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1、硫磺沟煤矿采掘工作面冲击地压危险评价及监测解危方案目 录1 立项背景11.1 矿井概况11.2 地质概况11.3 采掘工作面概况21.4 “1.30”灾害描述31.5 灾害原因分析51.6 研究内容62 +777+665M水平地应力测试82.1 空芯包体测量方法简介82.1.1 地应力测量方法分类82.1.2 应力解除法92.1.3 空芯包体式应力解除法的基本原理112.1.4 空芯包体应变计的结构132.1.5 SDX定向仪152.1.6 矿山压力监测分站152.1.7 传感器围压率定机162.1.8 地应力测量工作流程162.2 硫磺沟煤矿地应力测量方案182.2.1 测量地点的选取原则1
2、82.2.2 地应力测点选取192.3 硫磺沟煤矿地应力测量结果及分析202.3.1 基础数据测量202.3.2 地应力测量计算结果202.3.3 地应力场特征分析212.4 测试结论243 （4-5）04工作面掘进地质构造探测263.1 巷道侧向地质构造反射共偏移探测263.1.1 基本原理及探测设备263.1.2 探测方案设计283.1.3 数据采集质量293.1.4 数据处理313.1.5 探测成果解释323.2 （4-5）04皮带顺槽震波超前探测353.2.1 探测方案设计353.2.2 数据采集质量353.2.3 数据处理383.2.4 探测成果解释393.3 （4-5）04工作面切
3、眼震波超前探测403.3.1 探测方案设计403.3.2 数据采集质量413.3.3 数据处理423.3.4 探测结果解释423.4 已揭露断层与推断断层的关系433.5 探测结论434 采掘工作面冲击地压危险性评价454.1 冲击地压影响因素454.1.1 煤岩冲击倾向性454.1.2 地质因素464.1.3 采掘技术因素474.2 煤岩样物理力学性质及冲击倾向性测试484.2.1 采样484.2.2 测试结果494.3 地质因素对冲击地压危险影响分析544.3.1 开采深度544.3.2 岩层结构554.3.3 煤层结构564.3.4 断层及褶曲574.4 采掘技术因素对冲击地压危险影响分
4、析584.4.1 采掘工作面位置584.4.2 采掘工艺影响594.4.3 巷道支护方式604.4.4 巷道层位624.5 采掘工作面冲击地压危险性评价指标体系634.5.1 评价指标选取634.5.2 隶属函数求解644.5.3 计算模型与结果分析664.6 （4-5）02回采工作面冲击地压危险评价664.7 （4-5）04工作面掘进冲击地压危险评价694.8 回风上山延伸掘进冲击地压危险评价724.9 副暗斜井延伸掘进冲击地压危险评价745 防冲支护方案785.1 现有支护系统存在的问题785.2 防冲支护方案785.2.1 （4-5）04皮带顺槽支护方案785.2.2 （4-5）04切眼
5、支护方案805.2.3 回风上山支护方案815.2.4 副暗斜井支护方案825.3 防冲支护要求845.4 支护系统吸能验算855.4.1 动力显现能量估算855.4.2 （4-5）04皮顺支护系统吸能验算865.4.3 （4-5）04切眼支护系统吸能验算875.4.4 回风上山支护系统吸能验算885.4.5 副暗斜井支护系统吸能验算895.5 迎头临时超前支护改进896 监测方案916.1 钻屑法监测916.1.1 钻屑法判定冲击危险的主要原理916.1.2 钻屑标准孔的布置方案916.1.3 临界指标的确定926.1.4 钻屑施工方法946.2 顶板离层监测977 解危方案及措施987.1
6、 大孔径卸压解危方法987.1.1 煤体大孔径卸压原理987.1.2 大孔径卸压施工参数987.2 爆破卸压解危方法1007.2.1 爆破卸压原理1007.2.2 爆破施工参数1007.3 解危效果检验1037.4 解危流程1037.5 过断层或破碎带区域的措施1057.6 建议购置的设备1068 结论及建议1071 立项背景1.1 矿井概况硫磺沟煤矿位于乌鲁木齐西部准南煤田头屯河区，头屯河中游之西侧，硫磺沟矿区中部，行政区划属昌吉市硫磺沟镇管辖。井田东距乌鲁木齐约40km，东北距乌鲁木齐火车西站24km，北距昌吉市50km，向南可达庙尔沟、天山林场等地，均有沥青公路相通，交通便利。1.2 地
7、质概况硫磺沟煤矿位于准南煤田头屯河区阿克德向斜南翼，地层分别划归中侏罗统西山窑组与头屯河组，其上被第四系冲洪积、坡积物等覆盖。西山窑组下段（J2x1）为主要含煤段，厚146182m，以湖沼相沉积为主。岩石组合为灰-灰黑色细砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩与煤。含煤37层，主要可采3层，即4-5，7，9-15号煤层,可采煤层总厚35.7448.20m。煤层间由细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主组成，其次局部夹薄层炭质泥岩，具旋回结构，其层间接触均为整合接触。其余为不稳定的不可采或局部可采煤层。西山窑组上段（J2x2）为不含煤段，厚130150m，以河湖相沉积为主。岩石组合为灰-灰绿色砂砾岩、砂岩、粉
8、砂岩、泥岩及少量炭质泥岩与薄煤组成。不含可采煤层。头屯河组下段（J2t1）属干旱环境下的河湖相与山麓相沉积，厚260m。岩石组合为杂色粉砂岩与泥岩、中粗粒含砾砂岩等。矿井目前开采煤层为4-5煤层，煤质为41号长焰煤，为黑色，条痕为黑褐褐黑色，光泽一般为油脂光泽，少部分为沥青光泽，比重和硬度中等，性脆，节理裂隙比较发育，断口以参差状断口为主，结构多成条带状结构。属于低灰、特低硫、低磷、中高发热量富油煤层，是良好的动力炼油用煤和民用煤。4-5煤层厚度5.56.8m，平均厚度为6.15m，煤层全区发育，较为稳定，自东向西略有增厚，沿倾向方向深部有变薄的趋势，多以单一煤层发育，中部变为有结构煤层，一般
9、含夹矸1层，为较稳定煤层。补勘三维地震勘探查出断层10条，可靠断层6条，较可靠断层4条。其中落差50m的断层2条，落差20mH50m的断层2条，落差10mH20m的断层2条，落差5mH10m的断层4条。详见断层统计情况见表1-1。表1-1 断层统计表断层名称性质走向倾向倾角()长度(m)断层落差(m)控制程度FD1逆NESE505510000-75可靠FD2逆NESE50601300-23可靠FD3逆NESE602800-13可靠FD4逆NESE55607500-25可靠FD5逆NNE-NSE50602100-7较可靠FD6 正E-NEENW50553000-10可靠FD7 正NENW6070
10、900-5较可靠FD8正NNENNW501700-5较可靠FD9 正NENW60708000-55可靠FD10 正EN55602800-5较可靠1.3 采掘工作面概况（4-5）04工作面为硫磺沟煤矿（4-5）02工作面的接续工作面，走向长度2750m，工作面长度180m。位于矿井西翼，布置在4-5煤层中，（4-5）02工作面北部，与（4-5）02工作面皮带顺槽水平距离36.8m，开切眼距矿区边界150m。此外，还有三条下山巷道在向深部延伸，包括集中回风上山延伸、主暗斜井延伸和副暗斜井延伸，其中集中回风上山延伸和副暗斜井延伸布置在4-5煤层中，主暗斜井延伸布置在9-15煤层中。各采掘工作面位置如
11、图1-1所示。图1-1 硫磺沟煤矿各采掘工作面相对位置图（4-5）04工作面井下标高+700+777m，工作面顺槽沿4-5煤层底板进行掘进，4-5煤层稳定，顶板以粉细砂岩为主，富水性强，底板多为泥岩、粉砂岩。工作面总体为一单斜构造，倾向北西，工作面煤层倾角19，掘进期间共揭露9条断层，断层为FD15FD23，断层均为逆断层，落差0.98.8m，对工作面回采具有一定影响。煤层顶底板柱状如图1-2。图1-2 煤层综合柱状图1.4 “1.30”灾害描述2013年1月30日早班，掘进一队5名工人完成第一循环后，前移前探梁，并上网准备联网，15时52分一声煤炮，瞬间上帮和迎头左肩窝处抛出大量煤体，将上帮
12、3人埋住，事故共造成2死1伤。灾害发生时，煤炮响声较大，在造成顶板冒落的同时，综掘机被颠动，巷帮炸帮。煤炮发生时，该段巷道顶板、底板和两帮围岩的震动显著。图1-3为本次灾害顶板冒落断面素描。(a)(b)(c)图1-3 “1.30”动力灾害顶板冒落断面素描(a)平面图(b)横剖面图(c)走向剖面图1.5 灾害原因分析根据调查组专家意见，造成本次灾害的主要原因有：（1）对硫磺沟煤矿地质构造应力认知不足，在生产实践中，对地质构造应力危害程度评估、存在发生机理、超前预控方案研究不够、不深。2009年进行了+860m、+796m水平地应力测试，垂直应力大于最大水平应力，为1.01.42倍，最大水平应力为
13、最小水平应力1.351.82倍。（4-5)04工作面两顺槽标高为+777m、+700m，随着向西部掘进，炸帮、片帮、煤炮现象增多，矿方高度重视，多次组织专业人员讨论分析，并咨询了相关专家学者，当时分析认为这些现象的原因可能是随着矿井延伸，地应力增加引起的，可以通过卸压方式解决，没有从构造应力场进行更深入细致的分析和研究。虽然矿井先后应用了综掘机截割刨头钻进卸压、改变截割工艺循序卸压、钻孔卸压、爆破卸压等方法，并根据实践效果确定了爆破和钻孔卸压相结合的方法，安全掘进了1000m左右，但是还是没有避免灾害的发生。根据本次专家组分析：矿井地质报告说明了井田位于北天山强震断裂带上，地震活动以强度大、频
14、率高、小震较多为特征，属级地震烈度区。另外（4-5)04工作面掘进期间共揭露9条断层，断层为FD15FD23，断层均为逆断层（由水平应力挤压形成的），落差0.98.8m。说明该矿井地层及构造处于受地震影响区域，存在较大的水平构造应力。根据新疆地震信息网报道1月31日10时29分玛纳斯县发生3.6级地震，邻近地区在1.30事故次日发生地震表明该地区存在大的构造运动。本次煤体在掘进暴露后，煤体由原先的高水平构造应力状态向二维垂直应力状态转化时，积聚在煤体及巷道顶板岩层内的弹性变形能突然释放，且左帮片帮处煤壁竖向煤体节理、劈理十分发育，使煤体破碎并沿滑移面抛出。在煤体抛出的同时，已承受水平构造应力及
15、超前支承压力等静载的掘进头前方顶板在该动载作用下，产生煤岩抛出的动力现象。（2）支护设计注重了支护强度，没有考虑到支护刚度问题。根据掘进期间出现的炸帮、片帮、煤炮现象增多，矿多次组织专业人员根据大专院校老师的建议进行讨论分析并进行了支护优化设计，提高了支护强度，并强化了支护质量监督检查和验收制度。此次事故现场锚杆拉拔力大于150kN，锚杆螺帽扭矩大于300Nm。事故现场未出现断锚杆、锚索现象，说明正常情况下，锚网索的支护强度是足够的。但通过此次专家组的分析：提出了支护刚度的概念，认为在集中构造应力场作用下和松散的顶煤的条件下，现有的支护设计约束不了掘进巷道围岩（煤体）的变形、位移，会造成围岩进
16、一步松散和破坏，使锚杆、锚索支护失去作用。已掘巷道出现的网兜现象，就说明支护刚度不足，其结果是造成巷道围岩体松散破碎，支护失效，应力向深部转移和集中，造成更大的隐患。（3）临时超前支护方式不适应突发的异常动力现象目前掘进迎头采用的是前探梁临时超前支护，这种支护方式在此次事故中既没有控制迎头的煤体喷出，也没有控制住已支护顶板（迎头后两排）的冒落，用于固定前探梁的锚杆一同垮落，前探梁失去支护作用，造成顶煤没有支撑，瞬间垮落，无法保护作业人员安全，需要进一步的改进。1.6 研究内容根据以上分析，为保证硫磺沟煤矿（4-5）04工作面后续掘进及其它各采掘工作面安全，必须首先弄清矿井当前采掘水平的地应力分
17、布情况、对掘进迎头附近构造分布进行探测评估，并结合煤岩冲击倾向性测试结果，从地质影响因素和采掘技术影响因素综合评价各采掘工作面可能存在的冲击地压危险，在此基础上对巷道支护方案、设备及工艺进行调整和优化，并制定相应的监测和解危方案。为此，开展以下工作：（1）地应力测试在+777+665m选取三个测点，测试各测点三个主应力大小及其各自方向，根据测试数据分析矿区内的地应力分布规律；（2）掘进迎头周围潜伏构造/应力异常探测（4-5）04皮带顺槽迎头超前150m潜伏构造/应力异常探测；（4-5）04皮带顺槽左帮50m范围潜伏构造/应力异常探测；（4-5）04皮带顺槽右帮50m范围潜伏构造/应力异常探测；
18、（4-5）04工作面切眼掘进超前50m潜伏构造/应力异常探测。（3）各采掘工作面冲击地压危险评价（4-5）02回采工作面冲击地压危险评价；（4-5）04掘进工作面冲击地压危险评价；回风上山掘进工作面冲击地压危险评价；副暗斜井掘进工作面冲击地压危险评价。（4）冲击地压防治方案制定掘进支护参数；标准钻屑量确定；应力异常监测方案；应力异常区域解危方案；解危效果的钻屑指标检验。2 +777+665m水平地应力测试硫磺沟煤矿上山巷道变形量较大，在(4-5)04工作面上、下顺槽掘进过程中迎头矿压显现较为明显，巷道局部围岩变形量较大。为了进一步了解硫磺沟煤矿地应力分布情况，分析巷道矿压显现明显的原因，有必要
19、对硫磺沟煤矿+777+665m水平区域进行地应力测试。2.1 空芯包体测量方法简介2.1.1 地应力测量方法分类岩体地应力测量，主要是指对处于地下原始状态的岩(矿)中的某点的应力或应变的测量。岩体原始应力状态的定量数据，是矿山开采和地下建筑工程所必需的资料。岩体的应力能使岩体介质的电阻率、磁化率和声波穿透速度等发生变化，也能产生光弹效应和X射线衍射效应。因此，从理论上讲，通过这些物理效应完全能够测量岩体的应力。目前，地应力测定方法很多，各种型号的地应力测量仪器也应运而生，型号达200种以上。参照各种测量方法的工作特点，把地应力测量的方法分为五大类，分别为：宏观类、微观类、地震类、电磁类和放射性
20、类。其分类及其各自的工作方法和适用范围详见表2-1。表2-1 地应力测量方法分类表类别组别测 量 方 法工 作 方 法适 用 范 围宏观类宏观变形水压致裂法在钻孔中进行加压至岩石破裂，测定破裂造成的压力值。仪器有液压传感器，压力计等。在地面和井下均可实用，是目前进行深部地应力测量的唯一方法。大地测量法(水准测量、经纬仪测量和三角测量)测量区域垂直和水平位移，测量三角网的边长和角度变化。仪器有水准仪、经纬仪等。适合区域性现今构造的概略分析。巷道壁变形测量测量巷道的径向变形和巷道壁的表面变形。仪器有各种应变计。多用于工程设计、施工中了解原地应力和应变的情况。宏观构造构造形迹法研究褶皱、断裂方向、节
21、理、小褶皱组合分析等。仪器有地质罗盘、皮尺等。地质构造专门调查研究，目前只能做定性分析。巷道变形、破坏调查法研究巷道变形特点，分析剥落岩石的位置和几何形状，观察裂隙方向。仪器有地质罗盘等。作为辅助方法概略的了解地应力状态。钻孔变形、破坏调查法研究钻孔中裂隙方向，岩饼厚度等。仪器有地质罗盘、皮尺等。作为辅助方法概略的了解地应力状态。微观类微观形变孔壁应力解除法通过测量解除前后孔壁的应变变化，计算应力。典型的测量探头是空芯包体三轴应变计。应用做多的测量方法，最适合在井下巷道中进行应力测量。做大优点是单孔一次可测得三维应力。孔底应力解除法通过测量解除前后孔底的应变变化，计算应力。测量探头有门塞式孔底
22、应变计等。精度较低。国际上曾广泛使用，目前很少使用。钻孔位移法通过测量解除前后钻孔孔径的变化，推算应力状态。仪器有光弹传感器等。应用的较多，要求岩石完整。测量三维应力必须在正交的三个孔中进行。钻孔应力法把刚性探头安装在钻孔中，测量解除前后的应力变化。典型的测量探头是压磁电感应变计。测量精度高，应用的较多，要求岩石完整。测量三维应力必须在正交的三个孔中进行。钻孔崩落椭圆形法测量钻孔椭圆形状，长轴代表最小主应力方向，长短轴之比可粗略估算压力值。适于脆性岩石，设备简单，精度低。钻孔应力扰动法在测量小孔中安装探头，并在其周围钻平行扰动钻孔，测量发生的孔壁径向变形。可利用生产钻孔进行测量。微观构造显微构
23、造分析法根据测定数据与应力的线性关系进行定量计算。一般用X射线法、电子显微镜透射法。目前处于探索阶段。应力矿物定向研究法矿物颗粒内部受应力作用的遗迹方面的测量定性统计。主要用于地应力的方向，目前尚无法确定地应力的大小。物理相态法利用岩石物理相态，判别地应力的量级。用于测量地应力大小，尚无法确定地应力的方向。地 震 类超声波法超声波发射法测量岩体中弹性超声波的速度和幅度。仪器有超声波传感器。一般用于测量地应力的方向和应力的相对变化。超声波测井测量超声波和面波的速度和幅度。仪器又超声波传感器。一般用于测量地应力的方向和应力的相对变化。地震波法天然地震法测量地震波波速，进行震源机制解。仪器有地震仪等
24、。是求解震源应力状态的方法。人工地震法重复进行人工爆破，用地震检波器接收地震波。进行分析对比波速变化，从而确定地应力状态。属于区域性研究，可用于确定主应力方向，较难确定地应力的大小。电磁类变形电阻法用电位计定点，重复测定岩石电阻率的变化，推算应力。研究范围从0.1m到几十米。地面研究中经常受到水和其它因素干扰。导磁率法用磁力仪定点，重复测定岩石磁化率的变化，推算应力。应用范围尚未确定。放射性类放射法利用g射线穿透岩石，重复测定其衰减强度等。应用范围尚未确定。2.1.2 应力解除法2.1.2.1 应力解除法的种类（1）钻孔位移法该法又称为钻孔变形法。它是通过测量解除槽开出前后钻孔孔径的变化来测量
25、地应力的。使用的传感器称为钻孔变形计。（2）钻孔应变法该法又分为孔底应变法和孔壁应变法。孔底应变法是通过测量解除前后钻孔底面的应变变化来测量应力的；孔壁应变法则是通过测量解除前后钻孔孔壁表面的应变变化来测量地应力的。（3）钻孔应力法该法是将刚性的钻孔变形计置于钻孔内，利用测量解除前、后变形计上的压力变化来测量地应力。变形计上的压力变化与钻孔孔径变化有关。通过力学分析，可以建立变形计的压力与地应力的解析表达式。该刚性变形计称为钻孔应力计。2.1.2.2 应力解除法常用的测试仪器地应力的测试仪器很多，这里只介绍几种常用的仪器。（1）KX2011型空芯包体式三轴地应变计KX2011型空芯包体式三轴地
26、应变计是由地质力学研究所制造的。这种应变计是澳大利亚CSIRO应变计的一种改进型，目前这种测试仪器在我国得到广泛的应用。（2）YG-73型和YG-81型压磁地应力计YG-73型和YG-81型压磁地应力计是由地质力学研究所和地壳应力研究所研制的，是对瑞典哈斯特应力计的一个改进。这种测试仪在我国得到广泛的应用。（3）USBM钻孔变形计该变形计是由美国矿物局研制的，是国际岩石力学学会实验方法委员会建议采用的一种变形计。该变形计可安装在孔径为38mm的钻孔中，可测三个方向的直径变化，灵敏度为钻孔直径的十万分之一。该应力计在套芯过程中可牢固地固定在测量孔中，不会产生滑动。它具有良好的防水性能，并能与讯号
27、电缆分离。通过贴有应变计的触头与孔壁相接触，量测钻孔直径的变化。USBM钻孔变形计使用电阻应变仪进行读数，使用率定装置进行定期率定，使用双向模量率定台测量岩芯的弹模。（4）36-2型钢环式钻孔变形计该变形计是由中国科学院武汉岩土力学研究所研制的。变形计中有4个钢环，每个钢环上贴有应变片，可量测互成45的四个直径方向的直径变化。该应变计可安装在36mm直径的岩石钻孔中。该方法需要测量岩石的弹性模量和泊松比。（5）CSIR三向应变计CSIR三向应变计与KX2011型空芯包体三轴地应变计的原理相同，也是用来进行孔壁应变测量的。它可在单孔中通过一次套芯解除获得三维地应力状态，所不同的只是应变计的结构不
28、一样。（6）孔底应变计这种应变计是李蔓于1964年提出来的。该应变计有一个应变花，由34个应变片组成。使用该应变计需磨平孔底，将应变计贴在孔底上，通过套芯测量孔底上的应变，从而计算平面应力。2.1.3 空芯包体式应力解除法的基本原理空芯包体测量方法属应力解除法(也称套芯法)，是测量地应力绝对值的常用方法。其原理简单来说，就是在测量地应力的地方先打测量小孔，把测量元件安装在预定的深度位置，记录仪器读数，然后钻一个与小孔同心的大孔，这一过程称为套芯应力解除。在应力解除槽开挖过程中，由于岩芯脱离了地应力的作用而发生弹性恢复，钻孔发生相应的应变，仪器读数也跟着发生变化。利用钻孔的应变和变形，按照弹性理
29、论推导出的公式，计算出地应力的大小和方向。接下来对空芯包体式应力解除法原理进行具体阐述。（1）钻孔围岩应力分布公式岩体中的一点的原岩三维应力场可由直角坐标系中的6个分量()来表示，而孔壁围岩的三维应力场由柱坐标系中的6个分量()来表示，两组坐标系的方向参见图2-1。图2-1 钻孔位置的直角和柱坐标系示意图由弹性力学坐标变换方法可知钻孔壁附近的应力场与原岩应力场之间的关系为公式(2-1)(2-6)： (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) (2-6)上述公式中，。柱坐标系的z轴的方向和直角坐标系的z轴相一致。柱坐标系的角从x轴逆时针旋转计数为正。（2）孔壁应变和原岩三维应力分
30、量之间的关系图2-2 电阻应变花的应力状态示意图孔壁附近a=r，可以近似的看作平面应力状态，只有，三个应力分量，每个电阻应变花的4支应变片所测的应变值，(即)和它们的关系为(参见图2-2)： (2-7) (2-8) (2-9)式中，分别是孔壁周向、轴向和与钻孔轴线成方向的应变值，为剪切应变值。将式(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-5)代入式(2-7)、(2-8)、(2-9)，可以得出孔壁应变，与原岩应力分量之间的关系，即公式(2-10)(2-13)： (2-10) (2-11) (2-12) (2-13)每组应变花的测量结果可得到4个方程，三组应变花共可得到12个方程，其中至少有6个独
31、立方程，因此可求解出原岩应力的6个分量。（3）关于空芯包体式应变计的修正由于空芯包体应变计中，应变片不是粘贴在孔壁上，而是与孔壁有1.5mm左右的距离，因而其测量出的应变值和孔壁真实的应变值之间是存在差异的。为了修正这一差异，沃罗特尼基和沃尔顿在公式(2-10)(2-12)中加入了4个修正系数，统称K系数，其形式如公式(2-14)(2-16)： (2-14) (2-15) (2-16)2.1.4 空芯包体应变计的结构我国常用的空芯包体应变计是由地质力学研究所制造的KX2011型空芯包体式三轴地应变计。它是利用孔壁应变解除法进行地应力测量的仪器，可在单孔中通过一次套芯解除应变获得三维应力状态。其
32、使用方便、安装操作简单、成本低、效率高。这种应变计是澳大利亚CSIRO应变计的一种改进型，由GWorotnichi、RJWalton(1976年)设计。应力计由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成。将3枚应变花(每枚应变花有4个应变片)沿环氧树脂筒圆周相隔120粘贴，然后再用环氧树脂浇注外层，使电阻应变片嵌在筒壁内(外层厚度约为0.5mm)。在应变计的顶部有一个补偿应变片(图2-3)。图2-3 三组应变花的分布位置示意图从左到右依次为：截面投影图，A、B、C三组应变花的粘贴关系图，钻孔中的坐标关系图KX2011型空芯包体三轴地应变计结构如图2-4所示。环氧树脂圆筒有一个内腔，用来装粘结剂，另
33、有一个环氧树脂柱塞。使用时，将圆筒内腔装满粘结剂，让柱塞插入内腔约1.5cm深处，用固定销将其固定。柱塞的另一端有一导向定位头，以便将应变计顺利地安装在小孔中所需要的位置上。将应变计送入钻孔中预定位置后，用力推动安装杆，可使固定销切断，继续推进可使粘结剂经柱塞小孔流出，进入应变计和小孔壁之间的间隙里，经过一定的时间，粘结剂固化后，即可进行套芯解除。图2-4 KX2011型空芯包体三轴地应变计结构示意图1安装杆；2定向器导线；3定向器；4读数电缆；5定向销；6密封圈；7环氧树脂筒；8空腔(内装粘胶剂)；9固定销；10应变计与孔壁之间的空隙；11柱塞；12岩石钻孔；13出胶孔；14密封圈；15导向
34、头；16应变花应变计的外径为35.5mm，工作长度175mm，可安装在直径为3638mm的小钻孔中，应变计具有良好的绝缘防水性能。2.1.5 SDX定向仪采用SDX水平定向仪确定水平或倾斜钻孔中地应力计应变片的方向。它由显示器和转换器两部分组成。显示器由三位半袖珍式数字万用表改装而成，它的作用是供给转换器一个恒压电源和显示测量读数。转换器由圆形的高精度线性快速电位器、重锤、外壳、安装卡头组成。电位器固定在外壳上，重锤固定在电位器旋转轴上，使重锤与滑动臂相对固定不变，由于重力作用，重锤永远指向重力方向，所以滑动臂的指向也固定不变。当电位器电阻膜片随着外壳旋转时，滑动臂与电阻膜片上的参考点之间的夹
35、角将发生变化。测出电压的变化即可算出探头的安装角度。2.1.6 矿山压力监测分站目前空芯包体地应力测量中使用的KJF327-F矿山压力监测分站由原煤炭科学研究总院北京开采所(现煤炭科学研究总院开采设计研究分院)研制。特点是稳定性好、灵敏系数调节范围宽、电阻平衡范围宽、量程宽、分辨率高、精度高。仪器按安全型电路设计，密封便携，可应用于野外及煤矿井下，是现场进行钻孔应力解除中可靠的测量工具。图2-5为KX2011型空芯包体应变计和KJF327-F矿山压力监测分站。图2-5 KX2011应变计及KJF327-F矿山压力监测分站2.1.7 传感器围压率定机传感器围压率定机的作用是求算岩石的弹性模量和泊
36、松比。为了求算岩石的弹性模量和泊松比进行率定，做出率定曲线。率定机主要由围压器和油泵组成，设备如图2-6，原理结构如图2-7。图2-6 围压率定设备图 图2-7 围压率定设备结构图在应力解除之后，将带有元件的岩芯进行密封处理，之后放入率定机中进行率定。岩芯中的水份散失很小，可以认为岩芯的力学性质变化不大。测量时，取出带有空芯包体探头的岩芯，使用围压率定机进行率定，将套芯之后所取出的带有元件的岩芯放入元件率定机中，用油泵将油打入围压器中，给岩芯施加均匀围压到预定值，然后退压，同时进行仪器读数，就可以画出率定曲线。在计算主应力时，需要岩石弹性模量E和泊松比这两个参数，现场地应力测量时是通过围压率定
37、机来测量的。同时围压率定机还要检测应力计可靠性。如果时间允许，也可将取得的岩芯拿到实验室用试验机进行试验，这样结果会更可靠。2.1.8 地应力测量工作流程（1）钻进测量孔：施工流程如图2-8所示。图2-8 施工流程图1钻直径130mm大孔；2磨平孔底；3钻喇叭口；4钻直径36mm小孔；5安装应力计；6套芯解除应力；7折断岩芯并取出在选定测点先钻一直径130mm的钻孔达预定深度，(选定地点要避开巷道周围应力集中区，对于水平孔，钻孔要上倾58，便于水和岩粉顺利排出)；用相同口径的尖钻头打一个导向用的喇叭口，深度约68cm(如果孔较浅，岩石节理裂隙较发育时，一般尖孔打5cm左右，以使开钻解除时不致于
38、因起始岩芯壁薄破碎掉块，而卡断岩芯，导致解除失败。)。然后钻一个孔径为36mm的测量小孔。打测量孔应该要求孔壁圆滑，孔径一致；小孔深度为3540cm，小孔钻进过程中，加压必须均匀，并保证足够的水量，以使岩粉排出；要根据空芯包体外径和岩性情况，挑选合适外径的小孔钻头；打测量小孔过程中，最好不要中途停钻，保持均匀速度钻进，直至所需深度，以保证元件安装部位孔径一致，孔壁光滑。测量小孔打成后，用清水将孔内冲洗干净。（2）定向：将SDX水平定向仪安装在安装杆的前部，引出导线。定向仪的前部则用于安装空芯包体应变计。（3）应变计的安装：清洗和擦净钻孔后，准备安装应变计。将空芯包体应变计按规定方向安装于定向仪
39、的前部，引出测量导线，调整好定向插头，先将A、B两种胶结剂按比例倒入应变计空腔内，固定好柱塞，用带有定向仪的安装杆小心地将应变计送到小孔内，用力将柱塞推入应变计空腔内，将胶结剂挤入应变计与小孔之间的缝隙中，此时应变计安装完毕。这时要注意，不要让导线缠绕在钻杆上，并按要求施加适当的预应力，安装完应变计后将定向仪读数记录下来。（4）解除前的准备工作：经24小时固化，在测量应变计安装角度之后，取出定向仪，解除前将导线从钻头、岩芯管、钻杆穿过，最后从旋转水接头(钻杆的水接头)处引出，与仪器相连接，以便用仪器监测各元件在解除过程中读数变化情况，这时可以开始冲水试验，水温应与环境温度一致，在冲水过程中，仪
40、器读数稍有变化，经过一段时间后，仪器读数就稳定下来，此时可以开钻解除。（5）解除过程：用直径130mm的套芯钻头在原钻孔内延深钻进，即是与小孔同心钻取岩芯，这一过程称为开挖应力解除槽，随着应力解除槽的加深，岩芯逐渐脱离周围应力场作用，于是岩芯发生弹性恢复，安装于小孔中应变计上的荷载随之变化，因而，仪器读数也发生变化。应力解除槽逐渐加深，在应力解除过程中要跟踪测量，当套芯进尺超过应变计安装位置时，且各应变片读数趋于稳定时，停止钻进取出岩芯。为了取芯顺利，通常多钻进几厘米，经验表明，空芯包体应变计的解除深度应大于40cm。现场取得的应力接触后的岩芯如图2-9所示。图2-9 应力解除后的岩芯2.2
41、硫磺沟煤矿地应力测量方案2.2.1 测量地点的选取原则地应力测量地点及设备的选择要满足以下要求：（1）测量矿井原始地应力就是确定未受开采扰动的三维应力状态，这种测量是通过逐点测量来完成的。由于地应力状态的复杂性和多变性，要比较准确的反映整个矿井区域内的地应力分布情况，就必须在开采区进行一定数量的“点”测量，通常不少于两个点。一般情况下，测点布置在不同采区、不同水平内。（2）测量地点的地应力值应能确切反映该区域岩体应力的一般水平，而地质构造往往是地应力集中的区域，特别是构造较复杂的阶段。同时由于人工采掘活动产生的采动应力，也会对原岩应力产生扰动。因此选择的地点应避开褶曲、断层等地质构造带，且无采
42、动影响。尽量将测点位置选在稳定岩层中，如果需要穿层打孔，要保证在这个范围内岩石符合要求。（3）测量中使用空芯包体应变计，测量地点要尽量选在层厚合适的稳定岩层中，岩石越致密、坚硬、所含有的裂隙越少，测量的准确率越高。如果没有条件完全合适的岩层，首先考虑的是岩石的硬度和水解性，以坚硬、遇水不溶解不膨胀的岩石为好，裂隙的发育程度可以作为次要因素考虑。（4）空芯包体应力解除法必须使用全液压坑道钻机(如图2-10所示)，为了能够摆放钻机且保证钻孔工作的正常进行，所选巷道的宽度至少要4.5m。图2-10 地应力测试用全液压坑道钻机（5）由于巷道周围岩体中的应力在掘进期间已受到扰动，在引起钻孔应力解除法测量
43、时，安装空芯包体的小孔必须位于此影响范围以外。根据岩石力学分析，巷道侧向应力影响范围一般为巷道宽度的2倍以上，钻孔深度通常在1012m之间。（6）选择测量地点时还必须注意避免地应力测量期间与巷道施工或其他生产工序的相互影响，同时选择接水、电方便的地点。打钻使用的是金刚石钻头，钻孔过程中需要大量的水用来润滑，因此要保证测量地点具备较高的水压。2.2.2 地应力测点选取硫磺沟煤矿地应力测点布置如图2-11所示，测点情况如表2-1所示。图2-11 硫磺沟煤矿地应力测点位置表2-1 硫磺沟煤矿地应力测点基本情况测点编号测点位置巷道宽度(m)地面标高(m)井下标高(m)深 度(m)岩性1(4-5)04轨
44、道顺槽甩车场导线点拐2前2.2m4.8+1123+777.1345.9细砂岩2(4-5)04皮带顺槽导线点P25前54m4.95+1201+719.1481.93集中回风上山至+668m水仓开口向里6.5m4.5+1113.3+665.1448.22.3 硫磺沟煤矿地应力测量结果及分析2.3.1 基础数据测量基础数据测量主要包括应力解除过程中空芯包体周围12枚应变片的应变量监测及钻取岩芯的围压率定。应力解除的目的是获得测点岩芯在解除应力作用后恢复的应变，并以此为基础计算该点的应力大小和方向。围压率定是为了获取岩芯在围压条件下各方向的弹性模量和泊松比。从2013年2月25日开始进行地应力测量的准备工作，到3月14日完成地应力测量工作。应力解除过程中，取芯钻杆每前进2cm采集一次，每孔采集2025次。从应变变化曲线判断各个应变片(每个通道代表一个应变片)的工作情况。如果应变片工作正常，最终各条曲线都将趋于平稳，这个稳定值即作为计算地应力的数据。装有包体的岩芯取出后，使用围压率定仪将其率定，以计算出各测点岩芯的弹性模量及泊松比。以3#测点为例，率定曲线如图2-12所示。各测点的率定结果如表2-2。图2-12 3#测点岩芯围压率定曲线表2-2 岩芯围压率定结果编号弹模/MPa泊松比1#测点岩
