei Huajing Coal Mine stress monitoring scheme， To discuss the effect of in-situ stress measurement of roadway supporting design scheme， it is also fundamentally analyzed main reasons of mine pressure behavior， and emphasizes the importance of reasonable roadway supporting design.

【Key words】 Mine pressure behavior Stress monitoring Support design

世界第一次成功的地应力测量是美国人劳伦斯1932年在哈佛水坝进行的。但是此后直到二十世纪五十年代，哈斯特在瑞典的斯堪的纳维亚半岛矿区和拉伊斯瓦尔铅矿使用压磁应力汁和应力解除法进行了大规模的地应力测量，得出了该地区的地应力分布基本规律，从而开辟了现场实测地应力的新纪元[1]。

二十世纪五十年代末期李四光和陈宗基为代表的一部分人开始了我国的地应力测量研究工作。1966年3月在李四光教授的倡导下，在河北哲上尧县建立了全国第一个地应力观测站。从六十年代后期开始，中国科学院武汉岩土力学研究所、长沙矿冶研究所、地质研究所，地质矿产部地质力学研究所、地震地质大队等单位，使用自行研制测量设备进行了一系列的地震矿山应力解除测量研究。

神宁集团梅花井煤矿2006年6月9日正式开始开工建设，其作为神宁集团单井设计能力最大的现代化矿井发展至今，由于顶底板岩性及应力等多因素的影响，导致矿压显现严重困扰着巷道支护水平，使巷道必须要进行二次维护，所以得出在开始掘进时巷道的支护设计上存在不合理因素，导致增加了不必要的经济成本，又制约了梅花井煤矿发展的速度，那么想要彻底解决或者减少巷道的矿压显现问题，地应力的测量就要求煤矿必须加以重视。本文基于了地应力的测量提出了梅花井煤矿应力监测可行性方案，方案的实施可对梅花井整个矿区地应力分布情况掌握清楚，并能够准确实施地应力的监测评估工作，找到合理的巷道断面选择及支护方式，从根本上解决巷道矿压显现问题，从而减少了巷道二次维护成本，可使梅花井煤矿在实现现代化矿井的道路上迈出了坚实的一步。

1 梅花井煤矿巷道矿压显现主要原因分析

1.1 梅花井煤矿软岩性质分析

根据各煤层顶底板岩性和厚度变化较大，井田内各可采煤层顶底板岩性主要为砂岩及粉砂岩，泥岩次之，部分煤层在局部范围内有泥岩或炭质泥岩的伪顶、伪底，在煤系地层的顶部有一定数量的粗粒砂岩及中粒砂岩构成煤层的直接顶板。纵观全井田煤层顶底板岩性，其特征显示软岩特性。

1.2 煤层中地应力的分析研究

对于地应力成因的研究，由于其复杂性等困难到今天仍不能清楚的对其进行详尽完整的描述。但是经过数十年来大量的现场实测和理论分析取得的研究成果显示其原因主要有：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转及地壳非均匀扩容等。其次，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场[3]。

综上所述，梅花井煤矿的顶底板岩性具有软岩特性，煤岩层中地应力与深度也有着必然的关系。研究地应力本身就很复杂，不能简单从垂直应力，水平应力来去分析，且随着煤矿开采水平的不断加深煤岩层中就会存在着各种应力场，从梅花井煤矿施工情况上分析矿压显现的产生主要原因有两个：（1）梅花井顶底板的软岩性。（2）煤岩层中存在着复杂的应力关系。本文是基于了煤岩层中复杂的应力场对巷道矿压显现的重要影响来对梅花井煤矿应力监测可行性方案进行研究。

2 梅花井煤矿应力监测可行性方案

鉴于梅花井煤矿+850水平主要基建巷道出现了矿压显现现象，采取的基本手段大部分是利用现象及施工经验来制定二次维护方案、即从维护效果上仍处于被动。所以本文提出了梅花井煤矿应力监测可行性方案，目的是想从根本上来解决巷道的矿压显现问题。方案包括以下几个方面：

2.1 成立应力监测评估小组

（1）应力监测评估小组主要任务有：①完成对梅花井整个矿区地应力测点的布置。②并对地应力的测量数据进行收集、建立应力监测数据库。③技术分析出各类掘进巷道地应力的分布情况，并能有效合理的设计出巷道的断面及其支护方式。④对掘进过程中巷道实时监测的数据进行统计分析，及时归档数据库。

（2）应力监测评估小组组织人员构成：组长：1名（矿总工程师）；副组长：1名（掘进副总）；应力技术分析人员：1名（掘进技术员）；应力数据库统计员：1名；应力测量工：4名。

（3）应力监测评估小组人员职责：组长：全面负责应力预测评估小组日常工作；副组长：总体规划矿区掘进巷道地应力测点布置、并指导地应力测量数据的收集、分析及巷道支护设计等工作。应力技术分析人员：熟练掌握数值模拟、材料模拟、支护材料的基本支护强度参数。应力数据库统计员：对地应力的测量数据、及掘进过程中监测数据进行数据库管理。应力测量工：熟练掌握空心包体测量地应力的原理及实际操作的能力。

2.2 地应力测量的方法分析

结合实际经验因素考虑，最易接受的分类方法为依据基本原理划分即直接测量法和间接测量法。间接测量法是通过某些传感元件或者某些介质测量和记录岩石中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后测得这些物理量的变化通过已知的公式计算岩石的应力的大小，这些物理量主要有岩石的变形或应变、岩石的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，以及弹性波传播的速度的变化等。在间接测量法中较为普遍的是套孔应力解除法，应力解除法测量地应力的方法有：孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心体应变法等方法，其中孔壁应变计和空心包体式应变计在一个孔内可以测出三维地应力。

根据实际经验比较，确定使用空心包体测量地应力的方法。

（1）空心包体应变计的结构：应变计中最主要的组成部分是测量应变的12个电阻应变片，被0.5mm厚的环氧树脂包裹着。这12个应变片平均分成三组相隔120°沿着环氧树脂筒圆周粘贴，其结构图与应变花位置分布图如（图1）（图2）所示。应变计的外径为35.5mm，长度为150mm，可安装在直径为36～38mm的小钻孔中。

（2）现场地应力测量步骤：①在测点上钻一直径为130mm的水平钻孔，深度应在原岩应力场的范围内。钻孔稍上倾，以便岩粉和水容易排出。通常钻孔上倾大约为3～5°。②将大孔底磨平。③然后金刚石锥型转头打一个喇机口，以便为打小孔导正。④再打直径36mm的测量小孔，深度300～400mm。⑤在安装空心包体之前要做好以下几样工作：用激光测距仪测量孔口到孔底的准确距离；调制好粘结剂。⑥用型号为127的矿下岩石取芯钻头继续向前钻取含有包体的一段岩体，这样就使这部分岩芯从原岩应力场中解除出来。⑦取芯。此时达到预定位置的岩芯可能还未与原岩脱离，可用专用的长杆辅助取下。最后从岩芯管中取出含有包体的岩芯。

（3）测点布置的原则：①要确定矿井的三维应力状态，现场测量是最直接的方法。在全矿区各个位置进行测量从造价和工期上是不现实的，因此在由于地应力状态的复杂性和多变性，应在矿区代表性的位置布置多个测点。②进行地应力测量须在井下巷道内完成，由于巷道周围的岩体在掘进期间已经受到扰动，在进行空心也体地应力测量时，其安装包体的小孔必须位于此影响范围以外，在现场施工条件和勘测设备允许的情况下进行松动圈的测试。根据岩石力学分析，巷道掘进影响范一般为巷道宽度的3-5倍，此范围以外的区域为原岩应力区。③测点应布置在地质条件较好的位置。④远离或尽量远离较大挖体。⑤避开巷道或采场的弯、叉、拐顶部等应力集中的部位。⑥由于地应力的分布特点，其大小和方向都随着深度存在着一定的规律，因此要研究这一规律应尽量在不同层位进行测量。

2.3 地应力测量数据的分析研究

地应力测量出的数据可以分析出应变及位移的关系、钻孔附近的应力分布、三维应力与孔壁位移的关系、三维应力与孔壁应变的关系。钻孔坐标系中地应力与固定坐标系三维地应力的关系。并可基于计算机数值模拟、等材料模拟、经验类比等方法来设计出合理的巷道断面及支护方式。

2.4 建立掘进巷道的实时监测系统

巷道掘进期间实时监测系统包括：巷道围岩表面变形、锚杆（索）的工作阻力、顶板离层、巷道围岩深部位移等。

掘进巷道过程中每间距50m设置一个测站，每个测站布置表面变形测面2个、多点位移计3个、顶板离层仪一台、液压枕一排锚杆（15台）和一排锚索（2台）[3]。并对实时监测的数据进行整理，分析以便及时调整支护方案。

3 结论

（1）提出梅花井煤矿应力监测可行性方案，方案可以对地应力的测量数据进行全面的分析，得出了地应力在巷道断面选择及巷道支护设计上的重要影响，说明了合理的巷道支护设计可以大大减小巷道二次支护成本。（2）提出建立梅花井煤矿巷道地应力数据库，可对以后的相应巷道的掘进工作提出了理论支持。（3）成立煤矿应力预测评估小组，合理分配其成员职责，并可以做到实时掌握梅花井煤矿地应力分布状况，及时提出合理的支护调整方案。

4 展望

由于时间的限制以及本人水平的局限性，有些问题还有待进一步的研究，在深度和广度上都需要新的突破：

（1）在地应力测量的数据分析方法上并没有做详细的展开说明。（2）由于地应力测量数据及其巷道岩性参数的欠缺，在设计巷道断面及支护方式上并没有具体的案例分析。（3）巷道掘进过程中的矿压显现监测缺少具体的规划设计。

参考文献

[1]张永坤.潘谢矿区开采地应力测量和巷道支护技术研究.安徽理工大学硕士论文，2012.

[2]李学华.梅花井煤矿112201工作面回采巷道围岩控制技术研究.中国矿业大学，2007.

[3]杨永杰等.地应力测量及综放沿空掘巷支护技术.煤炭工业出版社，2010.