云岗矿坚硬顶板地应力测试及分布的应用实践

王 亮 翁旭泽 杨耀霞 徐 亮 王春阳

一、立项原因

云岗矿属于资源衰退型矿井，矿井资源逐年减少，为保证矿井的可持续发展，计划复采2#、3#、7#煤层大巷煤柱及三下压煤，2#层顶板属于砾岩顶板，3#和7#层顶板属于砂岩顶板，都为坚硬顶板类型，考虑设计盘区周围采空区影响及原岩应力影响，我矿采用钻孔应力解除地应力测试法对2#煤、3#煤、7#煤进行了地应力场实测，根据现场测试顶板应力情况和取岩心结果合理优化巷道布置及支护设计，保证安全生产。

    二、立项内容

云岗矿原岩应力现场测量工作自2020年11月10日开始，2020年12月18日结束，完成原岩应力测点3个。采用钻孔套芯应力解除法进行应力测量。对应力解除数据、现场率定测试参数及其他有关资料进行了计算和分析。以下内容以2#层测点为例说明，根据实测应力分布方位及大小，合理优化巷道布置和支护设计，保证安全生产，提高经济效益。

1、地应力测点布置及测试孔布置

考虑到地应力测试的技术要求和现场实际情况，经井下多处备选地点实测调研，决定选择将测点布置在通404-2盘区轨道暗斜井2#煤躲避硐室进行了地应力实测。

实际测孔布置如图1所示。

图1 地应力测孔布置示意图

2、测试步骤

根据空芯包体应变计解除的原理，地应力现场具体测量步骤、所需仪器及注意事项如下：

（1）地质钻打孔

地点选取。选取整体岩性较好区域的巷道，安设测点。测点巷道内应水电方便，地质钻工作时应不影响巷道运输。

打孔取芯。使用地质钻机，如图2所示，配直径为42mm的接长钻杆，并运用特制的取芯套筒（长度为1m，直径为127mm）及平钻头（直径为127mm），如图2所示。在所测巷道岩壁上打直径为127mm的钻孔，至巷道跨度的2～3倍深处，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。当钻孔至预定长度时，取出岩芯，并编号套袋保护岩芯，最终成孔如图3所示，取得的岩芯如图5所示。

打空心包体孔。利用自备的锥形钻头（直径为127mm，图4），其上带有长360mm，直径36mm的小钻头，打同心小孔并取岩芯，同时将孔底磨平，并用锥形钻头打出70mm长的喇叭口，小孔深360mm。此小孔一次性打到底，钻孔过程中，必须利用1m长岩芯管定向。

冲洗钻孔。小孔成形后，抽出钻杆50mm，用钻机的水管冲洗。

（2）安装空心包体

清洗和干燥钻孔：在洗孔器上缠上棉纱（直径略大于36mm），倒上丙酮，利用安装杆将洗孔器送到孔底进行钻孔干燥清洗一至两遍，并记录洗孔器进入孔底时钻杆外露长度及洗孔器长度。

配制环氧胶（图6）。用注射器和托盘天平严格量取环氧胶47克，固化剂8.4克，置于烧杯内，混合均匀。将配制好环氧胶倒入应力计的空腔，用牙签固定好柱塞（图7）。

安装空心包体。先用砂纸把空心包体表面尤其是应变片位置打磨掉1mm左右的厚度，然后在定位器的定位槽中涂抹好黄油，将空心包体安装到定位器上，确定A应变片竖直向上后用安装杆细心的将包体送到预定位置，推断固定销牙签，将环氧胶从包体内腔挤出使空心包体与钻孔壁胶合。并测量钻杆外露长度，确定牙签断掉，环氧胶已完全挤出。

专人保护。设专人看守，防止误碰外露钻杆，影响空心包体与岩壁胶合。

（3）取导向杆

测量数据。等24h后，环氧胶粘结密实，用特制万用表记下空心包体A应变片的角度并让矿上专门的地测人员测量钻孔的方位角。

取出安装钻杆和定位器，取杆时拽紧定位器的电缆线，防止被挤断。

（4）应力解除

挪回钻机，精确对孔。然后将空心包体的导线电缆从取芯管、钻杆孔、钻机和改装过的水节头穿出，连接到数字应变仪上，同时不要忘记接上温度补偿元件。如图8所示。

接好钻杆和500mm取芯管后，如图9示，启动钻机，开始注水，这时应变仪读数会有所轻微变化，读数稳定后（约15分钟），再开始进尺读数。在套芯过程中若为人工读数，每隔2cm进行一次仪器读数，读数不随进尺变化时（解除深度为500mm左右），停止套芯。套芯结束后，取出带有应力计的岩芯。若为自动读数，可选取读数时间间隔为10s。

3、地应力测量结果分析

（1）地应力测孔参数

云岗矿地应力测试孔的技术参数如下表所示：

表1地应力测试孔的技术参数

（2）测量孔的解除曲线

在测量工作中，应力解除过程都比较正常，并能取出带有应力计的完整岩心。应力解除完成后根据应变仪的读数，分布绘制出各测点的应力解除曲线，并由绘制出的应力解除曲线得出各个应变的稳定应变值。

2020年11月10日在通404-2盘区轨道暗斜井2#煤躲避硐室进行了测量，A应变片竖直向上，应变片深度为800cm，解除过程中应用应力计的12个应变片随解除距离的应变变化曲线详见应力解除曲线（图12）。

从图中可以看出，解除开始至解除距离28cm阶段，应变曲线平缓，应变随解除距离的变化幅度很小，说明钻头未推进至应变片位置；当解除距离至28cm后，应变量逐渐增加，当解除至应变片位置即解除距离达30cm时，应变量突然增加，随后应变曲线趋于平缓，解除至40cm后，应变量基本不变，解除至45cm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。

1. 应力计算结果见表2

表2 2#煤测量孔原岩应力实测结果

B．应力解除曲线见图12

图12  测试孔应力解除曲线

（3）云岗矿地应力场分布规律分析

2#煤地应力测试结果为：最大主应力σ₁为3.2MPa，倾角为-29.30°，方位角216.76°，中间主应力σ₂为2.6MPa，倾角-59.45°，方位角17.71º；最小主应力σ₃为1.9MPa，方位角122.30º，倾角-1.50°。

三个主应力σ₁、σ₂、σ₃在空间的矢量关系如图13所示。

图13 测试区域三个主应力空间分布示意图

4、优化支护形式

三、主要创新点及结论

通过对云岗矿原岩应力现场测定，再根据实测结果对其进行的反演，得到了2#煤测点处的三维地应力状态。对矿井以后的地下工程设计和施工有很大的帮助。综合分析矿区原岩应力测定研究成果和地应力反演结果，我们得到了以下结论：

（1）通过实测得到了云岗矿2#煤测试区域地应力分布的大小及方向。得出2#煤测试区域主应力空间分布规律，确定巷道布置沿最小主应力方向平行受力最小，将2#层盘区主要巷道沿最小主应力方向布置，保证了安全生产。

（2）另外，通过直接顶取芯结果，确定2#层顶板为含砾粗砂岩，较坚硬，完整性好。

通过以上两点结论，我们优化2#层巷道支护，顶板支护中将原设计6m锚索优化为4m锚索，排距由原2m两根扩大到3m两根，锚杆支护由1.8m改为1.5m，间排距按原设计，2#层巷道共计5000m，为云岗矿减少了可观的成本支出。

四、经济社会效益

1、经济效益

优化巷道支护方面：顶板支护由原来的2m排距2根锚索，改为3m排距2根锚索支护，每米巷道节省4m锚索材料支出，锚索成本9元/m，巷道节省36元/m；

人工投入方面：云岗矿目前采用“四·六”制作业方式，依据目前各掘进队组单进水平能力，每班次可掘进进尺为6米。支护优化后每班次可节约5根锚索（按长度计算20m），按四人支护作业，可节省一半工作量，人均300元工资结算，每米可节省人工投入150元。

巷道优化设计后，每米巷道材料和人工投入共可节省186元，2#层共计可减少支出93万元。

    考虑优化支护后，掘进单进由6m加快到8m，预计提前7个月圈出工作面，每月按月产3万吨计算，可多出煤炭21万吨，吨煤200元计算，可产生经济效益4200万元。

2、社会效益

通过对云岗矿原岩应力现场测定，分析原岩应力方向分布，合理优化巷道布置方式及优化巷道支护形式，减少了支护工程量，节约了成本，保证矿井安全生产。

五、推广应用前景

云岗矿坚硬顶板地应力测试及分布的应用实践后，不仅仅在于该项目采用了“应力解除法”先进地应力测试技术，更重要的是通过地应力测试科学合理的布置巷道和优化支护设计，可以省去诸多管理环节、施工工序、工程费用，属云岗矿首例，集团公司少有。通过在云岗矿井下3#现场试验成功，实践证明了这种地应力测试技术是可行的，并对类似条件下矿井有一定的借鉴，具有广泛的推广和应用价值。

作者：晋能控股煤业集团云岗矿 王 亮