葫蘆素井田深部巷道原位地質(zhì)力學(xué)測試

李永元，鄧文彬

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

在煤礦開采過程中，地應(yīng)力對井巷工程設(shè)計(jì)、施工、穩(wěn)定性評價(jià)等具有重要的意義[1]。為滿足工程需求，世界上各國科研工作者提出的地應(yīng)力測試及估算方法有數(shù)10種，并在大量的工程實(shí)踐過程中得到有效檢驗(yàn)[2-5]。現(xiàn)階段，水壓致裂法被廣大學(xué)者普遍認(rèn)為是較為通用的地應(yīng)力檢測方法[6]。其具有設(shè)備簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、測試周期短、測試深度深、不需彈性參數(shù)參與計(jì)算等突出優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前學(xué)界公認(rèn)和普遍推介的方法之一[7-9]。為探明葫蘆素煤礦的地應(yīng)力分布情況，為井巷工程施工方法的選擇以及工作面巷道的穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在東翼輔助運(yùn)輸大巷、永久避難硐室、西翼回風(fēng)巷和21102工作面副回風(fēng)巷等位置開展了4個(gè)鉆孔的水壓致裂法地應(yīng)力測試工作。

1 地質(zhì)概況

葫蘆素井田地理位置歸屬烏審旗，按照東勝煤田發(fā)展方向，其屬于東勝煤田西南邊界的延伸，具體位置在旗東北方向，緊鄰伊旗南部邊界?？傮w構(gòu)造形態(tài)為一向北西傾斜的并發(fā)育有次一級波狀起伏的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地形總體趨勢是東南部較高，西北部較低。地面標(biāo)高為+1 341.20 m；最低點(diǎn)位于井田西部邊緣，海拔標(biāo)高為+1 304.50 m。最大地形高差為36.7 m。

井田內(nèi)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，該組地層平均厚度282.66 m。其中含可采煤層8層，次地應(yīng)力測試針對2-1煤層和2-2煤層如圖1所示。

圖1 礦井煤層綜合柱狀

2 測試方法與原理

2.1 水壓致裂法地應(yīng)力測量

σh=Ps-γwh(最小水平主應(yīng)力)

σv=γH(垂直應(yīng)力)

σH=3Ps-Pr-2γwh(最大水平主應(yīng)力)

水壓致裂應(yīng)力原理，如圖2所示。

圖2 水壓致裂應(yīng)力原理

2.2 鉆孔觸探法圍巖強(qiáng)度測量

通常情況下，檢測圍巖強(qiáng)度是在實(shí)體巷道中施工圍巖鉆孔后實(shí)施的[10]。具體實(shí)施過程是：通過安裝桿和升降器將檢測探頭裝入鉆孔當(dāng)中，通過手動(dòng)油泵對探頭進(jìn)行加壓，使其內(nèi)部探針在油壓驅(qū)動(dòng)下發(fā)生位移，同時(shí)這一位移量由探針位移計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。通過不斷的加壓，通過探針傳遞給鉆孔圍巖的壓力達(dá)到臨界破壞強(qiáng)度，之后發(fā)生鉆孔壁巖體破壞。這一過程中壓力表會記錄下臨界破壞強(qiáng)度時(shí)壓力讀數(shù)臨界破壞壓力值Pm。之后通過換算，便可以計(jì)算出該孔位圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度值。水壓致裂地應(yīng)力測量及WQCZ-56圍巖強(qiáng)度測定如圖3、4所示。

圖3 水壓致裂地應(yīng)力測量示意

圖4 WQCZ-56圍巖強(qiáng)度測定原理示意

3 現(xiàn)場測試與結(jié)果分析

3.1 測點(diǎn)布置

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，同時(shí)盡量減小鉆孔施工及測試對煤礦生產(chǎn)的影響，研究決定在礦井已掘巷道選取有代表性的測點(diǎn)共4組，分別布置在礦井2-1和2-2煤層中。第一測點(diǎn)位于2-2煤層?xùn)|翼輔助運(yùn)輸大巷中，距永久避難硐室50 m處；第二測點(diǎn)位于井下永久避難硐室中，巷道斷面呈半圓拱形，為半煤巖巷道，全長74.8 m；第三測點(diǎn)位于2-1煤層西翼回風(fēng)大巷中，位于風(fēng)井井筒以南，以270°方位角向西沿2-1煤層頂板布置，東側(cè)為風(fēng)井臨時(shí)煤倉及2-1煤層?xùn)|翼回風(fēng)大巷；第四測點(diǎn)位于21102工作面副回風(fēng)巷中，距2-1煤東翼輔助運(yùn)輸斜巷口10 m，測點(diǎn)處埋深634.8 m。測點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 第一、第二測點(diǎn)位置示意

3.2 頂板巖層分布及結(jié)構(gòu)觀測

第一測點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)觀測：測點(diǎn)位于2-2煤層?xùn)|翼輔助運(yùn)輸大巷。

第二測點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)觀測：測點(diǎn)位于井下永久避難硐室。

第三測點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)觀測：測點(diǎn)位于2-1煤西翼回風(fēng)大巷中。

第四測點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)觀測：測點(diǎn)位于21102工作面副回風(fēng)巷。

圖6 第一測點(diǎn)頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果

通過觀測分析得：①通過第一測點(diǎn)的鉆孔觀測結(jié)果，綜合分析可以得到，頂板以上13.9～15.3 m巖層較為完整，適合進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)。②通過第二測點(diǎn)的鉆孔觀測結(jié)果，綜合分析可以得到，頂板以上12.4～13.1 m巖層相對較為完整，適合進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)。③通過第三測點(diǎn)的鉆孔觀測結(jié)果，綜合分析可以得到，頂板以上13.9～15.2 m巖層相對較為完整，巖性單一，適合進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)。④通過第四測點(diǎn)的鉆孔觀測結(jié)果，綜合分析可以得到，頂板以上15.0～15.8 mm巖層相對較為完整，巖性單一，適合進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)。

3.3 地應(yīng)力測試與分析

通過軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出以上測點(diǎn)水壓曲線數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。

綜上統(tǒng)計(jì)分析得：

第一測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為17.69 MPa，最小水平主應(yīng)力為9.17 MPa，垂直應(yīng)力為16.21 MPa；第二測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為24.74 MPa，最小水平主應(yīng)力為13.36 MPa，垂直應(yīng)力為16.31 MPa；第三測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為22.33 MPa，最小水平主應(yīng)力為11.41 MPa，垂直應(yīng)力為15.35 MPa；第四測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為18.52 MPa，最小水平主應(yīng)力為9.39 MPa，垂直應(yīng)力為15.49 MPa。據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)；大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)[11-12]。由此，判斷測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中等偏高-高應(yīng)力值區(qū)域。

表1數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果表明，葫蘆素井田所屬測試區(qū)域應(yīng)力場為σH>σv>σh型，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢。

表1 水力壓裂曲線經(jīng)水壓致裂數(shù)據(jù)處理計(jì)算結(jié)果

定向結(jié)果顯示4個(gè)測點(diǎn)σH分別為：N29.9°W、N33.7°W、N20.4°W、N38.5°W，故可得出該區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹NW。

3.4 圍巖強(qiáng)度測試與分析

利用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置對地應(yīng)力測試鉆孔所屬巷道頂板及幫部10 m區(qū)域內(nèi)巖體進(jìn)行探測并通過計(jì)算法輔助系統(tǒng)進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的記錄模擬和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最后分析得到葫蘆素煤礦頂板和兩幫巖體強(qiáng)度分布狀況圖，如圖7所示。

圖7 第一測點(diǎn)頂板/幫巖體強(qiáng)度測試結(jié)果

通過分析得：

第一測點(diǎn)巷道頂板以上0～0.6 m為2-2煤層，煤體強(qiáng)度平均值為27.75 MPa。 0.6～2.6 m為砂質(zhì)泥巖，該段巖層比較完整，巖層強(qiáng)度平均值為43.83 MPa。2.6～6.1 m為細(xì)粒砂巖，巖層強(qiáng)度平均值為45.85 MPa。6.1～6.2 m為煤線，黑色。6.2～8.2 m為砂質(zhì)泥巖，巖層強(qiáng)度平均值為41.19 MPa。8.2～10.0 m為細(xì)粒砂巖，巖層強(qiáng)度平均值為47.79 MPa。

第二測點(diǎn)頂板以上0～8.3 m為砂質(zhì)泥巖，巖層呈深灰色，強(qiáng)度平均值為44.32 MPa。8.3～10.0 m為細(xì)砂巖，巖層呈灰白色，砂質(zhì)膠結(jié)，巖層強(qiáng)度平均值為52.34 MPa。

第三測點(diǎn)頂板以上0～4.1 m為泥質(zhì)砂巖，巖層呈灰黑色，該段巖層比較完整，強(qiáng)度平均值為38.58 MPa。4.1～5.5 m為細(xì)砂巖，砂質(zhì)膠結(jié)，該段巖層完整，強(qiáng)度平均值為42.51 MPa。5.5～7.0 m為泥質(zhì)砂巖，6.4 m處為明顯橫向裂隙，出水，巖層強(qiáng)度平均值為29.13 MPa。7.0～7.2 m為夾煤，有水流出。7.2～13.9 m為中砂巖，巖層強(qiáng)度平均值為58.39 MPa。

第四測點(diǎn)頂板以上0～2.9 m為泥質(zhì)砂巖，巖層強(qiáng)度平均值為38.19 MPa。2.9～5.8 m為細(xì)砂巖，巖層強(qiáng)度平均值為40.28 MPa。5.8～8.0 m為泥質(zhì)砂巖，巖層強(qiáng)度平均值為33.04 MPa。8.0～8.5 m為夾煤，強(qiáng)度平均值為19.89 MPa。8.5～15.8 m為中砂巖，巖層呈灰白色，巖層強(qiáng)度平均值為47.42 MPa。

葫蘆素煤礦第一測點(diǎn)幫部鉆孔為砂質(zhì)泥巖，巷幫巖層圍巖強(qiáng)度平均值為20.16 MPa；第二測點(diǎn)幫部鉆孔布置在2-2煤層中，2-2煤體強(qiáng)度平均值為15.54 MPa。第三和第四測點(diǎn)幫部鉆孔均布置在2-1煤層中，2-1煤體強(qiáng)度平均值為12.81 MPa。由此可見，葫蘆素煤礦2-1及2-2煤層強(qiáng)度普遍偏低。同時(shí)，從煤體強(qiáng)度測試曲線來看，最低值僅有5～8 MPa，說明局部煤體強(qiáng)度較低。另外，強(qiáng)度曲線波動(dòng)范圍普遍較大，說明煤體的完整性不穩(wěn)定，局部含有顯著的裂隙。

4 結(jié)論

(1)葫蘆素煤礦4個(gè)測點(diǎn)原位測試數(shù)值分析，該井田所屬應(yīng)力場屬于中等-高應(yīng)力值區(qū)域，應(yīng)力場類型全部為σH>σv>σh，4個(gè)測點(diǎn)σH方向一致性好，均為NNW方向，角度集中在N20.4°～38.5°W之間。

(2)頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果顯示：礦井2-1煤層與2-2煤層頂板多以砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖為主，局部含有少量橫向裂隙、煤線或炭質(zhì)泥巖夾層，沒有發(fā)現(xiàn)大面積的破碎帶或者空洞。

(3)礦井煤層頂板砂巖普遍含水，出水點(diǎn)一般集中在頂板以上6～11 m之間。

(4)圍巖強(qiáng)度原位測試結(jié)果顯示，2-2煤層頂板以上10 m范圍內(nèi)主要巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖為主，圍巖強(qiáng)度值變化幅度不大，強(qiáng)度曲線相對穩(wěn)定。這證明了該段巖層的完整性普遍較好，不存在明顯的裂隙和弱面。

(5)葫蘆素煤礦2-1及2-2煤層強(qiáng)度普遍偏低，因此在巷道布置及掘進(jìn)施工組織設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮這一客觀因素存在，在支護(hù)強(qiáng)度和剛度上給予合理計(jì)算，確保施工質(zhì)量可靠有效。

(6)現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，礦井2-1、2-2煤層頂板無明顯的偽頂，煤層以上為結(jié)構(gòu)相對完整的砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和中砂巖。但是，頂板砂巖普遍含水。在頂板鉆孔出水量較大時(shí)，可通過適當(dāng)減小頂板錨索長度、增加錨固劑數(shù)量等方式，減小水對錨固效果和圍巖強(qiáng)度的弱化作用。建議在工作面回采期間，對留巷的順槽巷道進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)觀測，以判斷受采動(dòng)影響前后圍巖結(jié)構(gòu)的變化狀況，為留巷巷道掘進(jìn)時(shí)合理支護(hù)強(qiáng)度的選取提供依據(jù)。