地質(zhì)力學(xué)原位測試在陽辿煤礦的實踐與應(yīng)用

郭晉平，董徐良，李慶中

（山西陽辿煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

煤礦地層是經(jīng)地殼漫長運動形成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的煤巖層地質(zhì)體，分析掌握煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)等基本參數(shù)，對于礦井開拓布局及井巷支護(hù)設(shè)計具有重要的作用。煤礦井下的各種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，如懸頂不垮、沖擊地壓及煤與瓦斯突出等事故的發(fā)生均與地應(yīng)力、煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)、斷層褶曲等地質(zhì)構(gòu)造息息相關(guān)，因此，只有獲得全面、詳細(xì)的煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)才能針對各種煤礦災(zāi)害提出有效的預(yù)測與防治方法。

1 井田概況

陽辿煤礦井田位于山西省東南部，隸屬山西沁水煤田，井田整體呈單斜構(gòu)造，方向為由北向西，傾角為3°～9°左右，地質(zhì)構(gòu)造屬于簡單類型，主要可采煤層為2號、3號和15號煤層，現(xiàn)開采煤層為15號煤層，煤層平均厚度3.41m，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，內(nèi)部含有1～2層夾矸，煤層基本頂主要為K2灰?guī)r，直接頂為泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，直接底主要以泥巖為主。目前，礦井迫切需要通過井下地質(zhì)力學(xué)測試充分了解和掌握試驗巷道圍巖物理力學(xué)信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全面、系統(tǒng)的巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計、支護(hù)材料選擇以及施工機具的配備；以期形成先進(jìn)、實用的巷道錨桿支護(hù)成套技術(shù)，以實現(xiàn)對井巷圍巖變形的有效控制；在保證巷道空間安全的基礎(chǔ)上，盡量降低支護(hù)成本支出，實現(xiàn)礦井技術(shù)及經(jīng)濟效益的雙向提升。

2 地質(zhì)力學(xué)原位測試方法優(yōu)選

2.1 地應(yīng)力測試

就國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)而言，對于地應(yīng)力測試主要有如下幾種方法：①應(yīng)力恢復(fù)法；②應(yīng)力解除法③水壓致裂法；④地球物理方法；⑤地質(zhì)構(gòu)造信息法。這其中主要以應(yīng)力解除法及水壓致裂法易于在井下進(jìn)行實際操作而應(yīng)用最為廣泛，其他方法僅僅作為輔助手段加以使用。而水壓致裂法具有測量深度深、速度快、操作及使用簡單、受地質(zhì)環(huán)境因素影響較小而使用最為廣泛，便于在煤礦井下進(jìn)行實際測量操作。

2.2 巷道圍巖強度測試

巷道圍巖強度測試分為實驗室和現(xiàn)場測試，但是實驗室測試無法測試巖體的結(jié)構(gòu)面對巖石物理性質(zhì)的影響，因此實驗室所測得的巖塊物理力學(xué)參數(shù)與井下巖體的真實性質(zhì)會有較大的差別。因此掌握煤礦井下圍巖的真實情況，最佳方法即在井下進(jìn)行現(xiàn)場原位測試，現(xiàn)場測得巖體的各項指標(biāo)，這樣可對井下巖體的性質(zhì)做相對精準(zhǔn)的描述判斷。在進(jìn)行井下原位測試時，主要采用鉆孔探觸法，該方法具有測定結(jié)果真實、測量范圍廣、測量簡單經(jīng)濟而被廣泛使用。

2.3 圍巖結(jié)構(gòu)觀測

受地殼活動的影響，地層巖體在形成過程中，不可避免的會產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)面，巖體中存在的各種結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響會遠(yuǎn)大于其自身巖石材料性質(zhì)的影響。巖體發(fā)生的各種變形破壞及力學(xué)性質(zhì)的變化很大程度上均與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)面有關(guān)系。因此研究巖體及巖塊物理力學(xué)參數(shù)性質(zhì)前，需要采取相關(guān)技術(shù)手段對井下煤巖體如節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面進(jìn)行觀測。

3 地質(zhì)力學(xué)原位現(xiàn)場測試

3.1 測點布置要求

根據(jù)陽辿煤礦已經(jīng)開拓區(qū)域條件，選擇在已掘巷道中布置2個測點，如圖1所示。在15101回風(fēng)順槽和15101工作面聯(lián)巷各設(shè)置一個測點，每個測點在巷道頂板及巷幫設(shè)置兩個測孔，測孔的開孔直徑均為58mm，其中頂板孔垂直于巷道頂板布置，孔深度為20m，巷幫孔與水平方向呈3～5°傾斜布置，孔深約為10m，按一定傾角布置可使鉆孔施工過程中的水沿孔口流出，以防止鉆孔孔壁受水浸潤而導(dǎo)致強度測試結(jié)果偏差過大，頂板鉆孔施工完后需用水將孔壁內(nèi)的巖屑清洗，以保證測量效果。

圖1 15101測點位置示意圖

第一測點布置在15101回風(fēng)順槽750m處，150101工作面回風(fēng)順槽開口位于1501采區(qū)軌道巷620m處，按方位角143°33′0″向東南方向掘進(jìn)1209m。150101回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面位于礦井西南部，工作面東南方向布置，屬煤層巷道。巷道選用矩形斷面，凈寬4m，凈高3.3m，沿著15號煤層頂板掘進(jìn)，埋深約209m，采用錨桿+梯子粱+鐵絲網(wǎng)+錨索支護(hù)。

第二測點因有皮帶無法架鉆機，所以布置在靠近15101運輸順槽的聯(lián)巷中，測點位置巷道斷面設(shè)計為矩形，沿15號煤頂板掘進(jìn)，采用錨桿+梯子粱+鐵絲網(wǎng)+錨索支護(hù)，測點處巷高3.5m，埋深約209m。

3.2 圍巖結(jié)構(gòu)分布及結(jié)構(gòu)觀測

對兩個測點的鉆孔內(nèi)部圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了窺視，均取得了清晰、直觀的頂板巖體和對應(yīng)巷幫圍巖體結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)，其中第一測點巷幫巖體結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果如圖2所示。第一測點幫孔鉆孔沿軸向0～1.0m受開掘影響，有少量微裂隙，1.0～10.0m煤體比較完整。第二測點幫孔鉆孔沿軸向0～0.5m因開掘原因，有少量裂隙，其中開孔0.5～2.6m完整，2.6～3.2m有少量裂隙，3.2～9.9m孔壁完整。兩個測點頂板巖層圍巖結(jié)構(gòu)窺視圖受文章篇幅所限未進(jìn)行附圖，由現(xiàn)場兩測點窺視結(jié)果分析可知，15101工作面頂板10m范圍內(nèi)的巖層主要由粉砂巖、細(xì)砂巖和石灰?guī)r構(gòu)成，該范圍內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)及性質(zhì)與巷道支護(hù)參數(shù)選擇息息相關(guān)。總體來說兩個測點的頂板巖層較為堅硬，完整性較好，僅僅在局部區(qū)域出現(xiàn)一定的破碎現(xiàn)象。巷幫巖體觀測結(jié)果表明，幫孔完整性相對較好，現(xiàn)有支護(hù)有效的控制了巷幫巖體的變形。

圖2 第一測點頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果

3.3 地應(yīng)力測試

由頂板結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果，對水壓致裂地應(yīng)力測量段進(jìn)行標(biāo)定后進(jìn)行壓裂，在壓裂過程中對壓力的變化進(jìn)行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)的監(jiān)測選用SYY-56型地應(yīng)力測量儀進(jìn)行，第一測點和第二測點的水力壓裂曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 第一測點水力壓裂曲線

圖4 第二測點水力壓裂曲線

通過數(shù)據(jù)處理表明，所測區(qū)域第一測點最大水平主應(yīng)力值為9.76MPa，最小水平主應(yīng)力值為5.23MPa，垂直應(yīng)力值為3.75MPa；第二測點最大水平主應(yīng)力值為11.13MPa，最小水平主應(yīng)力值為6.07MPa，垂直應(yīng)力值為4.76MPa。兩個測點的地應(yīng)力測量值均未超過10MPa，根據(jù)地應(yīng)力劃分標(biāo)準(zhǔn)，可知測試區(qū)域均為低應(yīng)力區(qū)，最大水平主應(yīng)力方向為NW～NNW方向。

3.4 圍巖強度測試

地應(yīng)力測量完成后，選用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對頂板及巷幫10m范圍內(nèi)的巖體強度進(jìn)行了原位測試，由于第一測點未能做成強度測試，第二測點巷幫及頂板強度測試曲線分別如圖5和圖6所示。

分析可知，第二測點頂板上方0～1.5m范圍主要為粉砂巖、1.5～4.4m為細(xì)砂巖、4.4～5.4m為14號煤、5.4～10.0m為石灰?guī)r，巖層平均抗壓強度分別為64.19MPa、69.66MPa、17.22MPa 和大于 120MPa，而巷幫煤體平均抗壓強度值為14.44MPa。總體來說煤層頂板巖層比較堅硬，巖層整體完整性較好，巷幫煤體完整性也較好。

圖5 幫孔煤體強度測試曲線

圖6 頂板巖體強度測試結(jié)果

4 結(jié)論

通過對陽辿煤礦進(jìn)行井下地質(zhì)力學(xué)原位測試實踐應(yīng)用，地質(zhì)力學(xué)原位測試能夠清晰準(zhǔn)確的反映陽辿煤礦的實際力學(xué)參數(shù)，可以對陽辿煤礦得到如下結(jié)論：

1）由現(xiàn)場窺視結(jié)果可知，15101工作面頂板10m范圍內(nèi)的巖層主要由粉砂巖、細(xì)砂巖和石灰?guī)r構(gòu)成，總體來說兩個測點的頂板巖層較為堅硬，完整性較好，僅僅在局部區(qū)域出現(xiàn)一定的破碎現(xiàn)象。巷幫巖體觀測結(jié)果表明，幫孔完整性相對較好，現(xiàn)有支護(hù)有效的控制了巷幫巖體的變形。

2）地應(yīng)力測試結(jié)果表明：兩個測點的地應(yīng)力測量值均未超過10MPa，測試區(qū)域均為低應(yīng)力區(qū)，最大水平主應(yīng)力方向為NW～NNW方向。