葫蘆素井田深部巷道原位地質力學測試

李永元，鄧文彬

(新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

在煤礦開采過程中，地應力對井巷工程設計、施工、穩定性評價等具有重要的意義[1]。為滿足工程需求，世界上各國科研工作者提出的地應力測試及估算方法有數10種，并在大量的工程實踐過程中得到有效檢驗[2-5]。現階段，水壓致裂法被廣大學者普遍認為是較為通用的地應力檢測方法[6]。其具有設備簡單、環境適應性強、測試周期短、測試深度深、不需彈性參數參與計算等突出優點，是當前學界公認和普遍推介的方法之一[7-9]。為探明葫蘆素煤礦的地應力分布情況，為井巷工程施工方法的選擇以及工作面巷道的穩定性分析和支護設計提供依據，在東翼輔助運輸大巷、永久避難硐室、西翼回風巷和21102工作面副回風巷等位置開展了4個鉆孔的水壓致裂法地應力測試工作。

1 地質概況

葫蘆素井田地理位置歸屬烏審旗，按照東勝煤田發展方向，其屬于東勝煤田西南邊界的延伸，具體位置在旗東北方向，緊鄰伊旗南部邊界。總體構造形態為一向北西傾斜的并發育有次一級波狀起伏的單斜構造。區內地形總體趨勢是東南部較高，西北部較低。地面標高為+1 341.20 m；最低點位于井田西部邊緣，海拔標高為+1 304.50 m。最大地形高差為36.7 m。

井田內含煤地層為侏羅系中統延安組，該組地層平均厚度282.66 m。其中含可采煤層8層，次地應力測試針對2-1煤層和2-2煤層如圖1所示。

圖1 礦井煤層綜合柱狀

2 測試方法與原理

2.1 水壓致裂法地應力測量

σh=Ps-γwh(最小水平主應力)

σv=γH(垂直應力)

σH=3Ps-Pr-2γwh(最大水平主應力)

水壓致裂應力原理，如圖2所示。

圖2 水壓致裂應力原理

2.2 鉆孔觸探法圍巖強度測量

通常情況下，檢測圍巖強度是在實體巷道中施工圍巖鉆孔后實施的[10]。具體實施過程是：通過安裝桿和升降器將檢測探頭裝入鉆孔當中，通過手動油泵對探頭進行加壓，使其內部探針在油壓驅動下發生位移，同時這一位移量由探針位移計進行實時記錄。通過不斷的加壓，通過探針傳遞給鉆孔圍巖的壓力達到臨界破壞強度，之后發生鉆孔壁巖體破壞。這一過程中壓力表會記錄下臨界破壞強度時壓力讀數臨界破壞壓力值Pm。之后通過換算，便可以計算出該孔位圍巖的單軸抗壓強度值。水壓致裂地應力測量及WQCZ-56圍巖強度測定如圖3、4所示。

圖3 水壓致裂地應力測量示意

圖4 WQCZ-56圍巖強度測定原理示意

3 現場測試與結果分析

3.1 測點布置

根據實際應用需求，同時盡量減小鉆孔施工及測試對煤礦生產的影響，研究決定在礦井已掘巷道選取有代表性的測點共4組，分別布置在礦井2-1和2-2煤層中。第一測點位于2-2煤層東翼輔助運輸大巷中，距永久避難硐室50 m處；第二測點位于井下永久避難硐室中，巷道斷面呈半圓拱形，為半煤巖巷道，全長74.8 m；第三測點位于2-1煤層西翼回風大巷中，位于風井井筒以南，以270°方位角向西沿2-1煤層頂板布置，東側為風井臨時煤倉及2-1煤層東翼回風大巷；第四測點位于21102工作面副回風巷中，距2-1煤東翼輔助運輸斜巷口10 m，測點處埋深634.8 m。測點位置如圖5所示。

圖5 第一、第二測點位置示意

3.2 頂板巖層分布及結構觀測

第一測點鉆孔結構觀測：測點位于2-2煤層東翼輔助運輸大巷。

第二測點鉆孔結構觀測：測點位于井下永久避難硐室。

第三測點鉆孔結構觀測：測點位于2-1煤西翼回風大巷中。

第四測點鉆孔結構觀測：測點位于21102工作面副回風巷。

圖6 第一測點頂板巖層結構觀測結果

通過觀測分析得：①通過第一測點的鉆孔觀測結果，綜合分析可以得到，頂板以上13.9～15.3 m巖層較為完整，適合進行水力壓裂試驗。②通過第二測點的鉆孔觀測結果，綜合分析可以得到，頂板以上12.4～13.1 m巖層相對較為完整，適合進行水力壓裂試驗。③通過第三測點的鉆孔觀測結果，綜合分析可以得到，頂板以上13.9～15.2 m巖層相對較為完整，巖性單一，適合進行水力壓裂試驗。④通過第四測點的鉆孔觀測結果，綜合分析可以得到，頂板以上15.0～15.8 mm巖層相對較為完整，巖性單一，適合進行水力壓裂試驗。

3.3 地應力測試與分析

通過軟件統計計算，得出以上測點水壓曲線數據處理結果見表1。

綜上統計分析得：

第一測點最大水平主應力為17.69 MPa，最小水平主應力為9.17 MPa，垂直應力為16.21 MPa；第二測點最大水平主應力為24.74 MPa，最小水平主應力為13.36 MPa，垂直應力為16.31 MPa；第三測點最大水平主應力為22.33 MPa，最小水平主應力為11.41 MPa，垂直應力為15.35 MPa；第四測點最大水平主應力為18.52 MPa，最小水平主應力為9.39 MPa，垂直應力為15.49 MPa。據相關判斷標準：0～10 MPa為低應力區，10～18 MPa為中等應力區，18～30 MPa為高應力區；大于30 MPa為超高應力區[11-12]。由此，判斷測試區域地應力場在量值上屬于中等偏高-高應力值區域。

表1數據處理分析結果表明，葫蘆素井田所屬測試區域應力場為σH>σv>σh型，區域構造應力占優勢。

表1 水力壓裂曲線經水壓致裂數據處理計算結果

定向結果顯示4個測點σH分別為：N29.9°W、N33.7°W、N20.4°W、N38.5°W，故可得出該區域最大水平主應力方向為NNW。

3.4 圍巖強度測試與分析

利用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對地應力測試鉆孔所屬巷道頂板及幫部10 m區域內巖體進行探測并通過計算法輔助系統進行測試數據的記錄模擬和統計計算，最后分析得到葫蘆素煤礦頂板和兩幫巖體強度分布狀況圖，如圖7所示。

圖7 第一測點頂板/幫巖體強度測試結果

通過分析得：

第一測點巷道頂板以上0～0.6 m為2-2煤層，煤體強度平均值為27.75 MPa。 0.6～2.6 m為砂質泥巖，該段巖層比較完整，巖層強度平均值為43.83 MPa。2.6～6.1 m為細粒砂巖，巖層強度平均值為45.85 MPa。6.1～6.2 m為煤線，黑色。6.2～8.2 m為砂質泥巖，巖層強度平均值為41.19 MPa。8.2～10.0 m為細粒砂巖，巖層強度平均值為47.79 MPa。

第二測點頂板以上0～8.3 m為砂質泥巖，巖層呈深灰色，強度平均值為44.32 MPa。8.3～10.0 m為細砂巖，巖層呈灰白色，砂質膠結，巖層強度平均值為52.34 MPa。

第三測點頂板以上0～4.1 m為泥質砂巖，巖層呈灰黑色，該段巖層比較完整，強度平均值為38.58 MPa。4.1～5.5 m為細砂巖，砂質膠結，該段巖層完整，強度平均值為42.51 MPa。5.5～7.0 m為泥質砂巖，6.4 m處為明顯橫向裂隙，出水，巖層強度平均值為29.13 MPa。7.0～7.2 m為夾煤，有水流出。7.2～13.9 m為中砂巖，巖層強度平均值為58.39 MPa。

第四測點頂板以上0～2.9 m為泥質砂巖，巖層強度平均值為38.19 MPa。2.9～5.8 m為細砂巖，巖層強度平均值為40.28 MPa。5.8～8.0 m為泥質砂巖，巖層強度平均值為33.04 MPa。8.0～8.5 m為夾煤，強度平均值為19.89 MPa。8.5～15.8 m為中砂巖，巖層呈灰白色，巖層強度平均值為47.42 MPa。

葫蘆素煤礦第一測點幫部鉆孔為砂質泥巖，巷幫巖層圍巖強度平均值為20.16 MPa；第二測點幫部鉆孔布置在2-2煤層中，2-2煤體強度平均值為15.54 MPa。第三和第四測點幫部鉆孔均布置在2-1煤層中，2-1煤體強度平均值為12.81 MPa。由此可見，葫蘆素煤礦2-1及2-2煤層強度普遍偏低。同時，從煤體強度測試曲線來看，最低值僅有5～8 MPa，說明局部煤體強度較低。另外，強度曲線波動范圍普遍較大，說明煤體的完整性不穩定，局部含有顯著的裂隙。

4 結論

(1)葫蘆素煤礦4個測點原位測試數值分析，該井田所屬應力場屬于中等-高應力值區域，應力場類型全部為σH>σv>σh，4個測點σH方向一致性好，均為NNW方向，角度集中在N20.4°～38.5°W之間。

(2)頂板圍巖結構觀測結果顯示：礦井2-1煤層與2-2煤層頂板多以砂質泥巖、泥質砂巖、細砂巖、中砂巖為主，局部含有少量橫向裂隙、煤線或炭質泥巖夾層，沒有發現大面積的破碎帶或者空洞。

(3)礦井煤層頂板砂巖普遍含水，出水點一般集中在頂板以上6～11 m之間。

(4)圍巖強度原位測試結果顯示，2-2煤層頂板以上10 m范圍內主要巖層為砂質泥巖和細粒砂巖為主，圍巖強度值變化幅度不大，強度曲線相對穩定。這證明了該段巖層的完整性普遍較好，不存在明顯的裂隙和弱面。

(5)葫蘆素煤礦2-1及2-2煤層強度普遍偏低，因此在巷道布置及掘進施工組織設計過程中，應當充分考慮這一客觀因素存在，在支護強度和剛度上給予合理計算，確保施工質量可靠有效。

(6)現場測試發現，礦井2-1、2-2煤層頂板無明顯的偽頂，煤層以上為結構相對完整的砂質泥巖、細砂巖和中砂巖。但是，頂板砂巖普遍含水。在頂板鉆孔出水量較大時，可通過適當減小頂板錨索長度、增加錨固劑數量等方式，減小水對錨固效果和圍巖強度的弱化作用。建議在工作面回采期間，對留巷的順槽巷道進行圍巖結構觀測，以判斷受采動影響前后圍巖結構的變化狀況，為留巷巷道掘進時合理支護強度的選取提供依據。