地質力學測試在巷道群礦壓分析中的應用

高應山,王俊虎

（1.西山煤電股份有限公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022）

地質力學測試在巷道群礦壓分析中的應用

高應山1,王俊虎1

（1.西山煤電股份有限公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022）

在杜兒坪礦2號煤皮帶巷進行了地質力學測試，并將測試結果應用于巷道礦壓分析中，結果表明：最大水平主應力為13.67MPa，最小水平主應力為6.94MPa，最大水平主應力方向為北偏東9°，皮帶巷直接頂板為粉-細砂巖，強度介于60MPa～80MPa之間；皮帶巷在掘進過程中，會受到軌道巷和回風巷開挖形成的支承壓力的雙重影響，皮帶巷的兩幫在垂直方向高應力集中和水平應力橫向卸壓雙重作用下，造成兩幫圍巖的穩定性降低。

地質力學測試；煤柱；支承壓力

巷道圍巖含有大量的節理、裂隙、層理等不連續面以及斷層、褶曲、陷落柱等地質構造，不連續面及地質構造的存在顯著影響和控制著巖體的幾何性質和力學特性，同時圍巖中的原巖應力場、構造應力場、采動應力場等組合作用導致圍巖的變形和破壞特征出現較大的差別[1，2]。隨著煤巷錨桿支護技術的迅速發展，巷道圍巖地質力學測試也逐步得到重視，測試結果應用于支護設計，顯著提高了支護設計的合理性和可靠性[3，4]。

杜兒坪礦2號煤皮帶巷延伸段在掘進過程中會受到剛掘進完成的軌道殘余支承壓力的影響，同時又會受到回風巷掘進過程中超前支承壓力的影響，屬于典型的巷道群掘進，因此有必要對杜兒坪礦巷道圍巖進行地質力學測試以及礦壓顯現狀況進行分析，為巷道支護設計提供基礎參數。

1 地質力學測試與分析

1.1 地質力學測試位置

2號煤皮帶巷的延伸段位于杜兒坪南九盤區至南十盤區，平均埋深約550 m。南九2號煤皮帶巷北靠軌道巷，兩條巷道中對中煤柱尺寸為24 m，南靠回風巷，對中煤柱尺寸為31 m，如圖1所示。在皮帶巷進行了地質力學測試工作。

1.2 巷道圍巖地質力學測試結果

1.2.1 圍巖結構觀測與分析

圖1 南九2號煤皮帶巷巷道布置平面圖

圖2 圍巖結構窺視結果

圍巖結構鉆孔觀測結果，見圖2，測站頂板以上0～4.65 m之間為細砂巖，呈黑色和灰黑色，砂質膠結，在距離巷道表面的淺部含有環形裂隙；在4.65 m～5.77 m之間含有一層1.2 m厚的2號煤上，黑色發亮，煤層較完整。5.77 m～7.20 m為粉砂巖，不是非常完整。7.20 m～10.66 m之間是厚度為3.46 m的煤，厚度較大。10.66m～19.9m之間砂質頁巖，厚度較大，巖層堅硬，有少量裂隙，中間一小段煤線。19.9m～22.1m之間為粉砂巖，淺灰色，砂質膠結，比較破碎。

1.2.2 圍巖強度測量與分析

圖3 測站圍巖和煤體強度

圖4 模型

對測站頂板和兩幫煤體進行圍巖強度原位測試，如圖3所示，皮帶巷直接頂以砂質泥巖為主，平均強度為32.46MPa，老頂為粉－細砂巖，強度大部分集中在60MPa～80MPa之間，平均強度為67.89MPa。

1.2.3 地應力測試與分析

最大水平主應力為13.67MPa，最小水平主應力為6.94MPa，垂直應力為13.75MPa：最大水平主應力方向為北偏東9°。

2 數值模擬方案設計

進行地質力學測試的目的在于指導巷道支護設計，初始設計采用有限差分軟件FLAC3D進行計算，將地質力學測試結果應用到數值計算過程中，對巷道的掘進過程中的支承壓力狀況進行分析，為巷道支護設計提供依據和參考。為滿足工作面回采對于通風、運輸等需要，對南九軌道巷、皮帶巷及回風巷進行延伸，軌道巷、皮帶巷和回風巷依次進行掘進。

2.1 模型建立

根據實際地質條件建立對應的FLAC3D數值模型，模型尺寸為120m×50m×50m，如圖4所示。坐標系采用直角坐標系；地應力取實測數據，巷道軸向平行于最大水平主應力方向；邊界條件為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支。

2.2 數值模擬結果及分析

2.2.1 巷道分步掘進過程中煤柱中支承壓力分布狀況

圖5 軌道巷掘進過程中支承壓力分布圖

圖6 皮帶巷掘進過程中支承壓力分布圖

圖5為南九軌道巷掘進過程中煤柱上的支承壓力分布圖和支承壓力分布曲線。

巷道之間的煤柱直接影響到巷道圍巖應力的分布和大小，從而影響圍巖的穩定性，主要是由于相鄰巷道間的開掘會在煤柱上形成支承壓力集中，并且應力集中程度隨著煤柱的寬高比不同而不同[5,6]。由圖5知軌道巷開挖過程中在煤柱中形成應力集中，靠近煤柱一側支承壓力峰值為21.5MPa，峰值距煤幫的距離為3.2m，當圍巖應力超過圍巖自身的強度時，會造成巷道周圍的巖體發生局部破壞、應力松弛和塑性變形。遠離煤柱一側巷道圍巖中的應力峰值為20.8 MPa，應力集中程度低于煤柱一側，支承壓力峰值距煤幫的距離為2.0m，由此可見，靠近煤柱一側支承壓力峰值深移，會加劇煤柱內部的破壞。

圖6為南九皮帶巷掘進過程中煤柱上的支承壓力分布圖。

由圖6可知，皮帶巷的開挖同樣造成了圍巖應力的重新分配，在靠近煤柱一側，支承壓力峰值為21.0 MPa，峰值距煤幫的距離為3.07 m，在遠離煤柱一側支承壓力呈負指數形式衰減，峰值為20.9 MPa，距煤幫的距離為2.14m。皮帶巷與與軌道間的煤柱中央形成的支承應力相互疊加，煤柱中央支承壓力最低值為16.3 MPa，應力集中系數為1.18，雖然煤柱中央的支承壓力較高，然而由于煤柱中央處于三向受力狀態，極限承載力顯著提高，而靠近巷道兩幫處的圍巖處于雙向應力狀態，承載力很低，不利于巷道兩幫的穩定。

圖7為南九回風巷掘進過程中煤柱上的支承壓力分布圖。

圖7 回風巷掘進過程中圍巖支承壓力分布圖

由圖7知，南九回風巷與皮帶巷之間的煤柱寬度為27 m，回風巷在掘進過程使得皮帶巷圍巖的應力重新分配，在靠近與軌道巷間煤柱一側，支承壓力峰值為20.3 MPa，距煤幫的距離為2.17 m，在遠離煤柱一側支承壓力峰值為20.2 MPa，距煤幫的距離為2.04m。回風巷與與皮帶間的煤柱中央形成的支承應力相互疊加，煤柱中央支承壓力最低值為15.6 Pa，由于回風巷和皮帶巷之間的煤柱寬度要高于皮帶巷和軌道巷之間的煤柱寬度，前者在煤柱中形成的支承壓力集中程度也略低于后者，會對煤柱的穩定性產生顯著影響[7]，因此在支護過程中要特別注意煤柱的維護。

皮帶巷在掘進過程中會與軌道巷間的煤柱內形成高應力場，使得巷道靠近煤柱一側的煤幫穩定性降低。并且皮帶巷在掘進完畢后，還要受到回風巷掘進的影響，皮帶巷又和回風巷在煤柱中的垂直應力場相互貫通，在高應力場的影響下煤柱的穩定性降低。皮帶巷的兩幫垂直應力高度集中，而水平應力處于卸壓狀態，同時再與軌道巷和回風巷在煤柱中形成的垂直應力場相互貫通并疊加，煤柱應力集中程度增強，在垂直方向高應力集中和水平應力橫向卸壓雙重作用下，使得皮帶巷圍巖始終處于高應力狀態，易造成圍巖的穩定性差，巷道的變形量加劇。

3 小結

（1）杜兒坪礦2號煤皮帶巷的最大水平主應力為13.67 MPa，方向為北偏東9°，最小水平主應力為6.94 MPa，直接頂板為粉-細砂巖，強度介于60 MPa～80MPa之間。

（2）軌道巷、皮帶巷和回風巷在煤柱中形成的支承壓力峰值呈遞減趨勢，分別為21.5 MPa、21.0 MPa和20.3 MPa，且峰值距煤幫的距離也逐漸降低，分別為3.2 m、3.07 m和2.17 m。皮帶巷在掘進過程中，會受到軌道巷和回風巷開挖形成的支承壓力的雙重影響，兩幫的穩定性差。

（3）皮帶巷兩幫在垂直方向高應力集中和水平應力橫向卸壓雙重作用下，使得巷道圍巖始終處于高應力狀態，會造成圍巖的穩定性降低。

[1]康紅普，林 健.我國巷道圍巖地質力學測試技術新進展[J].煤炭科學技術，2001,29（7）：27-30.

[2]朱維申，李術才，陳衛忠.節理巖體破壞機制和錨固效應及工程應用[M].北京：科學出版社，2002.

[3]康紅普，林 健，張 曉.深部礦井地應力測量方法研究與應用[J].巖石力學與工程學報，2007，26（5）：929-933.

[4]康紅普，林 健.山西煤礦礦區井下地應力場分布特征研究[J].地球物理學報，2009，52（7）：1782-1792.

[5]陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[6]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京:煤炭工業出版社,1991.

[7]柏建彪，侯朝炯，黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23(20)：3475-3479.

Application of Geological Mechanics Testing in Strata Pressure Study for Roadways

GAO Ying-shan,WANG Jun-hu
(Duerping Mine,Xishan Coal Electricity Group,Taiyuan Shanxi 030022)

Geological mechanics testing results on the No.2 belt lane in Duerping mine were used in strata pressure study.Then the conclusion shows:while the maximum horizontal principal stress is13.67MPa, the minimum value is6.94Mpa;the direction of maximum horizontal principal stress is9 degrees north by east;and direct roof of the lane consists of fine sandstone and siltstone,with strength changing between60 to80Mpa.In the course of drifting,the belt lane is influenced by double support pressure by track lane and return airway.The surrounding rock stability of two sides of the lane decreases under the action of vertical high-stress concentration and lateral pressure release.

geological mechanics testing;coal pillar;support pressure

TD353

A

1672-5050（2012）09-0054-04

2012-02-21

高應山（1963—），男，山西大同人，大學本科，工程師，從事采煤技術工作。

樊 敏