地質力學原位測試在陽辿煤礦的實踐與應用

郭晉平，董徐良，李慶中

（山西陽辿煤業有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

煤礦地層是經地殼漫長運動形成的結構復雜的煤巖層地質體，分析掌握煤巖體物理力學性質等基本參數，對于礦井開拓布局及井巷支護設計具有重要的作用。煤礦井下的各種地質災害的發生，如懸頂不垮、沖擊地壓及煤與瓦斯突出等事故的發生均與地應力、煤巖體物理力學性質、斷層褶曲等地質構造息息相關，因此，只有獲得全面、詳細的煤巖體地質力學參數才能針對各種煤礦災害提出有效的預測與防治方法。

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，井田整體呈單斜構造，方向為由北向西，傾角為3°～9°左右，地質構造屬于簡單類型，主要可采煤層為2號、3號和15號煤層，現開采煤層為15號煤層，煤層平均厚度3.41m，結構相對復雜，內部含有1～2層夾矸，煤層基本頂主要為K2灰巖，直接頂為泥巖和砂質泥巖互層，直接底主要以泥巖為主。目前，礦井迫切需要通過井下地質力學測試充分了解和掌握試驗巷道圍巖物理力學信息，在此基礎上進行全面、系統的巷道支護參數設計、支護材料選擇以及施工機具的配備；以期形成先進、實用的巷道錨桿支護成套技術，以實現對井巷圍巖變形的有效控制；在保證巷道空間安全的基礎上，盡量降低支護成本支出，實現礦井技術及經濟效益的雙向提升。

2 地質力學原位測試方法優選

2.1 地應力測試

就國內現有技術而言，對于地應力測試主要有如下幾種方法：①應力恢復法；②應力解除法③水壓致裂法；④地球物理方法；⑤地質構造信息法。這其中主要以應力解除法及水壓致裂法易于在井下進行實際操作而應用最為廣泛，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、受地質環境因素影響較小而使用最為廣泛，便于在煤礦井下進行實際測量操作。

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場測試，但是實驗室測試無法測試巖體的結構面對巖石物理性質的影響，因此實驗室所測得的巖塊物理力學參數與井下巖體的真實性質會有較大的差別。因此掌握煤礦井下圍巖的真實情況，最佳方法即在井下進行現場原位測試，現場測得巖體的各項指標，這樣可對井下巖體的性質做相對精準的描述判斷。在進行井下原位測試時，主要采用鉆孔探觸法，該方法具有測定結果真實、測量范圍廣、測量簡單經濟而被廣泛使用。

2.3 圍巖結構觀測

受地殼活動的影響，地層巖體在形成過程中，不可避免的會產生各種結構面，巖體中存在的各種結構面對巖體力學性質的影響會遠大于其自身巖石材料性質的影響。巖體發生的各種變形破壞及力學性質的變化很大程度上均與其內部結構面有關系。因此研究巖體及巖塊物理力學參數性質前，需要采取相關技術手段對井下煤巖體如節理、裂隙等結構面進行觀測。

3 地質力學原位現場測試

3.1 測點布置要求

根據陽辿煤礦已經開拓區域條件，選擇在已掘巷道中布置2個測點，如圖1所示。在15101回風順槽和15101工作面聯巷各設置一個測點，每個測點在巷道頂板及巷幫設置兩個測孔，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致強度測試結果偏差過大，頂板鉆孔施工完后需用水將孔壁內的巖屑清洗，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回風順槽750m處，150101工作面回風順槽開口位于1501采區軌道巷620m處，按方位角143°33′0″向東南方向掘進1209m。150101回風順槽掘進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，埋深約209m，采用錨桿+梯子粱+鐵絲網+錨索支護。

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

3.2 圍巖結構分布及結構觀測

對兩個測點的鉆孔內部圍巖結構進行了窺視，均取得了清晰、直觀的頂板巖體和對應巷幫圍巖體結構觀測數據，其中第一測點巷幫巖體結構觀測結果如圖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構窺視圖受文章篇幅所限未進行附圖，由現場兩測點窺視結果分析可知，15101工作面頂板10m范圍內的巖層主要由粉砂巖、細砂巖和石灰巖構成，該范圍內巖層結構及性質與巷道支護參數選擇息息相關。總體來說兩個測點的頂板巖層較為堅硬，完整性較好，僅僅在局部區域出現一定的破碎現象。巷幫巖體觀測結果表明，幫孔完整性相對較好，現有支護有效的控制了巷幫巖體的變形。

圖2 第一測點頂板巖層結構觀測結果

3.3 地應力測試

由頂板結構窺視結果，對水壓致裂地應力測量段進行標定后進行壓裂，在壓裂過程中對壓力的變化進行實時監測，數據的監測選用SYY-56型地應力測量儀進行，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

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

3.4 圍巖強度測試

地應力測量完成后，選用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對頂板及巷幫10m范圍內的巖體強度進行了原位測試，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為細砂巖、4.4～5.4m為14號煤、5.4～10.0m為石灰巖，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?？傮w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果

4 結論

通過對陽辿煤礦進行井下地質力學原位測試實踐應用，地質力學原位測試能夠清晰準確的反映陽辿煤礦的實際力學參數，可以對陽辿煤礦得到如下結論：

1）由現場窺視結果可知，15101工作面頂板10m范圍內的巖層主要由粉砂巖、細砂巖和石灰巖構成，總體來說兩個測點的頂板巖層較為堅硬，完整性較好，僅僅在局部區域出現一定的破碎現象。巷幫巖體觀測結果表明，幫孔完整性相對較好，現有支護有效的控制了巷幫巖體的變形。

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