巷道圍巖地質力學測試與分析

薛歷偉

（晉能控股集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037000）

1 引言

伴隨著煤礦開采深度和強度的不斷增加，地應力對圍巖變形和損壞影響更加突出[1-3]，以地質力學測試結果為基礎，結合掘進過程中頂板巖層結構變化規律，從而提出快速合理的支護方式及參數[4-5]。充分運用現有工程條件，針對試驗礦井進行相關地質力學測試，選用小孔徑地質力學測試系統開展測站的地質力學測試，包括頂板鉆孔地應力測試、頂板鉆孔和巷幫鉆孔的圍巖強度測試，以及對頂板鉆孔的圍巖結構進行觀察。通過分析東周窯煤礦巷道圍巖所處原巖應力分布特征、圍巖的強度及節理裂隙發育程度，為巷道快速掘進與支護工藝及參數選取提供了依據。因此，巷道圍巖地質力學測試與分析對巷道安全快速掘進具有重要意義。

2 工程概況及試驗設計

2.1 試驗巷道工程地質情況

（1）工作面基本概況

8704 工作面位于東周窯煤礦一采區，地面標高是1423～1567 m，工作面的標高是970～1016 m，埋深約500 m。5704 巷道在全煤區域掘進，該巷道設計長2570 m，沿4 煤頂板掘進。

（2）煤層頂底板條件

4 煤屬于比較穩定型煤層，煤厚平均2.67 m，其中間存在1～2 層大約0.3 m 泥巖夾矸，煤層傾角平均2°，煤層節理、層理發育，煤層傾向NW。煤層頂底板的巖性特征：老頂為中砂巖，厚度2.5～6.2 m，呈現灰白色、鈣質膠結，石英、長石為主要成分；直接頂為砂質泥巖，厚度1.5～4.3 m，呈現灰黑色，塊狀構造；直接底為砂質泥巖，厚度2.5～6.4 m，呈現灰黑色。

2.2 巷道圍巖地質力學測試方案

選取地質力學測站的過程中盡量要躲開大構造帶、采空區、交叉處和巷道比較錯綜復雜的區域范圍，其中巷道圍巖地質力學測試的觀測站三處，每一個測點布置兩處鉆孔。測點常布置在煤巷道里，地應力與頂板巖體的強度測試是在巷道的頂部鉆孔進行的，煤體的強度是在巷幫鉆孔里進行的。鉆孔有以下要求：（1）鉆孔直徑。孔徑是56±2 mm，鉆進選用Ф56 mm 標準的鉆頭。（2）鉆孔位置。鉛垂布置頂部鉆孔的中心線，近水平布置巷幫的鉆孔，要保證3°～5°仰角，便于打鉆時水能方便從鉆孔中排掉。（3）鉆孔深度。頂部的鉆孔深度是20～25 m，巷幫的鉆孔深度約是10 m。

針對該煤礦進行了三組巷道圍巖綜合地質力學測試，具體的測點位置如圖1。選用煤礦本安型鉆孔電視對圍巖結構進行觀測。井下原位測量進行后，用公式Rc=2.07Pm+5.35 計算圍巖抗壓強度，式中：Rc為圍巖單軸抗壓強度，MPa；Pm為所測試巖層層位的平均臨界載荷，MPa。選用配套鉆孔直徑56 mm 的水壓致裂設備進行地應力測量。

圖1 地質力學測試測點位置示意圖

3 巷道圍巖地質力學特性分析

煤巖體地質力學參數大致分為三大類，包含煤巖體的應力參數、煤巖體的變形和強度參數與煤巖體的結構參數。巷道圍巖地質力學特性包含巷道圍巖結構、巷道圍巖強度和地應力三個方面，對巷道的支護效果影響較為顯著。因此，對巷道的這三方面地質力學特性進行研究。

3.1 圍巖結構觀測及分析

圖2 為第一觀測點鉆孔觀測的結果。分析可知，該測點頂板上方0～3.4 m 是砂質泥巖，呈灰黑色，泥砂質結構。0.5～3.4 m 巖層較完整。3.4～4.5 m 是4-1 號煤層，黑色，半暗半亮型煤。其中4.1 m 位置處是泥巖夾矸，這段煤層中含有少量的裂隙。4.5～11.8 m 為細砂巖，呈深灰色，堅硬致密，細砂粒狀結構。其4.8 m 位置處出現較為明顯的橫向裂隙，4.9～7.9 m 巖層比較完整，8.0 m 位置處是煤線，9.5 m 位置處出現微裂隙，9.7～11.8 m 巖層相對完整，11.6 m 是夾層。11.8～13.5 m 位置是中粒砂巖，呈灰白色，主要以石英為主，鈣質膠結，這段巖層比較完整。13.6～16.7 m 是砂質泥巖，呈灰黑色，泥質膠結，其中14.0～15.3 m 是復合性的巖層。16.8～19.2 m 是細砂巖，呈深灰色，鈣質膠結，巖層相對較完整。同理可對第二觀測點和第三觀測點鉆孔觀測結果進行分析。

圖2 第一測點頂板巖層結構觀測結果

3.2 圍巖強度測試及分析

對巷道頂板上方、巷道幫10 m 范圍之內用圍巖強度測試裝置進行了測試，通過數據分析可以得出測點對應巖層強度的分布情況，詳細如圖3 至圖5 所示，巷道幫巖層強度測量數據如圖6。

圖3 第一測點頂板巖石強度曲線

圖5 第三測點頂板巖石強度曲線

圖6 巷道幫強度測量數據

通過煤巖體強度原位測試，并對測試數據結果整理、分析可知：第一、二、三測點頂板上方的巖層強度均值分別為77.55 MPa、76.65 MPa、81.20 MPa；三個測點對應位置處的巷幫孔煤體強度均值分別為13.71 MPa、14.71 MPa、15.57 MPa。

綜合以上測試結果整理分析可得出：4 號煤層原位強度的均值是14.67 MPa，說明該煤層的強度相對比較高，所以巷道布置在4 號煤層中，對以后巷道幫的形變及采取措施進行控制相對很有益。圍巖強度測試結果表明，測試區域4 號煤層直接頂砂質泥巖的平均原位強度在巷道淺處可達約70 MPa，表明砂質泥巖強度相對較高，有利于巷道后期維護，直接頂的圍巖具有相對較好的穩定性。

3.3 地應力測試及分析

一采區4 號煤層的地應力情況見表1。

表1 一采區地應力情況

通過對地應力結果整理、分析可知：

（1）4 號煤層布置3 個測點所測區域最大水平應力均大于13 MPa，垂直應力均大于10 MPa，由地應力量級判斷的標準可知所測區域應力場在量值上屬中等地應力場。

（2）由測試結果分析可知，2 個測點中的地應力大小分布規律相同，應力場類型是σH＞σV＞σh型應力場，則所測試區域地應力是以垂直水平應力為主的。

（3）由最大水平主應力方向分析，其方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范圍內。

圖4 第二測點頂板巖石強度曲線

巷道頂、底板的變形與穩定性主要的影響因素是水平應力，結合測試結果分析可知，測試區域的地應力在量值上屬中等應力場，在巷道附近的圍巖所處應力起作用的量值上會相對較低，圍巖的變形與壓力顯現不會出現很大的情況，但應力場類型呈現出的是構造應力場為主。如圖7 所示，5704 回風順槽的位置處在北偏西73°，最大水平主應力的方向為北偏西33.3°與北偏東34.2°范圍，這表明5704 順槽巷道根據地應力的角度來解釋，該順槽巷布置的方向與最大水平方向之間的夾角在40°～74°范圍，這時的最大水平應力對順槽巷的穩定性會產生一定的影響，但是影響程度相對有限，因為最大水平應力處在中等偏低的范疇，對順槽巷的圍巖穩定性不能夠有十分顯著影響。

圖7 巷道軸向和最大水平主應力布置關系

4 結論

（1）通過測試分析，得出第一、二、三測點的頂板上方巖性，并測得巖層強度均值分別為70.51 MPa、77.55 MPa 和81.20 MPa。第 二 測 點 頂 板 以上0～3.6 m 為砂質泥巖，巖層強度平均值為69.00 MPa；3.6～4.7 m 為4-1#煤層，煤體強度平均值為33.43 MPa；4.7～10.0 m 為細砂巖，致密堅硬，巖層強度平均值為76.65 MPa。第三測點的頂板上方3.0～4.2 m 是4-1#煤層，煤體強度平均值38.99 MPa。

（2）4 號煤層原位強度的均值是14.67 MPa，體現該煤層的強度相對比較高，所以巷道布置在4號煤層中，對以后巷道幫的形變及采取措施進行控制相對很有益。圍巖強度測試結果表明，測試區域4 號煤層直接頂砂質泥巖的平均原位強度在巷道淺處可達約70 MPa，表明砂質泥巖強度相對較高，有利于巷道后期維護，直接頂的圍巖具有相對較好的穩定性。

（3）三個觀測點所在的測試區域最大水平應力都超過13 MPa，垂直應力都超過10 MPa，所測試的區域應力場屬于中等地應力場。兩個測點中的地應力大小分布規律相同，應力場類型是σH＞σV＞σh型應力場，則所測試區域地應力是以垂直水平應力為主的。最大水平主應力的方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范圍內。