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摘要：根据地应力测量数据，分析了浅部煤矿井下地应力分布特征与变化趋势，并与深部煤矿进行了比较。通过实例分析，介绍了地应力测量结果在浅部煤矿井下工程中的应用情况。浅部煤矿井下地应力受多种因素影响，测量数据离散性 很大，随测点埋深的变化规律不明显;水平应力占绝对优势。将地应力测量数据应用于浅部煤矿煤柱尺寸优化、锚杆支护参数设计，在保证巷道安全与支护效果的前提下，提高了煤炭资源采出率，降低了巷道支护成本。
关键字：煤矿;浅部;地应力测量;水压致裂;应力分布特征
煤炭开采中涉及的矿井开拓部署、巷道布置与支护设计，采煤方法与工艺，采场矿压显现特征、岩层运动与破坏规律及采场岩层控制，冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的机理与防治，均与煤岩层中的地应力有密切关系。弄清煤矿井下地应力分布规律对实现安全、高效开采具有重要意义。
1 浅部煤矿井下地应力测量
1. 1 地应力测量方法与仪器
在煤矿井下巷道中采用水压致裂法进行地应力测量。钻孔在巷道顶板中部垂直向上布置，测量水平面上的最大与最小水平主应力。垂直应力由上覆岩层自重估算得出。为测得原岩应力，测点位置应避开采煤工作面周围采动应力影响和掘巷引起的巷道围岩应力重新分布区域。
地应力测量仪器采用煤炭科学研究总院开采研究分院开发的 SYY－56 型小孔径水压致裂地应力测量装置，如图 1 所示。该测量装置由小孔径封隔器、印模器与定向仪、高压泵、储能器及数据采集分析装置等组成。测量钻孔直径为 56 mm，钻孔深度根据巷道具体条件确定，一般为 20 ～30 m。
2 浅部煤矿井下地应力测量结果分析
2. 1 地应力场类型及大小
88 个测点的地应力测量数据显示，最大水平主应力大于垂直主应力的测点有 84 个，占总测点的95. 5%，水平应力占绝对优势，属于典型的构造应力场类型。进一步细分，存在 3 种应力场: (1)σH＞σV＞σh 型，共 31 个测点，占总测点数的35. 2%。
(2)σH＞σh＞σV ，共 53 个测点，占总测点数的60. 2%。
(3)σV＞σH＞σh ，共 4 个测点，占总测点数的4. 5%。
在浅部煤矿井下地应力场中，大部分情况下，最大水平主应力为最大主应力，垂直应力为最小主应力，最小水平主应力为中间主应力。
2. 2 地应力值随埋深的变化规律
从图 1 看出，水平应力总体上随着埋深增加有增大的趋势，但由于各矿区地质条件、岩石性质差异较大，而且浅部煤矿井下地应力场受地形、地表剥蚀、风化、温度、地下水等的影响作用更为显著，导致地应力测量数据离散性很大，特别是最大水平主应力的离散范围最大。
图1 浅部煤矿井下地应力散点分布
2. 3 最大水平主应力与垂直主应力的比值随埋深的变化规律
最大水平主应力和垂直主应力的比值(侧压比)随埋深的变化如图2 所示，不同侧压比的分布如图:3所示。
2. 4 最小水平主应力与垂直主应力的比值随埋深的变化规律
最小水平主应力与垂直主应力的比值 k 2 随埋深的变化。与 k 1 的分布类似，k 2 也具有显著的离散性，但离散范围小于 k 1 ，而且随着埋深增加，k 2的离散范围逐渐减小。
3 单孔应力测量结果及分析
为了解距巷道顶板不同深度的围岩应力分布规律，在陕西何家塔煤矿一采区辅助运输巷、50104 回风巷一联巷顶板进行了单孔、钻孔不同深度的多次水压致裂应力测量。两条巷道均沿煤层顶底板掘进，煤层厚度约为 3 m。测量结果见表 2。由于钻孔垂直巷道顶板向上布置，表中巷道埋深为顶板表面的深度，因此，测点埋深为巷道埋深与测量深度的差值。应力测量结果表明:
(1)巷道顶板岩层水平应力总体上随着钻孔深
度增加不断增大，当钻孔深度达到一定值时，最大、最小水平主应力趋于稳定。对于一采区辅助运输巷钻孔该值为 12 m 左右，而 50104 回风巷一联巷为 13 m左右。巷道宽度为5 m，高度为3. 2 m，外接圆半径为3 m。可见，两个钻孔应力趋于稳定的深度均超过巷道外接圆半径的 4 倍，可以认为该处受巷道开挖的影响已经不明显，测量值可作为原岩应力值。在离巷道顶板表面较近的位置，受巷道开挖影响明显，水平应力显著降低，而且最大水平主应力的降低幅度大于最小水平主应力。
(2)岩性和岩层强度对水平应力有明显影响。
一般情况下，岩层强度与刚度越高，水平应力越大。如一采区辅助运输巷钻孔中，处于7. 5 m 深度的中砂岩，比其上下附近的中砂岩强度高，该处的水平应力也明显较大，甚至高于10 m 处粉砂岩中的水平应力。
5 结论
(1)浅部煤矿井下地应力由于受地质条件、岩石性质及地形、地表剥蚀、风化、温度等多种因素的影响，导致地应力测量数据离散性很大，地应力值随测
点埋深的变化规律不明显。
(2)浅部煤矿井下最大水平主应力与垂直主应力的比值主要集中在 1 ～ 3;最小水平主应力与垂直主应力的比值大部分在 0. 5 ～ 2. 0;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于 1. 0 ～2. 5。
(3)浅部煤矿井下最大主应力与最小主应力之差同垂直主应力的比值离散性很大，最大值超过 2。该比值越大，岩体中的剪应力越大，越容易发生剪切破坏。但浅部煤矿井下地应力值本身不大，即使该比值较大，但剪应力值不一定很大。
参考文献：
[1]浅埋煤层长壁开采超前支承压力变化特征[J]. 任艳芳,宁宇.煤炭学报. 2014(S1)
第一作者：段志勇，男，1987年4月，山西临汾人，助理工程师，学士，毕业于山西大同大学，从事煤矿瓦斯治理工作。
论文作者:段志勇1,牛慧刚1,陈梅华2,徐云辉2,白新华2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/3
标签：应力论文; 巷道论文; 水平论文; 井下论文; 测量论文; 煤矿论文; 比值论文; 《基层建设》2017年第29期论文;