深部矿井地应力测量方法研究与应用(3)

有意义

第26卷 第5期 康红普，等. 深部矿井地应力测量方法研究与应用 931

封隔器 注水阀门水压管

采用传统的锚杆支护技术，基于二次支护理论，先让后抗、先柔后刚，一次支护在保持围岩稳定的条件下允许一定的变形，然后在适当的时机实施二次支护，保持巷道的长期稳定。但是，当开采深度超过1 000 m时，二次支护理论受到挑战。一些困难巷道二次支护后仍然变形很大，需要三次、更多次的维修与支护，甚至经过多次维修与支护后，巷道围岩变形仍很大，长期处于不稳定状态。出现这种局面的主要原因是深部开采引起的高地应力及深部

图1 水压致裂地应力测量示意图

Fig.1 Schematic plan for hydraulic fracturing in-situ stress

measurement

煤岩层地质构造复杂。为此，在新汶矿区选择有代表性的深部巷道，采用SYY–56型小孔径水压致裂地应力测量装置进行了原岩应力测量。 3.1 地应力测量结果

在新汶矿区共进行了9个测点的地应力测量。测点埋深为790～1 220 m，其中，华丰煤矿－1 100 m大巷测点的深度最大(1 220 m)。

－1 100 m

2.2 测量装置

根据深部煤矿井下特点，采用小孔径(φ 56 mm)，不仅可减小高地应力条件下测量钻孔的变形，而且可显著减少测量设备质量，提高测量速度，实现快速测量。具体指标如下：测量钻孔直径为(56±2) mm；最大深度为30 m；最大水压为40 MPa；定位精度为±3°。

根据上述测量指标，开发研制了SYY–56型小孔径水压致裂地应力测量装置(见图2)[13]。该装置主要由封隔器、印模器、定向仪、超高压泵站、储能器及数据采集仪组成，可在井下进行快速、大面积地应力测量。同一钻孔还可用于巷道围岩强度测量。

大巷顶板取出的岩芯为：巷道顶部为

0.4 m的灰色细砂岩，取芯率较低，裂隙发育破碎；细砂岩以上为0.7 m的灰白色粗砂岩，硅质胶结，纵向裂隙发育；往上为灰色细砂岩，厚度为0.85 m；细砂岩之上为1.15 m的灰白色中砂岩，纵向裂隙发育，取芯率较高；其上为灰色细砂岩，厚度为2.7 m，岩芯呈圆饼状，取芯率低；再往上为小煤，厚度为0.5 m，取芯率极低，裂隙发育；其上为5.3 m的灰色细砂岩，岩芯破碎，呈薄饼状，水平层理发育，取芯率低；再往上为灰黑色泥岩，厚度为1.1 ｍ，水平层理发育，取芯率低。

－1 100 m大巷断面为直墙半圆拱形，宽3.7 m，

高3.85 m，墙高2 m，采用锚喷支护。巷道附近没有受到采煤工作面或掘进工作面的采动影响。根据弹塑性力学理论，当围岩深度超过巷道半径的5倍以上时，开挖引起的应力影响变得很小，接近原岩

图2 SYY–56型小孔径水压致裂地应力测量装置[13] Fig.2 SYY–56 device for hydraulic fracturing in-situ stress

measurement with small borehole[13]

应力状态。为此，测量孔段选在距孔口11 m、岩芯完整性较好的细砂岩中(其他测点位置也据此确定)。华丰煤矿－1 100 m大巷地应力测量压裂曲线如图3所示。经水压致裂数据处理分析可得：最大水平主应力σH = 42.1 MPa，最小水平主应力σh = 22.8 MPa，垂直主应力σv = 32.33 MPa。

孔壁岩石压裂完成后，对孔壁压裂部位进行印模，取得水压裂缝的走向，印模结果见图4。

新汶矿区深部矿井9个测点的地应力测量结果见表1。

3.2 地应力测量结果分析

地应力测量结果表明，新汶矿区深井地应力分

3 深部矿井地应力测量及分析

新汶矿区是我国煤矿典型的深部矿井，平均开采深度已超过1 000 m，最大采深达1 300 m。新汶矿区集中了采深大、地质构造复杂、矿井灾害性现象多重条件，使开采支护极为困难。

在巷道支护方面，开采深度小于1 000 m时，