水峪煤礦井下地質(zhì)力學原位測試與分析

趙帥

（汾西礦業(yè)集團公司生產(chǎn)處 山西介休032000）

煤巖體地質(zhì)力學參數(shù)是煤礦井下采掘工程設(shè)計及施工的基礎(chǔ)，將地質(zhì)力學測試成果應用到煤礦巷道支護等采礦工程設(shè)計中可提高設(shè)計的科學性[1]。煤巖體地質(zhì)力學參數(shù)可分為三大類：應力參數(shù)、變形與強度參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)[2]。煤礦井下地應力測試方法主要包括水壓致裂法和鉆孔應力解除法[3-4]，煤巖體強度測試包括現(xiàn)場測量和實驗室試驗兩種方法，而結(jié)構(gòu)觀察主要采用鉆孔窺視儀。本文在汾西水峪煤礦采用直徑φ56 mm的小孔徑煤巖體地質(zhì)力學成套測量裝備，完成了6個測點的地應力測量，12個測點的煤巖體強度與結(jié)構(gòu)測試，分析并總結(jié)了水峪煤礦井下地應力場分布規(guī)律，巷道圍巖強度變化特征，以及巷道圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)育特征，為礦井巷道支護設(shè)計等采掘工程提供了基本數(shù)據(jù)，有效地提高了錨桿支護設(shè)計參數(shù)的可靠性。

1 測試方案

1.1 井田區(qū)域地質(zhì)特征

水峪煤礦井田黃土分布廣泛，僅在溝谷中有少量基巖出露，地層走向西部為NE，東部為NW，傾向西部為SE，東部為NE，傾角一般小于10°，北部及西部傾角較大。井田位于陽泉曲～汾西盆狀復向斜的北部偏東，受區(qū)域構(gòu)造的影響，井田內(nèi)地層平緩，傾角一般不大于15°，以NE向?qū)捑彽牟钇鸱鼮榛緲?gòu)造形態(tài),較大的為軸向NW前驛馬向斜，兩翼傾角5°～15°，區(qū)內(nèi)延伸5 400 m。井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層3條（偏店斷層、F15、F16），均為正斷層，傾角70°，無陷落柱及巖漿巖侵入。

1.2 測量裝置

水峪煤礦地質(zhì)力學測試設(shè)備采用小孔徑煤巖體地質(zhì)力學成套裝置在井下進行，該測量裝置可在1個直徑為φ56 mm的小孔徑鉆孔獨立完成地應力、強度及結(jié)構(gòu)等3個地質(zhì)力學基礎(chǔ)參數(shù)的現(xiàn)場測量[5]，其中地應力和圍巖強度測量原理見圖1。

圖1 地質(zhì)力學測試原理

1.3 測點布置

水峪煤礦井下巷道進行了6個綜合測站的地應力、圍巖強度與圍巖結(jié)構(gòu)測試，測點布置見圖2。

第1測點位于十采區(qū)集中軌道巷2號車場，測點處埋深509 m；第2測點位于十采區(qū)軌道巷1 130 m處，埋深為635.7 m。第三測點位于10211材料巷1號鉆場160 m處，埋深為626 m，第四測點位于10211材料巷8號鉆場480 m處，埋深為646.6 m；第五、第六測點分別位于十采區(qū)皮帶巷1 140 m和1 660 m處，埋深分別為655 m和634 m。

圖2 水峪煤礦地質(zhì)力學測站布置

2 地應力測試與分析

水峪煤礦6個測點均布置于十采區(qū)，見圖2所示，地應力測量結(jié)果見表1，典型主應力破裂方向印模曲線見圖3。

表1 水峪煤礦水壓致裂地應力測量結(jié)果

由表1和圖3，水峪煤礦6組測點均取得了理想的壓裂曲線和印模結(jié)果，數(shù)據(jù)可靠。根據(jù)相關(guān)判斷標準：0 MPa～10 MPa為低應力區(qū)，10 MPa～18 MPa為中等應力區(qū)，18 MPa～30 MPa為高應力區(qū)；大于30 MPa為超高應力區(qū)。根據(jù)相關(guān)地應力量級標準，水峪煤礦十采區(qū)為中等水平，為σV＞σH＞σh型應力場，以自重應力為主。第1和2測點最大水平主應力方向為N9.8°E～N2.5°E，優(yōu)勢方向為NNE方向；第三至六測點最大水平主應力方向為N4.9°W～N70.1°W，為NNW-NWW方向。

3 圍巖結(jié)構(gòu)觀測與分析

利用地應力測量鉆孔，水峪煤礦完成了12個測點的圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔窺視，典型圍巖鉆孔成像見圖4。由圖4，頂板0 m～1.7 m為泥巖，呈灰黑色，巖層較為完整，裂隙發(fā)育程度低，無明顯裂隙；7 m～5.8 m為泥質(zhì)砂巖，呈深灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，其中1.7 m～4.8 m巖層完整；4.9 m有微裂隙，4.9 m～5.8 m巖層完整；頂板5.8 m～6.5 m為泥巖，黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，無明顯裂隙，巖層較為完整。鉆孔成像結(jié)果表明頂板6 m范圍內(nèi)無明顯裂隙發(fā)育，完整性好，非常有利于錨桿錨索錨固質(zhì)量和控制圍巖效果[7]。煤幫孔沿軸向0 m～1.7 m煤體完整性較好，無明顯裂隙，1.8 m～4.3 m煤體裂隙發(fā)育完整性差，4.3 m～6.7 m煤體完整性好，6.7 m～8.3 m煤體比較破碎，8.3 m后幫孔塌孔無法繼續(xù)窺視。幫部煤體在1.8 m～4.3 m、6.7 m～8.3 m較為破碎。

水峪煤礦圍巖結(jié)構(gòu)測量表明，巷道頂板錨桿錨索控制范圍煤巖體結(jié)構(gòu)相對完整，節(jié)理裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，對于錨桿錨索樹脂錨固提供了良好的圍巖環(huán)境，有利于發(fā)揮錨桿和錨索控制圍巖的作用。

圖4 圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔成像圖

4 圍巖強度測試與分析

水峪煤礦利用地應力測試鉆孔測量了圍巖強度，典型鉆孔圍巖強度測量結(jié)果見圖5。由圖5(a)，頂板0 m～1.7 m為泥巖，平均強度為29.78 MPa，普氏系數(shù)為2.9；1.7m～5.8 m范圍為泥質(zhì)砂巖，平均強度達48.94 MPa，且強度變化幅度不大，說明巖層均勻性高、完整性高，這對于保持自身穩(wěn)定性具有重要的作用，泥質(zhì)砂巖強度較高，有利于錨桿、錨索的錨固；5.8 m～6.5 m為泥巖，平均強度為26.74 MPa，巖層的強度低；6.5 m～10 m為泥質(zhì)砂巖，平均強度達46.58 MPa，強度變化幅度不大，巖層完整性好。由圖5(b)，煤體強度平均值為13.70 MPa，普氏系數(shù)為1.3，煤層的強度低，并且可以看出煤幫的的波動幅度大，反映出煤幫的完整性較差，同結(jié)構(gòu)窺視圖對應性強，煤幫的強度低，必須測試幫部煤體的錨固力，強化對幫部的控制。

圖5 圍巖強度測試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)水峪煤礦十采區(qū)地應力量級為中等水平，且以自重應力為主，地應力場為σV＞σH＞σh型重力場，最大水平主應力方向為N9.8°E～N2.5°E，優(yōu)勢方向為NNE方向，以及N4.9° W～N70.1° W，優(yōu)勢方位為NNW-NWW方向。

(2)水峪煤礦十采區(qū)巷道頂板10 m范圍內(nèi)由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，泥巖平均強度為29.78 MPa，泥質(zhì)砂巖平均強度達48.94 MPa，煤體強度平均值為13.70 MPa。

(3)巷道頂板錨桿錨索支護范圍煤巖體結(jié)構(gòu)完整，無明顯的節(jié)理裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面，為安裝錨桿錨索提供了良好的圍巖環(huán)境，有利于樹脂錨桿錨索控制圍巖。

(4)水峪煤礦開展了地應力、圍巖強度和圍巖結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)地質(zhì)力學參數(shù)現(xiàn)場測試，為礦井采煤設(shè)計和巷道支護參數(shù)選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。