辰通礦巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)量分析

＊張延德

（山西陽(yáng)泉盂縣辰通煤業(yè)有限公司 山西 045100）

1.前言

煤巖體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)是煤礦井下巷道施工的基礎(chǔ)，對(duì)煤礦安全開(kāi)采有著不可替代的作用。在煤礦開(kāi)采前，煤礦企業(yè)應(yīng)該開(kāi)展煤巖體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)量工作。測(cè)試可以分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和煤礦井下測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只能測(cè)得巖塊的強(qiáng)度，很難獲得真實(shí)的巖體狀態(tài)。因此，必須需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量煤巖體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，主要包括巖體的強(qiáng)度、巖體的應(yīng)力分布狀況。

2.地質(zhì)力學(xué)測(cè)試內(nèi)容及方法簡(jiǎn)紹

(1)地應(yīng)力測(cè)量

水力壓裂法是測(cè)量地應(yīng)力的一種常用的方法，其主要是通過(guò)對(duì)煤礦井下一定長(zhǎng)度的鉆孔進(jìn)行水力裂，根據(jù)壓裂過(guò)程中壓力和流量隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)確定主應(yīng)力。

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先將預(yù)定位置的鉆孔進(jìn)行封孔，并采用高壓泵注入高壓水直至圍巖破裂。圍巖破裂的方向即為主應(yīng)力的方向，破裂時(shí)的壓力即為主應(yīng)力的值。從水力壓裂過(guò)程中各回次的壓力曲線(xiàn)，就可以得到鉆孔的破裂壓力Pb、瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps、重張壓力Pr。根據(jù)這樣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即可算出最大水平主應(yīng)力σH及最小水平主應(yīng)力σh、巖石抗張強(qiáng)度T。

(2)巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)只能測(cè)得巖塊的物理力學(xué)參數(shù)，難以反映巖體的真實(shí)情況，為此采用鉆孔觸探法來(lái)測(cè)試圍巖強(qiáng)度。在測(cè)試時(shí)，巖體的強(qiáng)度測(cè)試是在鉆孔中進(jìn)行的，在達(dá)到鉆孔的臨界破壞壓力之前，探針保持不動(dòng)。一旦達(dá)到臨界破壞壓力，探針會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，此時(shí)壓力表的讀數(shù)即為該測(cè)點(diǎn)處巖體的臨界強(qiáng)度（Pm）。將此臨界強(qiáng)度按照公式進(jìn)行換算，即可得到巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。此外，為了獲得整個(gè)鉆孔長(zhǎng)度上的巖體抗壓強(qiáng)度，在鉆孔上每隔300～500m選取一個(gè)測(cè)試面，并按照各測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度值繪制鉆孔強(qiáng)度分布曲線(xiàn)。

(3)圍巖結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)

在巖體工程施工中，不僅要獲得巖體的強(qiáng)度參數(shù)，還需要了解巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀況。為了解巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分布，可以采用光纖窺視儀直接觀(guān)測(cè)鉆孔內(nèi)部巖層的分布狀況。光纖窺視儀的原理如圖1所示。在觀(guān)測(cè)時(shí)，通過(guò)探頭上自帶的拍照錄像功能，可以清晰地觀(guān)測(cè)到巖層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分布狀況。在遇到結(jié)構(gòu)和裂隙的位置處，一定要放慢鉆孔探頭的移動(dòng)速度。

圖1 光纖窺視儀的工作原理圖

3.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與分析

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，選擇的測(cè)點(diǎn)應(yīng)該具有代表性。應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：（1）選擇測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造帶和巷道連接處；（2）測(cè)點(diǎn)所在的位置頂板應(yīng)該相對(duì)完整：（3）測(cè)點(diǎn)所在位置應(yīng)該便于觀(guān)測(cè)鉆孔的施工。

(1)測(cè)點(diǎn)位置

第一、第二測(cè)點(diǎn)分別位于西軌道大巷1050m和1200m處。第三測(cè)點(diǎn)15110運(yùn)輸順槽60m處。第四測(cè)點(diǎn)位于軌道大巷500m處。第五測(cè)點(diǎn)位于15108回風(fēng)順槽200m處。第六測(cè)點(diǎn)15108運(yùn)輸順槽150m處。測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)的位置示意圖

(2)頂板巖層分布及結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)

測(cè)試的目的主要有兩個(gè)，一個(gè)是獲得頂板一定厚度范圍內(nèi)巖層分布情況，另一個(gè)是獲得巷道所處巖體的地應(yīng)力分布狀況。

第一測(cè)點(diǎn)鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果為：測(cè)點(diǎn)頂板以上0-1.2m巖層完整；1.2-5.6m無(wú)明顯裂隙發(fā)育，巖層完整性好；5.6-7.3m巖層內(nèi)生裂隙發(fā)育，完整性較差；7.3-12.7m巖層完整性好，13.5m處為橫向裂隙，煤層內(nèi)15.8m處為橫向裂隙，完整性一般。16.7-17.4m巖層較為完整，l7.7m、18.1m處為橫向裂隙。通過(guò)觀(guān)測(cè)結(jié)果，該測(cè)點(diǎn)頂板以上11.9-12.9m為中粒砂巖，巖層完整，致密，適合進(jìn)行水力壓裂。

第二測(cè)點(diǎn)鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果為：測(cè)點(diǎn)頂板以上0.7-5.8m微裂隙發(fā)育，5.7m處為橫向裂隙，巖層較完整；5.8-7.4m有縱向裂隙貫穿，7.4-12.9m無(wú)明顯裂隙發(fā)育，巖層完整；13.8m處有橫向裂隙發(fā)育。該測(cè)點(diǎn)頂板12.2-12.9m為中粒砂巖，巖層完整，適合進(jìn)行水力壓裂。

第三測(cè)點(diǎn)鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果為：測(cè)點(diǎn)頂板以上0-7.3m巖層較完整，9.0m處有微裂隙存在，該巖相對(duì)比較完整，9.4-10.4m巖層較為完整，11.7-13.3m巖層完整性較好，13.3m處比較破碎，15.6m處微裂隙發(fā)育，17.2m處為明顯的橫向裂隙，17.3-19.1m巖層完整。通過(guò)觀(guān)測(cè)結(jié)果，該測(cè)點(diǎn)頂板以上17.3-18.3m為粗粒砂巖，巖層完整，致密，適合進(jìn)行水力壓裂。

第四測(cè)點(diǎn)鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果為：測(cè)點(diǎn)頂板以上0-1.3m裂隙發(fā)育，離層明顯，巖層完整性差，1.3-6.0m和6.0-11.2m巖層完整性較好，6.0m處為橫向裂隙，11.2-12.1m和13.2-14.4m為縱向裂隙發(fā)育，14.4-18.8m裂隙發(fā)育，巖層完整性差，頂板12.0-13.0m巖層致密完整性較好，適合進(jìn)行水力壓裂。

第五測(cè)點(diǎn)鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果為：14.6m處為橫向裂隙，巖層較完整，15.9-17.0m裂隙發(fā)育，17.0-19.2m巖層較完整。該測(cè)點(diǎn)頂板以上13.4-14.4m巖層完整性較好，適合進(jìn)行水力壓裂。

第六測(cè)點(diǎn)鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果為：10.7-11.7m巖層較完整。11.7-20.3m為細(xì)粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，11.7-17.6m裂隙發(fā)育、富含植物化石條帶，16.2m處為離層，17.7-18.6m巖層完整性較好，18.7-20.3m裂隙發(fā)育，巖層完整性較差。通過(guò)觀(guān)測(cè)結(jié)果，該測(cè)點(diǎn)頂板以上17.7-18.6m巖層完整性較好，適合進(jìn)行水力壓裂。

通過(guò)水力壓裂法對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)處鉆孔的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，得到了測(cè)點(diǎn)處的地應(yīng)力分布情況，如表1所示。

表1 辰通煤礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

(3)地應(yīng)力測(cè)試

由表1可知，辰通煤礦的最大水平主應(yīng)力在5-12MPa之間。地質(zhì)力學(xué)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為0-10MPa為低應(yīng)力區(qū)，10-18MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18-30MPa為高應(yīng)力區(qū)。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，辰通礦的地應(yīng)力場(chǎng)屬于中等應(yīng)力區(qū)。6個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向比較一致，這表明沒(méi)有發(fā)生主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)。從另一方面也說(shuō)明了區(qū)域構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹NW方向。在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和分析巷道變形破壞原因是可以將該方向作為參數(shù)依據(jù)。

(4)圍巖強(qiáng)度測(cè)試

在地應(yīng)力測(cè)量結(jié)束后，可以采用鉆孔觸探法獲得辰通礦煤巖體的強(qiáng)度分布狀況。

通過(guò)對(duì)辰通煤礦6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行煤巖體強(qiáng)度原位測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理和計(jì)算可以得到：第一測(cè)點(diǎn)煤幫15#煤煤體強(qiáng)度平均值為17.77MPa，第二測(cè)點(diǎn)煤幫15#煤煤體平均強(qiáng)度為23.46MPa，第三測(cè)點(diǎn)煤幫孔所測(cè)15#煤煤體強(qiáng)度平均值為26.06MPa，第四測(cè)點(diǎn)煤幫孔所測(cè)15#煤煤體強(qiáng)度平均值為18.24MPa，第五測(cè)點(diǎn)煤幫孔所測(cè)13#煤煤體強(qiáng)度平均值為19.13MPa，第六測(cè)點(diǎn)煤幫孔所測(cè)13#煤煤體強(qiáng)度平均值為16.74MPa。

4.結(jié)論

在辰通煤礦布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，辰通煤礦應(yīng)力場(chǎng)屬于中等應(yīng)力區(qū)域。測(cè)試區(qū)域15#煤體強(qiáng)度平均值為18.82MPa；13#煤體強(qiáng)度平均值為19.78MPa。區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及相關(guān)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)受井下地質(zhì)構(gòu)造的影響較大，煤層賦存狀態(tài)的變化及采掘現(xiàn)狀也對(duì)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。