杜兒坪礦地質力學測試與分析

高應山

(西山煤電(集團)有限責任公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

·技術經驗·

杜兒坪礦地質力學測試與分析

高應山

(西山煤電(集團)有限責任公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

針對杜兒坪礦巷道支護基礎參數不足的問題，采用了井下單孔、多參數、耦合地質力學原位快速測試方法對杜兒坪礦2#煤和3#煤進行了巷道圍巖地質力學測試。測試內容包括:地應力、圍巖強度和圍巖結構的觀測，初步掌握了杜兒坪礦2#煤和3#煤地應力分布的基本規律，以及巷道圍巖強度和圍巖結構的基本特征，從而為巷道布置及支護設計提供了基礎數據。

采礦工程;地質力學測試;地應力;圍巖強度;圍巖結構

杜兒坪礦是隸屬于西山煤電集團公司的主力礦井，年產原煤超過500萬t，近年來，隨著煤礦開采強度的不斷增大，巷道支護難度不斷加大，礦壓顯現比較明顯，復雜困難巷道明顯增多。2#、3#煤層是礦井目前主采煤層之一，2#煤和3#煤層間距較小，屬于近距離煤層群，煤炭資源儲量豐富，前期沒有開展巷道圍巖地質力學測試的相關工作，因此，在杜兒坪礦開展井下巷道的地質力學測試和分析，了解礦井地質力學基礎參數，對杜兒坪礦井的總體布置，巷道和采場支護設計參數選取，保證礦井安全、高效生產，具有一定的現實意義。

1 巷道地質力學測試及其作用

巷道圍巖是一個極其復雜的地質體，巷道圍巖的地質力學特性主要包括地應力、圍巖強度和圍巖結構三要素。

1.1 地應力

地應力是存在于地層中未受工程擾動的天然應力，也稱巖體初始應力或原巖應力。地應力是由構造運動形成的應力場與重力應力場疊加的結果，具有一定的時間和空間效應。地應力是引起煤礦開采等地下工程圍巖變形和破壞的根本驅動力，是礦井設計以及煤礦巷道支護動態信息設計法重要的基礎參數，對煤礦開采過程中圍巖穩定性分析及合理的巷道設計有較大的參考價值。

1.2 圍巖強度

圍巖強度是圍巖分類的關鍵指標，通過地質力學測試，掌握開采煤層圍巖強度，對開采煤層圍巖進行確切的圍巖分類，不同類型的圍巖采用的支護方案存在很大差別，對指導巷道設計有重要作用。同時，采用數值計算進行巷道支護，開采煤層圍巖強度也是主要的參數，對數值計算的準確有很大影響。

1.3 圍巖結構

巷道圍巖內部分布著廣泛的原生節理和裂隙，其發育程度直接決定開挖后巷道的穩定性。掌握節理和裂隙的分布特征，以及發育程度是進行巷道支護設計的重要環節。同時，通過掌握的節理和裂隙的分布范圍，能夠為錨桿(索)參數設計提供依據。

此次測試采用的是由煤炭科學研究總院北京開采設計研究分院所研發的井下單孔、多參數、耦合地質力學原位快速測試系統，該套系統采用小孔徑水壓致裂地應力測量儀、井下巷道圍巖強度原位測定裝置，以及數字全景鉆孔窺視儀，能夠快速、準確地獲得地應力、圍巖強度和圍巖結構等地質力學參數，在一個鉆孔中就能夠完成地應力、強度與結構及其相互耦合關系測試，而且整個測試流程工藝簡單，適合煤礦的使用特點，目前，在我國煤礦地質力學測量中得到了廣泛的應用。

2 巷道地質力學測試結果及分析

本次在杜兒坪礦2#煤和3#煤共進行了4個測點的地應力測量、8個鉆孔的圍巖強度測試，以及4個頂板鉆孔的圍巖結構窺視。

2.1 地應力測量結果

地應力測量裝置采用的是SYY－56型小孔徑水壓致裂地應力測試儀。測量在井下巷道中進行，鉆孔在巷道頂板中部垂直向上布置，用以測量水平面上的最大與最小水平主應力的大小和方向。鉆孔采用小孔徑56 mm，鉆孔長度為20～25 m。每個鉆孔中進行3～4次水力壓裂，然后在對應的壓裂位置進行印模定向，對測量結果進行分析比較，確定比較合理、可靠的數據作為該鉆孔的地應力值。

4個測點的地應力測試，測點選取遠離采煤工作面、大型地質構造、巷道交叉點以及硐室群，以避開采動應力影響。同時，為了消除巷道周圍應力重新分布區域的影響，測點到巷道頂板表面有一定的距離，根據圍巖窺視的結果，選擇在均質、穩定、完整的巖層中進行水力壓裂。具體測量結果見表1。

表1 杜兒坪礦2#煤和3#煤地應力測試結果

表1中H為巷道埋深，測點深度在巷道頂板上方12～20 m;σV為垂直主應力，由上覆巖層質量計算得出;σH為最大水平主應力;σh為最小水平主應力。

1)礦井應力場類型。

4個測點應力場的類型主要有σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh兩種，所占比例分別是25%和75%。這說明杜兒坪礦地應力場分布相對復雜，存在不同的分布特征，局部區域存在著構造應力較大的情況，但應力場的類型2#煤和3#煤層在整體上以重力應力場為主，屬于自重應力場類型，并且所有測點最小水平主應力均為最小主應力。

2)礦井主應力量級。

對4個測點的地應力測試結果進行統計，最大水平主應力最大值為16.72 MPa，垂直應力最大值為16.13 MPa。根據相關判定標準:0～10 MPa為低應力區;10～18 MPa為中等應力區;18～30 MPa為高應力區;大于30 MPa為超高應力區。因此，雖然杜兒坪礦2#煤和3#煤埋深較大，在528～654 m，已經接近進入深部開采的范疇，但是地應力整體在量級上屬于中等地應力值區域。

3)水平主應力方向分布特征。

杜兒坪礦的最大水平應力和最小水平應力比值較不穩定，比值在1.91～2.86，且顯示出一定的方向性，集中在 N47.5°W ～ N9.4°E 范圍內。這說明了杜兒坪煤礦所測區域主壓應力作用方向主要集中在NNW方向附近，這主要是由于構造運動所形成。因此，礦井的生產布置時巷道的軸線方向有較大選擇性時，要避免巷道與上述方向呈現過大的夾角，使巷道的維護相對容易。這也是井下巷道支護中兩幫變形不一致，巷道一幫變形破壞明顯要比另一幫嚴重的主要原因，這是由于巷道的布置方向和最大水平主應力的方向存在一定角度，巷道兩幫受力情況不一致所導致的結果。

2.2 圍巖強度測試結果

巷道圍巖強度測量采用WQCZ－56型小孔徑煤巖體強度測定裝置，該裝置由圍巖強度測定儀、探頭、手搖泵、高壓管、延長桿等部件組成。測試采用鉆孔觸探法對鉆孔內表面巖壁的強度進行原位測試，避免了在軟弱破碎煤巖體中鉆探巖芯采取率比較低，很難、甚至無法采用巖芯試驗確定圍巖強度的缺陷，測試速度快和測量結果也比較準確，見表2。

表2 杜兒坪礦2#煤和3#煤圍巖強度測試結果

2.3 巷道圍巖結構窺視結果

巷道圍巖強度測量采用KDBC－56型數字全景鉆孔窺視儀，采用數字全景技術，可對鉆孔結構參數定量測量，裂縫分辨率0.1 mm，可提供平面展開圖及虛擬鉆孔巖芯圖。該儀器由柔性光導纖維、觀察鏡、目鏡、照相機接頭及礦燈光源接頭等部件組成。在井下巷道中打好鉆孔后，利用鉆孔窺視的連接桿慢慢將探頭往孔深處抬送，有裂隙和結構處放慢速度，并觀察和記錄，結束后對窺視結果記錄在表格中，并對其進行處理和分析。

鉆孔窺視結果表明，2#煤層頂板主要有以下特征:

1)2#煤層頂板10 m范圍主要由砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖組成，其中夾有1#煤層，且各個巖性的巖層分布不均勻，和礦方已有的鉆孔柱狀圖存在較大的區別。

2)鉆孔結構圖片顯示，2#煤層頂板結構主要以水平層理為主，縱向裂隙不發育，局部層位有明顯弱面分布。

3)總體上來講，巷道圍巖比較完整，穩定性較好，巷道穩定性主要受頂板弱面的影響比較大，防止頂板由薄弱面離層冒頂。

3 結論

1)杜兒坪礦的地應力分布主要以重力應力為主，屬于中等應力場，最大水平應力方向主要在NNW方向上，巷道布置的走向盡可能地保持與最大主應力的方向一致。

2)圍巖強度測試獲取了2#煤和3#煤煤層和頂板各個巖層的力學性質，為巷道支護設計進行理論計算以及數值模擬提供了基礎數據。

3)圍巖結構觀察清晰地顯示了杜兒坪礦2#煤和3#煤不同層位巖層節理裂隙的分布，以及巖層的離層現象，為巷道支護設計參數選取提供了較好的參考價值。

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［4］ 徐光亮，康紅普，顏立新.煤巷圍巖強度現場測定及數據處理［J］.煤礦開采，2004，9(1):4－6.

Geological Mechanics Testing and Analyzing in Du＇erping Coal Mine

Gao Yin－shan

According to the lacking of the roadway support parameters in the Du＇erping coal mine，by using a single hole，multiple parameters，coupled geomechanics in situ rapid test method on roadway surrounding rock of 2#and 3#coal in Du＇erping coal mine carries out geomechanics testing，includes the test of in － situ stress，observation of rock strength and rock structure.Preliminary master the basic law of ground stress distribution of 2#and 3#coal in Du＇erping coal mine，as well as the basic characteristics of the strength and structure of surrounding rock of roadway，thus for roadway layout and support design provides basic data.

Mining engineering;Geological mechanics testing;In－situ stress;Surrounding rock strength;Surrounding rock structure

TD326

A

1672－0652(2012)08－0021－03

2012－07－08

高應山(1963—)，男，山西大同人，1988年畢業于阜新礦業學院，工程師，主要從事煤礦開采的相關研究工作(E －mail)dk6203117@163.com