地应力监测

1 前言

1.1 应力监测目的

地应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，对煤矿巷道来说，作用于巷道围岩除原岩应外，还有采掘活动引起的次生应力，这是煤矿巷道区别于其它岩土工程的最显著的特点，在回采工作面前方安装地应力监测传感器监测回采过程中的地应力变化规律，对工作面安全开采和巷道支护均有重要的意义。

次生应力监测的目的在于：

（1）确定沿空巷道周围的垂直应力和水平应力的集中程度，为巷道布置提供依据；

（2）确定矿井设计所需的井巷工程中应力增加或减小的大小与方向；

（3）为锚杆支护设计、长壁工作面支架选型以及地表下沉预测等方面的计算机模拟提供原始数据；

（4）确定煤柱上方垂直应力的变化情况；

（5）通过测量顶板岩层中实际传递的应力变化（顶板岩层的残余强度）来评估锚杆的加固作用效果。

2 应力监测案例

2.1 应力测点布置

以贵州小屯煤矿为例，监测16中09工作面回采期间应力变化特征和规律，共在16中09工作面停采线附近布置3个应力监测测点，见图1，地质柱状图及应力解除岩层层位见图2。

应力监测测点1布置于16中09轨顺巷道内回采侧帮，16中09工作面轨顺1334m回采位置，仪器布置于顶板3.5m垂直高度的泥质粉砂岩内，方位300°，倾角12°，孔深10m，孔径110mm。

应力监测测点2布置于16中09轨顺巷道内回采侧帮，16中09工作面轨顺1345m回采位置，仪器布置于顶板3.5m垂直高度的泥质粉砂岩内，方位300°，倾角20°，孔深10m，孔径110mm。

应力监测测点3布置于主平硐8#联中间位置，仪器布置于顶板5.5m垂直高度的泥质粉砂岩内，方位300°，倾角30°，孔深10m，孔径110mm。

地应力监测传感器安装完成后，数据的采集的频度应由采掘活动的类型及速度决定，随着应力监测点距工作面距离的不断减少，相应的读数频度加大，针对采矿地质条件和实际需要，按照图3进行监测读数。

3.2 应力监测结果

3.2.1 水平应力监测结果与分析

16中09工作面回采期间水平主应力变化相对值见图4，工作面回采期间应力分量变化趋势，见图5。

在16中09工作面回采期间，工作面超前水平应力发展变化出现以下特点：

（1）在工作面回采期间，水平应力整体呈现不断增加的趋势，在距离工作面大约150m位置开始出现应力影响，在距离工作面127m位置应力集中影响显著增大，至距离工作面15m处达到应力集中影响最大值，未出现应力峰值。

（2）最大水平主应力呈现波浪形增大现象，距离工作面15m时，应力最大值达到16MPa，较初始应力值5.60MPa增加了10.4MPa，应力集中系数为2.86。

（3）最大水平应力在距离工作面150m、127m、95m、64m和30m位置分别出现区域应力峰值，表现出工作面回采超前来压周期性，推断水平应力来压步距在30m左右。由于工作面回采进尺的不均匀性，来压周期不好推断。

（4）水平应力集中程度不断加大，最大水平应力在垂直工作面走向方向不断增大，最小水平应力在平行工作面方向上先增大后减小。

（5）最小水平主应力在工作面回采期间呈现不断增大现象，在距离工作面15m时，应力达到最大值5.74MPa，较初始应力值2.13MPa增加了3.61MPa，应力集中系数为2.69，与最大水平主应力应力集中程度大致相同。

3.2.2 垂直应力监测结果与分析

16中09工作面回采期间垂直应力变化相对值为6.69MPa，附加在垂直应力变化值上分析在16中09工作面回采期间应力分量变化趋势，见图9。

（1）在工作面回采期间，垂直应力整体上呈现不断增大的趋势，在距离工作面140m位置时出现明显应力集中现象，在距离工作面127m位置应力集中影响显著增大，至距离工作面15m处达到应力集中影响最大值，未出现应力峰值。

（2）垂直应力在工作面回采期间也呈现波浪形增大现象，在工作面停采后，即距离工作面15m时，应力最大值达到17.68MPa，较初始应力值6.69MPa增加了10.99MPa，应力集中系数为2.64。

（3）垂直应力在距离工作面127m、94m、69m、43m和24m位置分别出现区域应力峰值，表现出超前来压周期性，推断垂直应力来压步距在26m左右。

3.3.3 纵向应力监测结果与分析

从应力监测在工作面回采期间应力变化趋势看，将不同位置监测到的三维应力变化以平行于16中009工作面走向方向形式表现出来，图7。

（1）垂直方向应力在距离工作面150m时应力出现明显增加现象，至距离工作面15m，应力值增加了9.6MPa，其偏向呈现周期性震荡，为垂直应力变化特征。

（2）水平方向应力变化较小，在距离工作面150m时出现明显应力增大现象，到距离工作面15m时应力增加量达到最大值3.1MPa，其倾角变化幅度不明显，表现出最小水平应力变化特征。

3.2.4 横向应力监测结果与分析

根据应力监测位置距工作面的不同距离，绘制垂直巷道走向的应力变化剖面（横剖面）图以便于比较横向地应力变化规律和趋势，见图8。

（1）随着距离工作面不断减小，横向剖面图内垂直方向应力分量量值不断增大，即受工作面采动应力影响程度不断增大，其应力方向偏向工作面内，工作面内较16中09轨顺巷道承载应力的主要方向。

（2）横剖面内水平方向应力分量量值也随工作面推进不断增大，受工作面回采和16中09轨顺巷道影响，其偏向变化较大，整体偏向于顶板方向。

                     图11 应力监测点距工作面不同距离应力变化横剖面图