西銘煤礦煤巷圍巖物理力學參數測試

劉云鶴

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

煤巖體作為極其復雜的地質體，主要具備兩大特點，一是煤巖體內部存在著節理及裂隙等不連續面，大大改變了煤巖體的強度特性及變形特征；二是煤巖體內部存在應力，地應力場的大小和方向都顯著影響著煤巖體的變形和破壞[1-3]。因此，針對井下工作面開采，了解其范圍內的煤巖體力學參數是基礎的研究工作，具有重要作用，尤其對于巷道支護及工作面圍巖控制，圍巖力學測試顯得尤為重要。

1 工程概況

西銘煤礦位于山西太原市，是核定生產能力3.6 Mt/a的特大型現代化礦井，井田面積56.45 km2，主要回采2#、3#、8#、9#煤層。針對近年來西山礦區煤炭產量逐年遞增的大趨勢，巷道掘進工程量顯著增加。盡管煤巷錨桿支護技術在西山礦區得到了廣泛應用，積累了豐富的實踐經驗；但目前西山礦區西銘煤礦巷道支護依然沿用工程類比法和經驗法進行設計，巷道支護設計所需的地應力、圍巖力學指標和圍巖結構類型等基礎參數均無實測數據，提出的支護設計缺乏理論依據。對于受力較為復雜的巷道，現有的工程經驗法設計巷道支護無法控制圍巖變形破壞，巷道斷面收縮率較大，需要大量維修甚至返修，造成巷道掘進綜合成本增加，掘進巷道利用效率低下，煤礦安全也受到了極大的威脅。

因此，西銘煤礦目前的巷道支護尚未形成科學系統的成套支護技術，非常有必要針對西銘煤礦進行全面、系統的煤巖體地質力學測試研究，為巷道支護設計提供科學數據，改善巷道支護狀況，減少巷道維護成本，提高其使用效率，為礦井實現安全高效開采奠定堅實基礎。

2 圍巖物理力學參數測試

2.1 測點布置

為了保證測試結果的準確性，測點選擇在頂板完整的地段。測點分開一定距離布置，每個測點布置2 個測孔，鉆孔Φ56 mm，頂板孔深度25 m，豎直方向布置； 煤幫孔深度10 m，要求與水平方向有3°～5°夾角，使水能順利流出，避免水的潤濕作用影響煤體強度的測試結果。頂板鉆孔施工完畢，用水把孔壁沖洗干凈，避免殘留巖屑對測試段選取的影響。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，研究決定在已掘巷道中分別針對2#、3#、9#煤有選擇性的選取6 個測點。本文選取針對2#煤的第五、六測站進行分析。

第五、第六測點位于西十二集中膠輪車巷170 m和70 m 處。該巷道斷面呈矩形，沿2#煤煤層頂板掘進，巷高3.1 m，寬4.5 m，2 個測點的埋深分別為346 m 和386 m。該巷道2#煤煤層結構簡單，局部節理發育； 煤層厚度1.60～2.10 m，平均厚度1.80 m。采用錨網鋼帶與錨索聯合支護。其測點位置見圖1。

圖1 圍巖應力第五、第六測點位置

2.2 頂板巖層分布及結構觀測

采用電子鉆孔窺視儀進行觀測，結果如下：

通過第五測點的鉆孔觀測結果可得，頂板以上0～4.0 m 為泥質砂巖，巖層完整較好。4.0～4.6 m為1#煤，煤層完整。4.6～7.1 m 為細砂巖，其中4.8 m 為泥巖夾層，5.1 為煤線。7.1～7.8 m 為03#煤，巖層呈黑色，完整。7.8～10.3 m 為砂質泥巖，該段巖層中有少量的微裂隙。10.3～14.8 m 為細砂巖，該段巖層完整性較好。14.8～20.4 m 為泥質砂巖，其中14.8～19 m 巖層完整，19.2～19.8 m 裂隙發育，19.8～20.4 m 巖層完整。據觀測結果，頂板以上18.0～19.0 m 巖層相對較為完整，巖層單一，適合進行水力壓裂。

通過第六測點的鉆孔觀測結果可得，第六測點頂板以上0～2.3 m 為泥質砂巖，巖層完整較好。2.3～3.0 m 為1#煤，煤層完整。3.0～5.2 m 為細砂巖，其中4.3 m 處為明顯裂隙。5.2～5.9 m 為03#煤，黑色完整。5.9～8.6 m 為泥質砂巖該段孔壁完整。8.6～11.0 m 為細砂巖，9.3 m 和11.0 m有明顯裂隙。11.0～13.6 m 為泥質砂巖，完整。13.6～13.8 m 為泥巖，較松破碎。13.8～17.4 m 為泥質砂巖，13.9～14.9 m 裂隙比較發育，15.0～17.4 m 巖層完整。17.4～20.7 m 為泥質砂巖，巖層比較完整。據觀測結果，頂板以上15.0～17.4 m 巖層相對較為完整，巖層單一，適合進行水力壓裂。

2.3 地應力測試

通過頂板巖層觀測，將適合水壓致裂的測量段進行標示，采用SYY-56 型水壓致裂地應力測量儀對其進行壓裂，得到每個測點的水力壓裂曲線，根據曲線可得破裂壓力、重張壓力和瞬時關閉壓力；進一步處理可以得到數據最大水平主應力、最小水平主應力和垂直應力值。

（1）第五測點地應力測試結果：（巷道高度3.2 m，距孔口18.6 m）。

圖2 第五測點水力壓裂曲線

根據曲線可得第五測點位置處，破裂壓力Pb為13.82 MPa、重張壓力Pr為7.77 MPa、瞬時關閉壓力Pz為6.62 MPa。測點處巷道高度3.2 m，測試段距孔口18.6 m，測點鉆孔開孔處距地表埋深約386 m，由此可得，測試段埋深約為367.4 m，可以進一步處理數據得出：最大水平主應力σH為11.65 MPa、最小水平主應力σh為6.40 MPa，垂直主應力σv為9.19 MPa。

圖3 第五測點定向結果（最大水平主應力方向北偏西56.2°）

（2）第六測點地應力測試結果：（巷道高度3.1 m，距孔口16.9 m）

圖4 第六測點水力壓裂曲線

根據曲線可得第六測點位置處，破裂壓力Pb為10.92 MPa、重張壓力Pr為6.86 MPa、瞬時關閉壓力Pz為6.05 MPa。測點處巷道高度3.1 m，測試段距孔口16.9 m，測點鉆孔開孔處距地表埋深約346 m，由此可得，測試段埋深約為329.1 m，可以進一步處理數據得出：最大水平主應力σH為10.89 MPa、最小水平主應力σh為5.85 MPa，垂直主應力σv為8.23 MPa。

圖5 第六測點定向結果（最大水平主應力方向北偏西53.4°）

根據判斷標準大于30 MPa 為超高應力區、18～30 MPa 為高應力區、10～18 MPa 為中等應力區、0～10 MPa 為低應力區，可以得到本次測試區域西十二采區屬于中等應力區。從測試結果來看，最大水平主應力均大于垂直應力。判斷測試區域應力場受構造影響較大，水平應力在區域內占優勢。西十二采區應力場類型為σH＞σv＞σh型應力場。水平主應力對巷道頂底板的影響大于對巷道兩幫的影響，垂直應力主要影響巷道的兩幫受力和變形。

從最大水平主應力定向結果可得，西十二采區測點最大水平主應力方向分別為N56.2°W、N53.4°W，總體為NWW方向。從最大水平主應力區域方向的差異可判斷井下應力場受區域構造影響較大。

2.4 圍巖強度測試

地應力測試結束后，采用WQCZ-56 型圍巖強度測試裝置對頂板及巷幫10 m 范圍內煤巖體進行強度測試，得到結果見圖6。

圖6 第五測點頂板巖體及巷幫煤體強度測試結果

圖7 第六測點頂板巖體及巷幫煤體強度測試結果

通過對第五、六測點進行巖體強度原位測試，對測試結果進行整理和計算可得：

第五測點頂板以上0～4.0 m 為泥質砂巖，呈灰黑色，砂質膠結，巖層強度平均值為67.51 MPa。4.0～4.6 m 為1#煤，黑色，巖層強度平均值為29.10 MPa。4.6～7.1 m 為細砂巖，巖層呈深灰色，砂質膠結，巖層強度平均值為92.58 MPa。7.1～7.8 m 為03#煤，巖層呈黑色，巖層強度平均值為26.18 MPa。7.8～10.3 m 為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，巖層強度平均值為57.08 MPa。

第六測點頂板以上0～2.3 m 為泥質砂巖，呈灰黑色，巖層強度平均值為73.07 MPa。2.3～3.0 m為1#煤，黑色，煤體強度平均值為27.95 MPa。3.0～5.2 m 為細砂巖，巖層呈深灰色，巖層強度平均值為86.6 MPa。5.2～5.9 m 為03#煤，煤體強度平均值為26.18 MPa。5.9～8.6 m 為泥質砂巖，巖層強度平均值為60.20 MPa。8.6～10.0 m 為細砂巖，巖層呈深灰色，巖層強度平均值為89.09 MPa。

通過第五和第六測點的2#煤層煤體強度測試結果，可得2#煤層煤體強度為14.41 MPa。

3 結論

通過對西銘煤礦第五、六測點進行現場地質力學測試，并對測試數據進行總結、整理和分析可以得到如下結論：

1）頂板鉆孔圍巖結構觀測結果表明，2#煤層頂板以上20 m 范圍內以泥質砂巖和細砂巖為主，各巖層賦存穩定，層厚有偏差。層間存在少量微裂隙和夾層，整體完整性較好。

2）西十二采區測試范圍內井下應力場在量值上屬于中等偏低應力值區域。從測試結果來看，最大水平主應力均大于垂直應力。判斷測試區域應力場受構造影響較大，水平應力在區域內占優勢。從最大水平主應力定向結果可以得到，西十二區域測點最大水平主應力方向總體為NWW方向。從最大水平主應力區域方向的差異可判斷井下應力場受區域構造影響較大。

3）圍巖強度測試結果綜合計算可得，2#煤層頂板以上10 m 范圍內泥質砂巖巖層強度平均值為64.45 MPa，細砂巖強度平均值為89.47 MPa，巖層間探針觸點強度間較大波動主要是受層間夾層影響，2#煤層煤體強度為14.41 MPa。

通過對2#煤層煤體強度及圍巖應力場的測試結果，對工作面圍巖結構進行評價，為下一步的巷道支護設計提供科學依據，實現安全高效開采。