李红友，姚方兴

（1.临沂矿业集团菏泽煤电有限公司 郭屯煤矿，山东 菏泽 274000；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

煤炭是自然界中一种基础能源，储量大、分布广、可利用率高，同时又作为国家能源安全和经济安全的基础，在中国能源发展史上有着举足轻重的位置[1]。随着煤炭开采的深度加大，对巷道安全的要求就越来越高。地应力作为造成矿山巷道及地下工程变形、破坏的主要因素，其大小、方向等会对巷道的稳定性产生严重影响[2]。作为原岩应力的重要组成部分，地应力的变化与巷道的稳定息息相关。因此，对地应力进行准确地测量，分析其特征，对于巷道的支护和矿井安全十分必要[3]。空心包体法因其操作简单，准确度高[4-6]等特点，受到了国内外学者的广泛欢迎。高峰[7]采用应力解除法针对曹庄煤矿现场进行地应力测试，优化巷道支护参数，针对高应力软岩巷道围岩变形提出相应解决方法；高会春[8]将三维套孔应力解除地应力测试技术和空心包体应变计相结合，对东周窑矿东翼采区进行地应力现场实测以及围压率定实验，对空心包体应力解除法测试地应力的原理、仪器构造、测试过程等方面做了详细介绍的同时，对该矿区地应力分布规律做出详尽介绍；李晓鹏[9]测定软岩巷道围岩的物理力学参数，为软岩巷道控制方案提供数据支撑；康红普[10]对晋城矿区进行地应力场测试和研究，收集煤矿地应力数据，在建立“中国煤矿井下地应力数据库”的同时，绘制了中国煤矿矿区地应力分布图。

本文以郭屯煤矿采区为研究背景，利用空心包体类三维应力测量法，在测得郭屯煤矿巷道围岩地应力的同时对巷道围岩稳定性进行研究，为类似矿井的开采和支护提供一定参考价值。

1 概 况

郭屯煤矿地层自下而上分为奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系，区域内含煤地层主要赋存于二叠系山西组和石炭-二叠系太原组。矿区东起田桥断层，西界为煤系地层隐伏露头，总体为向东倾斜的单斜构造，地层倾角约为6°，属简单型构造。

2 地应力测量方法

2.1 空心包体法三维地应力测量元件

本研究项目用空心包体类三维应力测量法进行测量，应力计结构如图1、图2 所示。

图1 空心包体应力计结构Fig.1 Structure of hollow inclusion stress meter

图2 空心包体应变分布示意Fig.2 Hollow inclusion strain distribution diagram

该应力计由12 个电阻应变片分别埋入环氧树脂筒中制成。制作过程中将3 个应变花沿环氧树脂薄壁筒圆周相隔120°粘贴。然后在外层注入环氧树脂粘结剂，并将其嵌入到环氧树脂管内[11]。

2.2 空心包体法三维地应力测量原理

本文采用空心包体类环氧树脂三轴应变法，其应力解除过程详如图3 所示。

图3 测点应力解除过程Fig.3 Stress relieving process of measuring point

2.3 测点布置原则

（1） 应在尽量完整、层理不发育或胶结较好的岩体中布置测点。

（2） 侧孔深度应大于巷道或已开挖峒室跨度的2.5 倍。

在煤矿副井四叉门处布置地应力测试点，钻孔数据见表1。

表1 地应力测量钻孔状况Table 1 In-situ stress measurement drilling

2.4 地应力测试步骤

（1） 用工程地质钻，钻孔直径133 mm，并进行湿法钻井，将岩粉水等排出，再用36 mm 钻头同心钻进测量孔，深度约33 cm。

（2） 先将质量比为4.2∶1 的粘结剂填充到空心包体应力计圆筒内，柱塞插入内腔，用铝丝将其固定，再用定位器接送棒把空心包体送入钻孔中预定位置，继而推动安装杆，剪断铝丝，使粘结剂流入应力计与测量孔孔壁之间的间隙。15 h 后，粘结剂发生固化，记录应力计相应偏角β。

（3） 在应变仪相应位置处连接由应变片所引出的电缆线，调节应变仪使其读数为零。

（4） 每2 cm 进尺测量一次。当采集仪的数据不变时，停止钻机。

（5） 应力解除完毕后，取芯。应力解除曲线如图4 和图5 所示。

图4 1 号测试孔应力解除曲线Fig.4 Stress relief curve of No.1 test hole

图5 2 号测试孔应力解除曲线Fig.5 Stress relief curve of No.2 test hole

由图4 和图5 可得，12 个应变片的应力解除曲线规律性良好，应变片工作状态正常。解除套孔，套孔到达应变片所在位置之前，12 个应变片所测得应变值趋近于零；当套孔深度至测量断面时（即应变片所在部位），应变片测得数值均不断增加；当套孔深度在36~38 cm 时，应变片测得应变值趋于稳定，此时测点应力完全解除。

根据岩芯的围压率定实验，其弹性模量E 和泊松比ν 修正后的计算公式如下：

式中：εθ、εz分别为周向应变值和轴向应变值；R和r 分别为空心包体的外径和内径；P0为围压试验加载的外压；R1为空心包体内半径；R2为小孔半径；G1、v1分别为空心包体材料环氧树脂的剪切模量和泊松比；G2、v2分别为芯样的剪切模量和泊松比；ρ 为应变片在空心包体中的径向距离。

综上，可得地应力大小和方向，数据见表2、表3。

表2 两个钻孔的应力分量/MPaTable 2 Stress components of two boreholes/MPa

表3 主应力的大小及方向Table 3 The size and direction of principal stress

3 结 论

本文以郭屯煤矿采区为研究背景，利用空心包体类三维应力测量，对巷道围岩地应力进行了测试，其主要研究结论如下。

（1） 实测结果表明，第一主应力为水平应力，其方位角为100.44°～111.030°。

（2） 该矿最大水平主应力均值为15.7 MPa，为最小水平主应力值的0.60～0.62 倍，二者差值较小，有利于巷道稳定。

（3） 根据常用应力量级判断标准可得，该煤矿井下地应力整体上处于低、中地应力值区域，对巷道支护有利。