浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用

采用煤矿井下小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等5省（自治区）的10余个浅部煤矿区,进行了88个测点的地应力测量,最浅测点的埋深仅为38 m。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;地应力场以σH>σh>σV型为主,水平应力占绝对优势。最大水平主应力与垂直主应力的比值主要集中在1~3之间;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;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较大,最大值超过2。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。     

深部高应力矿井原岩应力测试与生产影响分析

本文通过应力解除法在郭屯煤矿巷道中选取了4个测点,进行原岩应力测试,分析原岩应力分布规律以指导矿井更加安全高效的生产。结果显示:最大主应力为水平应力,方向为119.03o～122.01o;工作面巷道掘进方向与最大水平应力已接近垂直,水平应力对巷道围岩控制和底板破坏深度影响严重。     

潘三煤矿13号煤层地应力分布规律研究

利用空心包体应力计法在潘三煤矿二水平东翼13-1煤采区、西三C组中部采区共计6个测点进行了地应力测量工作，分析得出了潘三煤矿深部地应力分布规律:最大主应力接近水平，且明显大于垂直应力，地应力场中水平主应力占主导优势地位，水平主应力接近于南北向，采区巷道受水平主应力方向性影响显著。深部地应力场中最小主应力σ₃略小于垂直应力σ_v，中间主应力σ₂略大于垂直应力σ_v，地应力场呈现σ₁>σ₂>σ_v>σ₃的应力关系，测试结果可为潘三煤矿开采过程中的巷道支护和煤炭安全高效开采提供科学依据。     

潞宁煤矿深部巷道原岩应力分布规律研究

针对潞宁煤矿深部巷道地质条件复杂等问题，文章通过原岩应力原位测试技术开展相关测试。结果表明，潞宁煤矿深部巷道原岩应力场为最大水平主应力主导型应力场。文章分析了潞宁煤矿深部巷道最大主应力与最小主应力之差与垂直主应力的比值等不同侧压比及最大剪应力随埋深变化规律，为潞宁煤矿巷道布置及支护设计提供可靠基础参数。     

水平应力对巷道围岩稳定性的影响

采用理论分析方法研究了巷道布置与地应力场的关系,利用数值模拟方法分析了不同巷道轴线与最大水平主应力夹角的情况下,巷道围岩应力分布与变形特征。指出随着夹角增大,水平应力分布从对称变为非对称,应力降低区与升高区也发生变化;当夹角增大到一定值,非对称性逐渐降低,到90°时又出现了对称分布;巷道变形在夹角20～70°变化明显。在山西潞安常村煤矿井下进行了地应力测量,分析了地应力对巷道变形与破坏状况的影响,验证了理论分析与数值模拟结果。     

长平煤矿地应力分布规律研究及其应用

随着长平煤矿开拓延伸,地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出,在全矿进行地应力实测,并分析地应力场分布规律具有重要意义。利用澳大利亚钻孔套芯应力解除设备,在全矿选择9个点进行地应力三维测量。实测数据表明:井田东部与西部水平主应力受褶断的影响差异较大,属于构造应力场类型,地应力水平从东到西逐渐由中等应力区向高等应力区发展;采用回归方法分析了地应力随埋藏深度的变化规律以及水平主应力与垂直主应力的比值同埋藏深度的关系;利用地应力分布规律分析地应力对现有巷道的影响,对未开采盘区巷道的布置和支护设计提供参考。     

金川龙首矿西二采地应力状态分析

为保证龙首矿西二采区开采和支护工程的顺利实施,在龙首矿西二采区1 430 m、1 514 m、1 610 m3个中段巷道上,采用空心包体应力解除法进行地应力测量,共获得6个测点三维应力测量数据,同时绘制各个测点不同法线方向的截面应力椭圆。结果表明：在井下100~280 m深度范围内,最大主应力量值约为10~14 MPa,属于中等应力水平;测点2、5、6最大主应力量值与最小主应力量值差值较大,范围在8.2~11.2 MPa;地应力状态特征参数KHh、KHV、Kav分布范围分别为1.43~4.81、1.06~3.1、0.88~2.28,基本在先前的参数研究范围内;各测点最大水平主应力大于垂直应力,构造力处于主导地位,但从各测点主应力与水平面的夹角大小可知,非水平应力场特征开始出现,显示该区应力特征的复杂性;最大主应力的方向为NNE、NWW2组,优势方向为NNE向,至于NWW方向是否可能成为西二采区新的最大主应力的优势方向还需进一步进行地应力测量工作方可得出结论。     

中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律

收集了采用井下小孔径水压致裂地应力测量装置获得的煤矿地应力数据，以及其他采用应力解除法、水压致裂法等获得的煤矿地应力数据，共计1 357条。在此基础上建立了“中国煤矿井下地应力数据库”，绘制了中国煤矿矿区地应力分布图。分析了我国煤矿井下地应力分布特征和主要影响因素，取得以下研究成果:① 埋深是影响煤矿井下地应力的重要因素。垂直应力总体上随埋深增加不断增大，但数据存在一定的离散性。最大、最小水平主应力总体上也与埋深呈正相关关系，但数据离散性更大。② 在浅部煤矿，地应力类型主要为逆断型应力状态(σH>σh>σV);在千米深井，主要为正断型应力状态(σV>σH>σh);介于两者之间主要为走滑型应力状态(σH>σV>σh)。③ 水平应力与垂直应力的比值(包括最大、最小水平主应力与垂直应力的比值;平均水平主应力与垂直应力的比值;最大水平主应力与最小水平主应力之差与垂直应力的比值)，埋深越小，这些比值离散性越大，分布范围越广。随着埋深增加，比值的离散性和范围越来越小，并逐渐趋于某一定值。④ 粉砂岩、细砂岩、泥质砂岩和泥岩4类岩性地应力数据统计结果表明，总体上，岩石强度越高，承受的水平应力越大。⑤ 弹性模量较大的岩石，水平应力较高;弹性模量较低的松软破碎岩层，水平应力较低。     

张集煤矿北区原岩应力实测与分析

采用应力解除法,对张集煤矿北区测点的原岩应力进行实测和分析,得到了各测点原岩应力的大小和方向。结果表明,张集煤矿北区的最大水平主应力分别约为最小水平主应力的1.65~2.79倍和垂直应力的2.58~2.66倍,原岩应力的分布对深部煤矿岩层的变形破坏形式和矿压显现规律均有较大的影响。根据实测发现原岩应力的最大水平应力方向为NWW-SEE方向,为减小原岩应力对巷道围岩稳定性的影响,巷道走向宜布置为NWWSEE方向。张集煤矿原岩应力的实测和分析对揭示矿压显现规律具有重要意义,对巷道走向布置具有参考价值。     

巷道宽高比对围岩稳定性影响的模拟研究

为了确定不同应力场内巷道变形特征,以某矿5103工作面巷道为研究对象,建立了同等断面面积情况下以构造应力为第一主应力和以垂直应力为第一主应力的两种模型,并分别取宽高比为0.75、1、1.5、2四种情况下巷道剪切塑性变形和剪切破坏区域分析。结果表明,在构造应力为第一主应力场内,巷道宽高比越小,顶板剪切应变的最高量值越大,而且剪应变量值较高的区域范围越大;在垂直应力为第一主应力场内,巷道宽高比越小,两帮剪切应变的区域越小。     

山西煤矿地应力分布特征及其应用研究

随着开采强度的逐年增加,山西煤炭开采深度不断延伸,矿井地应力不断增大,对围岩的破坏与影响越加突出,给煤矿安全生产和顶板支护产生巨大威胁。研究发现,山西煤矿地应力南北差异较大,但总体地应力方向和山西NNE-NEE的区域现在构造应力场方向一致,部分地区受区域性地质构造的控制和影响较大,发生扭转。山西煤矿矿区水平应力总体上随深度的增加而增加。浅部水平应力的增加速度大于垂直应力,深部与垂直压力逐渐接近。地质构造复杂区、煤岩结构突变带、开采扰动区和不稳定煤柱等煤矿应力集中地带是山西煤矿地应力集中的高危区域,冲击地压发生可能性较大。     

狮子山铜矿深部开采三维地应力实测及应力场分布研究

狮子山铜矿已进入深部开采阶段,针对深部巷道破坏严重、岩层移动加剧的现象,采用空心包体应力解除法对该矿进行三维地应力测量,共获取四个不同中段测点的三维地应力测试数据。地应力实测结果表明,四个中段测点的最大、最小主应力基本呈线性变化,最大主应力为45.59 MPa,随深度增加而增加,倾角变化范围为-8.68°～6.15°。最大水平主应力与垂直主应力的比值变化范围为1.41～2.75,说明矿区地应力以水平构造应力为主,剪应力值相对较大。九中段、十一中段、十二中段的最大主应力方向与矿体走向基本一致,而十五中段最大水平主应力方向与矿体走向近似垂直,地应力场的分布特征与工程地质调查和巷道变形调查结果相吻合。     

伊泰矿区井下地应力测量及应力场分布特征研究

采用小孔径水压致裂地应力测量装置在伊泰矿区3个煤矿完成了10个测点的原岩应力测量。实测数据表明：矿区应力场属于低地应力值区域,构造应力占绝对优势,最大水平主应力方向以北东方向为主;由于受埋藏深度、地质构造和地形地貌影响,各矿地应力值差别较大,最大水平主应力方向亦有所偏差。基于实测数据,得出最大与最小水平主应力,最大水平主应力和垂直应力的差值普遍较大,导致岩体内剪应力较大;分析了地应力随埋藏深度的变化规律,并得出水平主应力与埋深之间的关系。     

地应力对煤矿巷道围岩稳定性影响研究

为了确定采场布局和回采顺序,确保巷道围岩的相对稳定,分析了矿井所处的地应力状态、类型和作用特征。采用水压致裂地应力测量仪以及水压致裂法系统地对15号煤层进行地应力现场实测,得到不同位置的地应力数据。通过对实测数据的系统分析,得出盘区范围内地应力场的分布规律、巷道顶板稳定性受最大水平地应力的影响程度以及不同掘进方向巷道状况的差异。研究结果为采场合理布置及煤矿巷道支护设计强度提供计算参数,对于井巷布置和矿山安全高效生产具有重要指导意义。     

平行钻孔-套筒致裂法测试地应力试验研究及工程应用

针对套筒致裂法测试深井地应力存在的技术瓶颈,改进了套筒致裂法测地应力的套筒膨胀管装置;综合单孔套筒致裂法和控制致裂法的特点,提出了可操作性更强的平行钻孔-套筒致裂法地应力测试技术,通过试验对原有的单孔套筒致裂法和控制致裂法地应力计算公式进行了合理修正。由试验结果可得,单孔套筒致裂的修正系数为0.78,控制致裂的修正系数为0.83。现场地应力测试结果表明:朱集东煤矿-965 m轨道大巷最大主应力为23.16 MPa,东西水平方向;中间主应力为21.04 MPa,铅垂方向;最小主应力为13.01 MPa,南北水平方向。     

煤矿无轨胶轮车调度系统设计与应用研究

为保障煤矿无轨胶轮车的安全运行,设计了调度系统,系统整体上可以划分为地面部分和井下部分。井下部分主要负责车辆相关信息的采集,井上部分主要负责数据的存储、分析及车辆的调度。以直行窄巷道为例,详细阐述了无轨胶轮车的调度思路和详细调度过程。对调度系统中使用的主要硬件设施和软件程序进行了简要介绍。将调度系统应用到煤矿生产实践中,并对各项功能进行测试发现均达到了预期效果。调度系统的成功应用,在很大程度上提升了煤矿的安全性,为煤矿企业创造了较好的效益。     

沿空掘巷小煤柱合理宽度的数值模拟研究

针对某煤矿沿采空区边缘布置开拓巷道、护巷煤柱宽度的选择问题，依据矿井生产地质条件及现场实际，采用理论分析对煤柱的宽度范围进行确定，并利用FLAC^3D数值软件对7种宽度范围内的煤柱进行模拟，分别从沿空掘进期间煤柱的垂直应力分布、水平位移分布、表面位移对煤柱的稳定性进行对比分析，确定了合理的沿空掘巷煤柱尺寸。研究结果表明，理论公式计算得出煤柱的最大宽度为15.03 m；煤柱宽度为4～5 m时，煤柱内垂直应力峰值最小，煤柱向巷道移近量较小，且较稳定。     

三软煤巷掘进工作面应力集中数值模拟分析

针对三软煤层特殊地质条件下煤巷掘进工作面前方应力分布规律不清的问题,利用COMSOL软件对三软煤层煤巷掘进工作面建模,选取相似参数,研究巷道周围应力集中宽度。分别开挖5,10,15 m的距离,观察应力云图和应力变化曲线,同时分析工作面前方煤体Y方向应力图及沿路径Y方向应力变化曲线,得出掘进工作面前方卸压区范围为0~2 m,应力集中范围为2~20 m,峰值距工作面4~6 m;巷道两侧卸压区范围为0~2 m,应力集中范围为2~16 m,峰值距工作面4~5 m的结论。通过煤巷掘进工作面应力集中范围数值模拟分析得出的结论,能够为巷道两帮顺层钻孔封孔长度及锚杆支护的深度提供理论依据。