赵楼煤矿西翼巷道围岩地应力测试实施方案

1、兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿西翼巷道围岩地应力测试实施方案兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿济南贝克矿山工程技术有限公司二零一一 年 八 月矿 井 所 在 地：山东省菏泽市巨野县矿 井 名 称：兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿提交实施方案时间：2011年08月项目承担单位： 兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿济南贝克矿山工程技术服务有限公司项 目 负 责 人： 赵楼煤矿：李秀晗济南贝克公司：孙守增方案编制单位：济南贝克矿山工程技术服务有限公司方案编制人员：郑元忠 张 锋 孟庆帅 王明卓目 录前 言11 项目实施的目的意义21.1 地应力研究的意义21.2 煤矿开采中的地应力22 地应力测量原理及测试方法42.

2、1 地应力测量现状42.2 地应力测量原理及方法72.3 应力解除法实测的主要过程83 项目实施的目标及主要内容103.1 项目实施的目标103.2 项目实施的主要内容104 项目实施方案114.1 项目实施步骤114.2 原岩应力实测的工程目的114.3 原岩应力测点布置114.4 原岩应力现场测试步骤144.5 原岩应力分布规律总结145 现有技术基础及条件155.1 企业简介155.2 地应力及巷道支护工作开展情况155.3 企业法人营业执照165.4 地质勘查资质证书176 项目组织与实施进度计划186.1 承担单位和协作单位186.2 进度安排18前 言对矿山开采而言，地应力是引起采

3、矿工程围岩与支护变形、破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多影响采矿工程稳定性的因素中，地应力是最主要和最根本的因素之一，准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析和计算、矿井动力现象区域预测、实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。为了对矿井进行合理的开采设计和施工，首先应对影响矿井开采稳定性的各种因素进行充分的调查和分析，只有这样，才能作出技术合理、施工安全和经济效益好的工程设计和施工方案。对矿山设计而言，只有掌握了工程区域的地应力条件，才能合理确定矿井总体布置、选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳断面形状、巷道位置、支护形式、支护结构、支护参数和支护时间等，从而在

4、保证围岩稳定性的前提下，最大限度地增加矿井产量，提高矿井的经济效益。因此，在矿井开采时，要根据工程所处的不同构造部位和工程地质条件，掌握矿井所处的地应力状态、类型和作用特征，才能采取合理有效的预防矿井动力现象的技术措施，进而合理地确定采场布局和回采顺序，这对于保证巷道的相对稳定和生产的安全都具有重要意义。兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿位于巨野煤田中部，行政区划隶属巨野县管辖。赵楼煤矿开采深度大，地应力是影响开采的主要因素。从国内及省内开采深度较大的矿井开采实践来看，不考虑地应力的影响进行设计和施工，往往会造成地下巷道和采场的围岩产生严重变形或坍塌破坏、甚至导致冲击地压等矿井动力灾害的发生，影响矿

5、井的安全生产。因此，针对开采深度较大的赵楼煤矿而言，开展矿井西翼巷道围岩地应力测试工作是十分必要的。为掌握井田西翼巷道围岩地应力分布的基本规律，济南贝克矿山工程技术服务有限公司根据赵楼煤矿西翼现有井下施工条件，选取赵楼煤矿西翼南部2#辅助运输大巷、南部辅助运输大巷和南部回风大巷布置三个测点，采用钻孔套芯应力解除法进行了原岩应力测试，以掌握井田西翼采区附近原岩应力分布规律，为井下支护提供科学依据。1 项目实施的目的意义1.1 地应力研究的意义对于各种地质工程而言，地应力往往是主要考虑因素之一，尤其在地下工程中，由于地应力是直接作用于巷道围岩上的载荷，因此对巷道稳定性影响更加明显和严重。对于煤矿而

6、言，井下巷道围岩的变形和稳定性、煤矿开采引起的地表下沉等显现均与地应力大小、方向以及围岩的力学性质有关。因此，在国内外煤矿开采中均十分注重地应力的研究和实测，世界主要产煤国如澳大利亚、英国、美国等国家已广泛开展了地应力实测，并将实测结果运用于生产实际中，显著提高了煤矿的技术经济效益；国内煤矿亦开展了地应力实测和研究，但起步较晚，由于地应力传感技术及相关的配套设备等原因更制约了其发展和应用。就煤矿巷道支护而言，巷道支护状况取决于两个主要因素，其一是岩层本身，其二是作用于岩层上的地应力。如果把前者视为材料而把后者视为载荷，那么，从根本上说，支护设计问题与其它工程设计问题并没有什么区别，差别仅在于其

7、它工程设计总是所涉及的材料性质和载荷是已知的，而巷道支护设计总是所涉及的围岩力学性质及作用在围岩上的载荷-地应力则必须通过实测才能掌握。济南贝克矿山工程技术服务有限公司自采用澳大利亚SCT公司原岩应力测试技术以来，已在兖州矿区、济宁矿区、新汶矿区、菏泽矿区、内蒙古上海庙矿区等50多对煤矿进行了原岩应力的实测工作。就菏泽矿区而言，矿井的开采深度均较大，受地应力的影响更加明显，原岩应力的实测结果改变了传统的地应力分布规律观念，为矿井巷道支护以及矿井动力现象的防治提供了科学依据，如近年来完成的菏泽矿区郭屯煤矿的地应力实测和监测项目，对郭屯煤矿的巷道支护设计提供了力学基础。公司最近开展了单县煤田2对基

8、建矿井（陈蛮庄、新集）、鲁能彭庄煤矿的地应力分布规律研究工作。 上述地应力实测说明，不同地点的地应力分布特点存在明显的差异，进行原岩应力实测是掌握地应力分布的唯一可靠的手段。1.2 煤矿开采中的地应力地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，亦称岩体的初始应力、绝对应力。地应力的形成主要与地球的各种运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内部应力、地心引力、地球旋转等，其中构造应力和重力应力是现今地应力的主要组成部分。采矿活动之前，地下岩体处于天然应力平衡状态，即通常的原岩应力状态，当在地下开挖采场或巷道后，巷道所在位置及其附近的原始地应力受到扰动，在采场或巷道围岩中出现一组

9、新的应力，这种应力被称为次生地应力，或次生应力。从采矿工程的角度来看，岩体所受的应力既有原岩应力，也有次生应力。煤矿井下巷道围岩的矿压显现特征取决于岩体的力学特性和岩体所处的地应力场。为了解煤矿井下巷道的应力状态（原岩应力状态、次生应力状态），五十年代之前，由于缺乏地应力测量技术，地应力的分析计算多采用海姆的静水压力理论，上述理论与实际情况偏差较大，70年代以后，特别是90年代以来，随着测量技术的不断提高，实测成为掌握原岩应力的主要手段，但开采引起的次生应力实测技术有待进一步的提高。在采矿工程领域中，岩体中的应力是地下开采有关设计工作所要考虑的一个关键因素。按其成因，岩体中的应力可分为：（1）

10、开采前已存在的原岩应力；（2）开采引起的次生应力。 地应力测量是采矿工程的重要组成部分，主要涉及以下主要几个方面： （1）矿区开拓布置； （2）巷道支护设计与加固方案确定； （3）煤柱设计； （4）采区设计； （5）工作面支架选型以及地表下沉预测等方面的计算机模拟。采矿领域经常开展的井下地应力实测主要分为以下两种情况：（1）原岩应力测量（开采前的应力测量）；（2）应力变化测量。2 地应力测量原理及测试方法2.1 地应力测量现状人们认识地应力已有近百年的历史。从世界范围内看，地应力的研究涉及了地质、地震、水利水电、矿山、冶金、石油和建筑工程等部门。1912年瑞典地质学家海姆（A.Heim）在隧道

11、施工中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念，并假设地应力是一种静水应力状态，岩体深处的垂直应力与其上覆岩体重力成正比，其值等于单位面积上覆岩层的重量。随着理论研究水平的不断提高和通过实际应用计算比较，人们认识到任意一点的地应力并非在各个方向相等，而有一定的差别。1926年前苏联学者金尼克（）修正了海姆的地应力计算公式，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果。金尼克对传统地应力公式的修正得到认可的同时，但也有人对侧向压力系数持不同的看法，并且就实际情况而言，许多地质构造如断裂、褶皱等均表明地壳中水平应力的存在。1958年瑞典学者哈斯特（N.HAST

12、）发明了地应力测试仪器，首次进行了地应力测量，测得了岩体中绝对应力的大小和方向，并确定了挪威南半部等地的最大水平应力的方向。通过实际测量发现地壳上覆岩体的水平地应力大多呈水平状或接近水平状，并且水平应力的值普遍高于垂直应力，一般水平应力为垂直应力的12倍，甚至更大。他的这一发现从根本上动摇了传统地应力中垂直应力为主的观点。近三十年来，世界各地的地应力研究者们开展了大量的地应力测量和研究工作，基本肯定了哈斯特的结果。俄罗斯的地应力测量工作主要从理论和工程应用研究两个方面进行的，自50年代以来在煤田、矿山和水电工程区进行地应力测量，根据测量结果分析总结出地壳上部的应力状态取决于地壳中的重力场和地质

13、构造应力场，并在研究的基础上绘制了俄罗斯现代地壳应力图。美国亦是世界上开展地应力测量的较早国家之一，在二十世纪30年代初期已在岩体中使用应力解除法，成功地进行了绝对应力测量，并将结果应用于矿山工程、水利工程、地下建筑工程中，1980年M.L佐巴克等根据地质资料、震源机制解资料和地应力实测结果编制了美国境内的地壳应力图。澳大利亚地应力测量工作开展较早，SCT公司的前身-澳大利亚联邦科学与工业研究组织，G.沃罗特尼基等研制出一种新型的应力计空心包体应力计（HI），其工作性能比其他应力计更可靠，现已被世界各国广泛采用。上世纪八十年代初，彭德（）和米尔斯（K. Mills）研制出了ANZI（Auckl

14、and New Zealand Inclusion）应变计。1991年就完成了主要矿区地应力汇编图的测绘，并且已把地应力测量作为锚杆支护工程监控设计法的主要测试内容之一。有时在一个煤矿进行的地应力测量就达80个点之多，例如澳大利亚BHP矿区所属三个煤矿均进行了地应力测量，并绘制了煤矿地应力分布图。另外，在地应力实测的基础上，研究地应力的分布规律，如水平应力与埋深或地质构造的关系。我国地应力测量和地壳应力状态的研究是在著名科学家李四光倡导下进行的。1965年中国地质科学院地质力学研究所和中国科学院岩土力学研究所在广东和湖北首次进行了地应力的测量工作；1966年3月在河北省隆尧县建立了第一个地应力

15、观测台；此后，在全国21个省、市、自治区建立了几十个地应力观测台站，多年来积累了大量的地应力数据，对我国的地震预报和大地构造等研究起到了重要作用。作为我国地应力研究的权威部门，中科院地壳应力研究所和地质力学研究所相继开展了地应力绝对值测量。据不完全统计，李方全等人先后在全国12个省市进行了百余次的地应力测量，取得了大量的实测数据，首次编制了我国地壳应力状态图，这不仅在我国的地震预报和大地构造等研究领域产生了重要影响，而且引起了矿山、水电等工程领域人们的重视。二十世纪70年代以后，地震、地质、煤炭和石油部门相继在全国各地进行了地应力测量和地应力状态的研究工作，并取得了丰富的技术成果和宝贵的技术资

16、料，为进一步开展地应力研究奠定了坚实的基础。二十世纪80年代以后不仅注重地应力理论研究，而且更注重地应力在实际工程中的应用研究。随着人们对地应力在岩土工程中的重要性认识程度的不断提高，地应力研究工作受到了普遍重视，为某个单项工程而进行的地应力测量已成为掌握工程动力源的必要手段之一，并应用地应力测量结果、岩体变形等资料对工程岩体进行地质力学评估。就区域地应力状态研究而言，国内已取得了具有理论价值和应用价值的研究成果。如李方全等人从不同角度对整个中国以及邻近地区的地壳应力状态做过比较系统的研究，并提出：我国现今地壳应力状态的区域地质特征为华北地区大致以太行山为界，以东的主压应力方向为近东西向，以西

17、为南北向，华南地区以北西向为主，西北地区则是近北北东向，西南地区不同地块主压应力的方向不一样；地壳应力状态随深度而变化，多数地区水平应力大于垂直应力；地壳应力状态与断层活动方式有密切的关系。就具体的行业对地应力的研究而言，国内地质、地震、水电、石油等行业开展地应力研究的时间较早，研究的程度亦较深，在大型工程建设前，为保证工程的安全和投资的合理使用，开展地应力状态研究并以此评价工程所在区域的稳定性。大量工程实践表明地质灾害与地应力状态有着密切关系，研究地质灾害首先应从地应力开始着手，这已经成为工程技术研究者的共识。相比较而言，煤矿地应力测量和研究工作稍落后于其他行业。传统理论应用地应力参数评价采

18、矿工程的稳定性时一直以静水压力理论为依据。但随着采矿规模的不断扩大和不断向深部发展，地应力的影响越加严重。二十世纪八十年代以后，随着地应力测量在煤矿中的应用，特别是采深的不断增加，以静水压力理论为基础计算的地应力与实测的地应力差别较大，依此而进行的岩石力学计算已无法满足实际的需要，从而严重制约相关技术的提高。因此，近年来以地应力实测为基础的岩石力学计算在煤矿生产中大力推广应用，在此情况下研究大采深矿井的地应力状况已愈来愈必要。就山东煤矿而言，地应力实测工作开展于八十年代 ，进入二十一世纪后，随着地应力测试技术的逐步提高，特别是济南贝克公司采用澳大利亚SCT公司的地应力实测技术后，山东煤矿的矿井

19、地应力实测工作全面展开，经过多年的矿井地应力实测工作，已完成或初步完成了兖州、济宁、巨野、新汶等矿区的地应力实测，其中有的矿区已将地应力实测工作列入煤巷锚杆支护的技术规范，规定每个采区均要进行地应力实测工作，以掌握采区的最大水平应力方向和大小，指导巷道布置和巷道支护。应用以地应力实测为基础的煤巷锚杆支护新技术以来，在地应力实测技术、支护设计计算机模拟技术、监测方法手段及支护材料研制等方面均有了新的突破，提高了巷道掘进及支护巷道的安全可靠性，为矿区带来了显著的经济效益和社会效益。以地应力为基础的巷道支护设计、冲击动力破坏现象预测及底板破坏深度实测等技术的广泛应用，表明以地应力为基础研究分析矿井工

20、程的稳定性是可行的，也是必要的。例如：某矿4308工作面运输巷和4308工作面回风巷全煤巷道锚杆支护试验中采用20的螺纹钢锚杆出现部分锚杆断裂的现象，根据计算，被悬吊的顶煤自重所产生的载荷远小于锚杆的破断载荷，而实际上是由高水平地应力所产生的挤压膨胀作用而引起的。多年来，根据实测经验，根据不同的围岩状况，在一些理论数据及实测方法上有了完善与发展，使地应力实测工作更加科学、细致化，也使采集的数据更加科学准确。2.2 地应力测量原理及方法原位测量是目前获取各种不同深度工程原岩应力可靠资料的唯一方法。美国、澳大利亚、加拿大等矿业较发达的国家，对一些重要工程都普遍开展了原岩应力的实测工作。澳大利亚一些

21、主要煤矿在进行大量地应力测量的基础上，绘制了矿区地应力分布图，用于指导井下巷道的支护，有利于对矿区的长远规划和生产布置。根据工程需要，二十世纪三十年代始就开展了岩石应力测量工作。目前，世界上已有几十个国家开展了地应力测量工作，测量方法可分为十余类，测量仪器达百余种。地应力测试的准确性与采用的测量方法、测量仪器和设备等密切相关。现有的地应力实测方法很多，但比较常用的方法可以归纳为三类，即应力解除法、水压致裂法、应力恢复法。目前应用较广泛的方法为套芯应力解除法。原岩应力是天然状态下岩体内某一点各个方向上应力分量总体的度量，一般情况下，六个应力分量处于相对平衡状态。原岩应力实测则是通过在岩体内施工扰

22、动钻孔，打破其原有的平衡状态，测量岩体因应力释放而产生的应变，通过其应力应变效应，间接测定原岩应力。图2.1 应力解除原理示意图应力解除法的基本原理是，当一块岩石从受力作用的岩体中取出后，由于其岩石的弹性会发生膨胀变形，测量出应力解除后此块岩石的三维膨胀变形，并通过现场弹模率定确定其弹性模量，则由线性虎克定律即可计算出应力解除前岩体中应力的大小和方向。具体讲，这一方法就是在岩石中先打一个测量钻孔，将应力传感器安装在测孔中并观测读数，然后在测量孔外同心套钻钻取岩芯，使岩芯与围岩脱离，岩芯上的应力因解除而恢复，根据应力解除前后仪器所测得的差值，即可计算出应力的大小和方向。应力解除法的基本原理可以用

23、应力解除原理示意图（图2.1）来解释。 2.3 应力解除法实测的主要过程在岩体中施工一定深度（扰动区以外）的钻孔，将应力传感器牢固的安装在钻孔中，然后打钻套取岩芯实施应力解除，并在解除的过程中测量由于应力释放而产生的应变。原岩应力测量一般在煤矿井下的巷道中进行，应力钻孔普遍采用在巷道内以一定的仰角向巷道顶板岩体中施工，在完整岩体中安装应力传感器进行应力测量。钻孔施工如图2.2所示。图2.2 应力钻孔施工示意图在选定地应力测量地点施工导孔及安装孔，在取出的小岩芯完整位置处安装应力传感器。第二天，粘结胶固化24小时后，用取芯钻头套取岩芯实施应力解除，取芯过程中，岩体的应变则由应力计测量出来。应力解

24、除法原岩应力测试可分为以下九个步骤：(1) 明确应力解除法原岩应力实测的工程目的；(2) 测试位置的选择；(3) 测试地点及设备的准备；(4) 评估适合进行应力解除测量的层位；(5) 钻取导孔；(6) 安装应力计；(7) 取芯（应力解除）；(8) 三维应力计算；(9) 得出结果。具体的安装测试步骤如图2.3所示。固结24小时后，进行套芯解除，取出安装应力计的岩芯清理钻孔后，安装应力传感器大孔变小孔前，需施工变径孔，变径孔长度为48cm，小孔深度为30-35cm，孔径为38 mm大孔深度一般为910m，孔径为108 mm图2.3 应力解除法测量步骤示意图3 项目实施的目标及主要内容3.1 项目实

25、施的目标初步掌握赵楼煤矿西翼采区周边围岩的原岩应力大小与方向，确定西翼大巷周边围岩的垂直应力和水平应力的集中程度；在实测资料的基础上，结合地质力学评估的结果，分析原岩应力分布与巷道布置的关系，总结地应力分布规律，为巷道支护、采区设计及矿井动力现象防治提供科学依据。3.2 项目实施的主要内容本项目选取兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿西翼采区围岩为研究对象，采用理论分析、试验室试验和现场原岩应力实测相结合的综合研究方法，有针对性地对以下内容展开研究：3.2.1 工程地质条件分析在搜集现有资料的基础上，充分分析赵楼煤矿西翼大巷附近的构造及水文地质条件。3.2.2 原岩应力实测（1）进行赵楼煤矿西翼地质评

26、价，现场实地考察后，制定西翼巷道围岩地应力实测实施方案；（2）开展井下巷道变形资料分析及研究、地质构造形迹研究，初步推断地应力的分布方向；（3）根据井下现场揭露的条件，在西翼大巷施工4个原岩应力测试钻孔，布置4个原岩应力测试传感器进行原岩应力测试；（4）研究巷道布置与地应力特别是水平应力的关系；3.2.3 岩石力学试验现场采取岩石力学试件，利用地应力实测过程中打孔所取岩芯进行主采煤层围岩力学参数测试，以获取岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比等参数。4 项目实施方案4.1 项目实施步骤4.2 原岩应力实测的工程目的（1）确定矿井设计所需的原岩应力大小与方向；（2）为锚杆支护设计、长壁工作面支架选型

27、以及地表下沉预测等方面的计算机模拟提供原始数据；（3）确定井巷工程周围的垂直应力和水平应力的集中程度；（4）确定煤柱上垂直应力的分布情况；（5）通过测量顶板岩层中实际传递的应力（顶板岩层的残余强度）来评估锚杆的加固作用效果。4.3 原岩应力测点布置1、测点布置的基本原则为准确测量矿井原岩应力，原岩应力测点布置应遵循以下4个基本原则：（1）测量矿井原岩应力就是确定存在于拟开采区及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量是通过一个点一个点的量测来完成的。由于地应力状态的复杂性和多变性，要比较准确反映矿井开采区的地应力，就必须在开采区内进行一定数量的“点”测量，在此基础上通过数值分析和数理统计的

28、方法，进一步确定和描绘矿区的全部地应力状态。（2）进行地应力测量需在井下巷道进行，由于巷道周围岩体中的应力在掘进期间已受到扰动，在应用钻孔应力解除法测量时，安装应变传感器的小孔必须位于此影响范围以外。根据岩石力学分析，巷道掘进影响的范围一般为巷道宽度的35倍，此范围以外的区域为原岩应力区。（3）原岩应力测点应尽量避开构造复杂的地段，地质构造往往是地应力集中的部位，特别是构造较复杂地段。因此，为测量代表区域性的原岩应力，应避开此地段布置原岩应力测点。（4）测点布置应兼顾施工方便和工作人员的安全。2、原岩应力测点布置根据地应力原岩应力测点布置的基本原则，并结合赵楼煤矿西翼井下生产建设情况，在现有巷

29、道揭露范围内选择了三个测点进行地应力实测，第一个测点（编号为ZL-1）位于南部2#辅助运输大巷，第二个点（编号为ZL-2）位于南部辅助运输大巷，第三个点（编号为ZL-3）位于南部回风大巷，测点具体布置图见图4.14.3。图4.1 原岩应力测点ZL-1布置图图4.2 原岩应力测点ZL-2布置图图4.3 原岩应力测点ZL-3布置图4.4 原岩应力现场测试步骤4.5 原岩应力分布规律总结利用在西翼南部2#辅助运输大巷、南部辅助运输大巷和南部回风大巷布置的三个测点测定的原岩应力数据，结合地质力学评估的结果，分析西翼采区围岩原岩应力与地质构造的关系；在矿井原岩应力实测资料的基础上，分析原岩应力分布与巷道布置的关系，为采区工作面布置及巷道支护提供可靠依据。5 现有技术基础及条件5.1 企业简介济南贝克矿山工程技术有限公司为依托山东省煤炭科学研究所主要技术人员成立的主要从事煤矿技术