西山官地礦地應力測試技術研究

王夢東

(西山煤電集團公司技術中心，山西 太原 030053)

為了對采礦工程進行科學合理的開挖設計和施工，就必須對影響工程穩定性的各種因素進行充分調查。在諸多的影響巖體開挖工程穩定性的因素中，地應力狀態是最重要最根本的因素之一。尤其是巷道圍巖是極其復雜的地質體，巷道布置、錨桿支護設計等都離不開對圍巖地質力學的測試研究。

近幾年來，隨著煤巷錨桿支護技術的迅速發展，作為該技術中的關鍵內容之一，巷道圍巖地質力學測試也逐步得到重視，測試結果應用于支護設計，顯著提高了支護設計的合理性和可靠性，提高了工程設計的科學性、合理性與可靠性，確保了工程安全。

1 地質力學測試內容

地應力對巷道支護的影響涉及到地質力學測試內容。具體的測試內容包括地應力測量、煤巖體強度測量以及煤巖體結構觀察。每個測站需要進行測試鉆孔的施工，施工量包括頂板以上20 m的地質力學測試孔一個、煤幫10 m的煤體強度測試孔一個以及頂板10 m范圍內煤巖體取芯，進行煤巖體物理參數測定的實驗，見表1。

本次在西山煤電集團官地礦進行的地應力測量，采用水壓致裂的測量方法。布置4個測站，在頂板向上打一垂直孔，頂板垂直孔深度20 m;在煤幫近水平打一水平孔，孔深10 m;鉆孔直徑56 mm，見圖1。

表1 西山煤電官地礦地質力學測試內容表

圖1 地應力測試鉆孔布置示意圖

鉆孔有以下要求:1)鉆孔直徑:鉆孔直徑為56±2 mm，采用d56 mm的標準鉆頭鉆進。2)鉆孔位置:頂孔中心線鉛垂布置，幫孔中心線水平布置。3)地質力學測試完成后，進行取芯施工，取芯采用d89 mm的取芯鉆頭。

本次測試由于官地礦礦區面積較大，主采煤層較多，需要對各代表性煤層及區域進行測試，測試具體布置位置為:2#煤中六采區北翼、3#煤北采區、6#煤南五采區和9#煤的南十二采區。

2 圍巖結構觀察

煤巖體結構觀察的方法有很多種。除在巖體被揭露的地方，通過肉眼直接進行觀察和描述外，還可采用鉆孔裂縫壓印法、完整巖芯采取法、鉆孔壁觀察法。這三種圍巖結構觀察方法中，鉆孔裂隙壓印法需要打孔、印痕、提取、分析解釋、繪圖等程序;完整巖芯采取法包括大小孔、安裝錨桿、注黏合劑、鉆取巖芯、實驗室試驗與分析等過程。這兩種方法測量過程相對復雜，時間也比較長，作為研究圍巖結構的手段是可行的，但在井下大面積使用存在較大困難。相反，采用鉆孔窺視儀進行鉆孔壁觀察，可借助錨桿、錨索孔進行，方便、快速、成本低，適合于煤礦井下巷道圍巖結構大面積、快速觀察。

3 測試方法

在井下巷道中打好鉆孔后，就可以進行圍巖強度測定。探頭及連接的液壓管，應先在井上用68號液壓油充滿，在觀測地點將液壓管與手搖泵相連接，把電纜的另一頭與圍巖強度測定儀上的傳感器插座相連接，最后，用安裝桿將探頭裝入待測鉆孔并送至孔底開始測定工作。

先將手搖泵手輪擰到加壓位置，啟動手搖泵，油壓通過液壓管傳入探頭內腔，探頭活塞動作，探針外伸直到與孔壁接觸，從探針位移指示儀上可讀出探針外伸量。手搖泵繼續加壓，當壓力達到觀測地點巖石臨界強度時，可觀察到探針位移指示儀指針突然跳躍，并且壓力表讀數稍有下降，該現象表明被測地點孔壁的巖石遭到破壞。同時，讀取壓力表，記錄臨界壓力值，則該點測定完畢。

為了測定整個鉆孔軸線方向上巖層的抗壓強度，每隔100～300 mm取一個測試剖面，由安裝桿的刻度進行指示。在每一個剖面上需測定3點，測點之間等周長，通過圍繞鉆孔軸心轉動120°實現。每個剖面3點臨界壓力值的算術平均值作為該剖面位置巖石的臨界壓力。全部測點測試完畢后，根據相關公式計算出各測點的單軸抗壓強度，并繪制強度沿鉆孔深度的分布曲線。

4 測試結果分析

1)地應力實測結果表明，官地礦所測區域8個測點最大水平應力最大為13.99 MPa，最小為5.04 MPa;最小水平主應力最大為7.17 MPa，最小為3.24 MPa;垂直主應力最大為 15.90 MPa，最小為 8.08 MPa，最大主應力超過10 MPa的測點數量為3個。官地礦所測區域應力場在量值上屬于中等偏低應力區域。最大主應力大體上隨測點埋深的增加而增大。所測區域應力場類型分別為:σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh，初步判斷礦區最大主應力以自重應力為主，但不排除由于礦井地質條件的復雜性導致最大水平主應力為最大主應力。

3)測點最大水平主應力方向集中在N33.3°W～ N89.7°W之間，超過 N45°W的測點個數為7個。由此初步判斷所測區域最大水平主應力方向為NWW－SEE，在進行巷道布置和分析巷道變形破壞原因時，考慮最大主應力值的同時，應結合最大水平主應力的方向進行分析。

4)通過對收集到的地質資料進行分析可知，官地礦井上地表起伏較大，高差相對較為懸殊。地形地貌的差異性會導致井下地應力產生異常變化，同一巷道會由此產生不同的變形和破壞。

5)同一鉆孔同一巖性巖層的強度值波動范圍很大，說明巖層的完整性和均質性差，巖層中普遍存在較為明顯的裂隙和破壞，局部存在非常明顯的破碎及空洞區。弱面的存在對巖層的整體強度有很大的負面影響，在巷道支護設計的過程中應給予考慮。

6)8煤層強度平均值為14.67 MPa，6煤層強度平均值為 13.24 MPa，2#煤層強度平均值為 16.73 MPa。煤幫淺部強度普遍低于深部強度，主要原因是受開挖影響煤幫淺部產生塑性破壞所致，另外也說明煤幫支護強度較低，沒有有效控制煤幫的變形破壞。各煤層完整性普遍較差，煤體中普遍存在夾矸。

5 結語

通過對官地礦進行現場圍巖結構觀測、圍巖強度測試及地應力測試，并對測試數據進行整理、計算和分析，可以得到如下結論:

1)區域地質力學參數的獲取，特別是構造區域的應力場特征以及其它地質力學參數應做更詳盡的了解和掌握，需要系統的進行地質力學測試工作，在大量實測數據的基礎上進行數學、統計學、地質學和數值模擬等方面的綜合分析。官地礦礦區面積較大，所布測點較少，建議在今后的生產過程中針對開采水平以及地質條件的變化，不斷進行補測工作。

2)地應力實測結果表明，所測區域應力場在量值上屬于中等偏低應力區域。

3)根據地質力學測試結果，分析官地礦現有巷道支護系統，并對今后支護方案提出意見及建議，以提高煤礦的安全系數。