經坊煤礦井下巷道煤巖體地質力學技術測試原理及應用

文/景晨曦

經坊煤礦井下巷道煤巖體地質力學技術測試原理及應用

文/景晨曦

長治經坊煤業有限公司隨著礦井開采深度的增加、開采強度增大，以及綜合機械化程度的提高，煤巖體的應力環境、變形與破壞特征都發生了顯著變化。為掌握八采區3號煤層的圍巖結構、地應力、圍巖強度等力學參數，經坊煤礦對八采區進行了全面、系統的煤巖體地質力學測試，為巷道支護及開采提供科學、合理的基礎數據，確保煤礦實現安全高效發展。

一、煤巖體地質力學技術測試原理

1.圍巖結構觀測原理

采用礦用小孔徑全景電子窺視儀觀測孔壁上的不連續面分布情況，其便捷的操作、直觀的輸出效果從根本上克服鉆孔取芯方法存在的諸多不足。測試過程將深度與圖像一致結合，達到圖像與結果顯示“所見即所得模式”，同時顯示輸出平面展開圖和立體柱狀圖，靈活直觀，特別適合在無法取得實際巖芯的破碎地層。

2.地應力測量原理

將一對橡膠封隔器送到鉆孔指定位置，注入高壓水，使得兩個封隔器之間的巖孔封閉，再對封隔器之間巖孔進行高壓注水，直到將孔壁壓裂，壓裂的方向即為最大水平應力方向。壓裂后進行印模。根據水壓致裂測量原理，破裂方位就是最大主應力的方位。

3.巖體強度原位測量測試原理

用手動泵對探頭內加壓，探針壓向孔壁，隨著壓力增加，探針在孔壁上的壓力達到孔壁所能承受的臨界壓力時，孔壁被壓裂。此時壓力表的最高壓力讀數即為該點孔壁的極限強度，經換算便可得出該點巖石單軸抗壓強度。巖體強度的測定原理如圖1所示。

圖1 圍巖強度測定原理示意圖

二、現場測試

1.測點布置

經坊煤礦結合井下實際情況，于八采區布置三個測點，第一測點位于八采區運輸巷南段，第二測點位于八采區軌道巷中段，第三測點位于八采區回風巷北段。

每個測點布置兩個測孔，分別為頂孔和煤幫孔，鉆孔直徑均為56mm。其中，頂孔深度20m左右，要求鉛垂布置；煤幫孔深度10m左右，近水平布置，有一個小的仰角，以便打鉆過程中的水能從幫孔中順利排出。

2.煤巖體地質力學測試方法

2.1地應力測試

根據頂板結構觀測，對測試鉆孔進行標定，然后對每個測點進行壓裂，并對壓裂過程中的壓力和時間進行實時采集，得到各個測點的水力壓裂曲線。

壓裂完成后，對孔壁進行印模和定向，取得水壓裂縫走向，結合指南針北向與印模器基線夾角，印模基線和壓裂裂縫之間的夾角，經計算便可得到每個測點各個應力的方向。

通過對3號煤層八采區進行井下地應力測試，并對測試結果進行整理、計算和分析可以得出：

（1）三個測點最大水平主應力分 別 為 13.39MPa、14.88MPa和20.97MPa；最小水平主應力分別為7.03MPa、8.01MPa和11.79MPa；垂直應力分別為12.43MPa、11.34MPa和11.85MPa。根據專業的判斷標準，可判斷出八采區應力場從量級上劃分屬于中等應力值區域。測點間最大水平主應力值相差較大，表明八采區井下應力場受構造影響較大。

（2）三個測點最大水平主應力均大于垂直應力，應力場類型為σH＞σV＞σh型應力場。在該類型應力場中，σ1=σHmax、σ2=σV、σ3=σHmix。巷道軸線方向與最大水平主應力的夾角為時，為巷道最佳布置方向。

（3）三個測點最大水平主應力方向分別為 N44.1°E、N16.3°E和N36.8°E，最大水平主應力方向大致為NNE-SSW向。

2.2圍巖強度測試

通過對經坊煤礦八采區3號煤層三個測點頂孔和幫孔進行原位強度測定，并對測試數據進行收集、整理、計算和分析可以得出：

（1）3號煤層頂板巖層賦存狀況不穩定，區域變化較大。

（2）第一測點頂板以上0～2.0m為泥質砂巖，灰黑色，夾石英砂巖，泥質膠結，裂隙發育，探針觸點強度值在50～80MPa之間，強度平均值為65.77MPa。2.0～7.2m為粗砂巖，灰白色，砂質膠結，層狀結構，離層較多，巖層完整性較差，探針觸點強度值在6～110MPa之間，波動范圍非常明顯，經計算該巖層強度值為77.62MPa。7.2～8.7m為泥巖，泥質膠結，水平紋理，裂隙發育，強度平均值為44.54MPa。8.7～13.0為泥質砂巖，強度平均值為69.62MPa。

（3）第二測點頂板以上0～2.0m為泥巖，黑色，泥質膠結，破碎嚴重，巖層不完整，強度平均值為37.26MPa。2.0～4.5m為泥質砂巖，加粗砂巖條帶，橫向裂隙發育，離層較多，探針觸點強度值集中在20～60MPa， 強度平均值為47.07MPa。4.5～9.1m為細砂巖，砂質膠結，有泥巖夾層，水平紋理，巖層完整性相對較好，探針觸點強度平均值為94.56MPa。

（4）第三測點頂板以上0～1.2m為泥質砂巖， 強度為45.18MPa。1.2～8.0m為泥質砂巖，層狀結構，強度平均值為73.79MPa。8.0～12.5m為粉-細砂巖，強度平均值為82.76MPa。

（5）三個測點3號煤層煤體強度大部分集中在10～20MPa，煤體中裂隙較為發育，完整性較差，導致煤體強度測試曲線波動范圍相對較大。經計算，3號煤層煤體強度平均值為16.33MPa。

三、結論

通過對經坊煤礦八采區3號煤層進行現場圍巖結構觀測、地應力測試及圍巖強度測試，并對測試數據進行整理、計算和分析，可以得到如下結論：

1.鉆孔圍巖結構觀測結果表明，3號煤層直接頂板為泥巖、砂質泥巖和細砂巖，淺部巖層層狀結構明顯。測點所在巷道頂板淺部至深部巖層不同程度存在離層、裂隙和破碎情況，淺部巖層尤為明顯。

2.三個測點最大水平主應力最大值為20.97MPa，最小水平主應力最大值為11.79MPa，垂直應力最大值為12.43MP。應力場從量級上劃分屬于中等應力值區域。測點間最大水平主應力值相差較大，八采區井下應力場受構造影響較大。最大水平主應力方向大致為NNESSW向。應力場類型為σH＞σV＞σh，從地應力的角度考慮巷道布置時，巷道軸線方向與最大水平主應力的夾角為時，為巷道最佳布置方向。

3.八采區3號煤層頂板巖層賦存狀況不穩定，區域變化較大。

(作者單位：山西長治市煤炭工業局)

(責任編輯：周瓊)