平朔井工三礦9 煤巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試與分析

高志超

（中煤平朔集團(tuán)有限公司井工三礦，山西 朔州 036006）

煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)是煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)[1-2]，在井下巷道支護(hù)初始設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)煤巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試[3-5]。強(qiáng)度測(cè)試一般分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與原位測(cè)試；地應(yīng)力測(cè)試多采用鉆孔應(yīng)力解除法和水壓致裂法；巷道圍巖結(jié)構(gòu)則主要用窺視儀直接觀測(cè)。平朔井工三礦9 煤賦存條件相對(duì)較差、地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，因此獲取9 煤巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)對(duì)煤層巷道錨桿支護(hù)作業(yè)的進(jìn)行具有重要意義。本文選用鉆孔窺視儀、SYY-56 型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x、WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置對(duì)井工三礦9 煤巷道圍巖進(jìn)行原位測(cè)試和分析，為井工三礦9 煤巷道支護(hù)工作提供設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)保障。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原則

為減小客觀因素對(duì)觀測(cè)成果的影響，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)應(yīng)遵循以下原則：確定測(cè)站位置時(shí)，應(yīng)避開大的巷道群和構(gòu)造帶；盡量使測(cè)站頂板保持完整；確保巷道高、寬均滿足施工作業(yè)要求；水、電、通風(fēng)及運(yùn)輸系統(tǒng)必須完備；測(cè)站之間應(yīng)保持一定距離。每個(gè)測(cè)站設(shè)置兩個(gè)鉆孔，分別為頂孔和煤幫孔，直徑均為56 mm。頂孔鉛垂布置，深度約20 m；煤幫孔深度約10 m，近水平布置，但需要略微傾斜，避免因積水不能順利排出而影響測(cè)試結(jié)果。

1.2 測(cè)站位置

在9 煤二采區(qū)已掘巷道中選取三個(gè)測(cè)站進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，其中第1 測(cè)站位于9 煤二采區(qū)39204輔運(yùn)巷內(nèi)320 m 處，該測(cè)站實(shí)際巷寬5.2 m，巷高3.5 m；第2 測(cè)站位于39204 主運(yùn)巷480 m 處，該測(cè)站實(shí)際巷寬5.2 m，巷高3.4 m；第3 測(cè)站位于39204 主運(yùn)巷50 m 處，該測(cè)站巷高3.5 m，巷寬5.2 m。各測(cè)站具體位置如圖1 所示。

圖1 測(cè)站位置示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

2.1 頂板巖層分布及結(jié)構(gòu)

對(duì)巖層結(jié)構(gòu)的觀測(cè)選用電子鉆孔窺視儀直接觀測(cè)。綜合分析窺視儀圖像、水樣記錄和相關(guān)地質(zhì)資料后，得到各個(gè)測(cè)站頂孔觀測(cè)結(jié)果。

第1 測(cè)站觀測(cè)結(jié)果：頂板以上0～12.8 m 以黑色暗煤為主，離層較多且伴有少量裂隙和數(shù)層夾矸；9.1～9.7 m 處夾矸較多，煤體離層內(nèi)有大量黃泥滲出，煤壁破碎，煤體完整性一般；12.8～17.2 m 為灰色中粗砂巖，砂質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構(gòu)伴有少量裂隙，13.1 m 處有0.1 m 左右泥巖夾層，巖層完整性很差且薄夾層較多；17.2～20.4 m 為黑色層狀砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)伴有少量離層裂隙，間有多層夾層，巖層較為完整。該測(cè)站頂部巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖如下頁圖2 所示。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，將測(cè)試段定于測(cè)距孔口15.9 m 處，該處巖層完整性較好，適合進(jìn)行水力壓裂。

圖2 測(cè)站1 頂部巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖

第2 測(cè)站觀測(cè)結(jié)果：頂板以上0～9.6 m 為黑色半暗型煤，多層夾矸，離層較多，破碎嚴(yán)重，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤體不完整；9.6～11.1 m 為灰白色中粗砂巖，砂質(zhì)膠結(jié)，但膠結(jié)度低，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，淺部夾少量礫石，巖層完整性較差；11.1～20.4 m 為粗砂巖，中間為泥巖夾層并伴有一定數(shù)量的原生裂隙，局部存在較為明顯的破碎帶。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，將測(cè)試段定于頂板以上14.8 m 處，該處巖層為中粗砂巖，巖層結(jié)構(gòu)滿足要求，適合進(jìn)行水力壓裂。

第3 測(cè)站觀測(cè)結(jié)果：頂板以上0～11.2 m 為黑色半暗型煤，煤壁破碎，大量離層伴有少量夾石，并有多層夾矸，10.0～10.3 m 處夾矸較厚，局部有氧化空洞現(xiàn)象，煤體不完整；11.2～16 m 為灰白色中粗砂巖，砂質(zhì)膠結(jié)，但膠結(jié)程度較低，伴有大量離層裂隙，巖層完整性較差；16～20.4 m 為粗砂巖，灰色，砂質(zhì)膠結(jié)，17.3～17.5 m 處為泥巖夾層，離層較多，局部砂巖含礫，巖層不完整。水力壓裂測(cè)試位置定于距孔口15.9 m處，該巖層完整性相對(duì)較好，適合進(jìn)行水力壓裂。

2.2 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

通過對(duì)測(cè)站頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)、測(cè)量段進(jìn)行標(biāo)定和壓裂，再選用SYY-56 型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x來獲取水力壓裂曲線。通過軟件對(duì)曲線進(jìn)行分析得出重張壓力、瞬時(shí)關(guān)閉壓力及破裂壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算得到垂直應(yīng)力值和水平主應(yīng)力的最大值及最小值。完成孔壁巖石的壓裂后，對(duì)壓裂部位進(jìn)行印模和定向。結(jié)合印模基線和裂縫的夾角與印模器基線和指南針北向的夾角，計(jì)算得到各個(gè)測(cè)站不同應(yīng)力的方向。各測(cè)站的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 地應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的成果進(jìn)行分析，結(jié)論如下：三個(gè)測(cè)站的垂直應(yīng)力最大值為4.98 MPa，最大水平主應(yīng)力最大值為6.41 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為3.56 MPa。應(yīng)力區(qū)區(qū)間劃分的判斷依據(jù)如表2 所示。由此可判斷9 煤地應(yīng)力在量值上整體屬于低應(yīng)力場(chǎng)。三個(gè)測(cè)站最大水平主應(yīng)力方向主要集中在N25.70°W～N62.60°W 之間。分析認(rèn)為，測(cè)點(diǎn)處埋深較淺、區(qū)域構(gòu)造和地形地貌的影響是造成最大水平主應(yīng)力方向間存在偏差的主要原因。

表2 應(yīng)力區(qū)劃分區(qū)間

2.3 圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

地應(yīng)力測(cè)試結(jié)束后，再分別對(duì)頂板和巷道煤幫孔以上10 m 范圍內(nèi)的巖石和煤體進(jìn)行原位測(cè)試。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算后得到各測(cè)站煤幫和頂板強(qiáng)度結(jié)果，具體如表3 所示。

表3 巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

第1 測(cè)站測(cè)試結(jié)果：煤幫10 m 范圍內(nèi)大部分的煤體強(qiáng)度在10～25 MPa 之間，且煤體強(qiáng)度曲線在5.3～6.3 m 段波動(dòng)較大，說明該段存在較為明顯的裂隙。經(jīng)計(jì)算：煤幫10 m 范圍內(nèi)煤體強(qiáng)度平均值為19.83 MPa，煤體強(qiáng)度較高。

第2 測(cè)站測(cè)試結(jié)果：測(cè)試范圍內(nèi)大部分煤體強(qiáng)度在10～25 MPa 之間，煤幫孔5.5～10.0 m 范圍內(nèi)存在較為明顯的裂隙，經(jīng)計(jì)算，煤幫10 m 范圍內(nèi)煤體強(qiáng)度平均值為18.82 MPa，煤體強(qiáng)度較高。

第3 測(cè)站測(cè)試結(jié)果：測(cè)試范圍內(nèi)大部分煤體強(qiáng)度在15～25 MPa 之間，煤體較完整，經(jīng)計(jì)算煤幫10 m 范圍內(nèi)煤體強(qiáng)度平均值為20.36 MPa，煤體堅(jiān)硬。

通過上述強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)測(cè)試成果進(jìn)行計(jì)算和分析后可得：9 煤巷道頂煤強(qiáng)度大多集中在20 MPa 左右，煤體中含有夾矸和破碎帶，這也是造成頂板強(qiáng)度測(cè)試曲線波動(dòng)較為明顯的主要原因。煤幫強(qiáng)度大多集中在15～25 MPa 的范圍內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，煤幫強(qiáng)度平均值為19.34 MPa，強(qiáng)度較高。

3 結(jié)論

1）9 煤巷道頂煤裂隙發(fā)育和普遍存在夾矸是導(dǎo)致頂煤完整性較差的主要原因，嚴(yán)重降低了煤體整體強(qiáng)度。老頂砂巖離層現(xiàn)象明顯，內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，普遍存在泥巖夾層且?guī)r層較為破碎，頂部可能發(fā)生突發(fā)性破壞，應(yīng)加強(qiáng)巷道變形監(jiān)測(cè)。

2）地應(yīng)力測(cè)試中，垂直應(yīng)力最大值為4.98 MPa；最大水平主應(yīng)力方向集中在N25.70°W～N62.60°W 之間，最大值為6.41 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為3.56 MPa，9 煤巷道所受地應(yīng)力在量值上整體屬于低地應(yīng)力場(chǎng)。

3）9 煤巷道頂煤處大部分煤體強(qiáng)度集中在20 MPa 左右；煤幫處大部分煤體強(qiáng)度集中在15～25 MPa之間，煤體強(qiáng)度平均值為19.34 MPa，煤體較堅(jiān)硬。