高應(yīng)山

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

杜兒坪礦地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析

高應(yīng)山

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

針對(duì)杜兒坪礦巷道支護(hù)基礎(chǔ)參數(shù)不足的問(wèn)題，采用了井下單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測(cè)試方法對(duì)杜兒坪礦2#煤和3#煤進(jìn)行了巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括:地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，初步掌握了杜兒坪礦2#煤和3#煤地應(yīng)力分布的基本規(guī)律，以及巷道圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)的基本特征，從而為巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

采礦工程;地質(zhì)力學(xué)測(cè)試;地應(yīng)力;圍巖強(qiáng)度;圍巖結(jié)構(gòu)

杜兒坪礦是隸屬于西山煤電集團(tuán)公司的主力礦井，年產(chǎn)原煤超過(guò)500萬(wàn)t，近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，巷道支護(hù)難度不斷加大，礦壓顯現(xiàn)比較明顯，復(fù)雜困難巷道明顯增多。2#、3#煤層是礦井目前主采煤層之一，2#煤和3#煤層間距較小，屬于近距離煤層群，煤炭資源儲(chǔ)量豐富，前期沒(méi)有開(kāi)展巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的相關(guān)工作，因此，在杜兒坪礦開(kāi)展井下巷道的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試和分析，了解礦井地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)杜兒坪礦井的總體布置，巷道和采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取，保證礦井安全、高效生產(chǎn)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 巷道地質(zhì)力學(xué)測(cè)試及其作用

巷道圍巖是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體，巷道圍巖的地質(zhì)力學(xué)特性主要包括地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)三要素。

1.1 地應(yīng)力

地應(yīng)力是存在于地層中未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱(chēng)巖體初始應(yīng)力或原巖應(yīng)力。地應(yīng)力是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的應(yīng)力場(chǎng)與重力應(yīng)力場(chǎng)疊加的結(jié)果，具有一定的時(shí)間和空間效應(yīng)。地應(yīng)力是引起煤礦開(kāi)采等地下工程圍巖變形和破壞的根本驅(qū)動(dòng)力，是礦井設(shè)計(jì)以及煤礦巷道支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法重要的基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性分析及合理的巷道設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。

1.2 圍巖強(qiáng)度

圍巖強(qiáng)度是圍巖分類(lèi)的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，掌握開(kāi)采煤層圍巖強(qiáng)度，對(duì)開(kāi)采煤層圍巖進(jìn)行確切的圍巖分類(lèi)，不同類(lèi)型的圍巖采用的支護(hù)方案存在很大差別，對(duì)指導(dǎo)巷道設(shè)計(jì)有重要作用。同時(shí)，采用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行巷道支護(hù)，開(kāi)采煤層圍巖強(qiáng)度也是主要的參數(shù)，對(duì)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確有很大影響。

1.3 圍巖結(jié)構(gòu)

巷道圍巖內(nèi)部分布著廣泛的原生節(jié)理和裂隙，其發(fā)育程度直接決定開(kāi)挖后巷道的穩(wěn)定性。掌握節(jié)理和裂隙的分布特征，以及發(fā)育程度是進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。同時(shí)，通過(guò)掌握的節(jié)理和裂隙的分布范圍，能夠?yàn)殄^桿(索)參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

此次測(cè)試采用的是由煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院所研發(fā)的井下單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測(cè)試系統(tǒng)，該套系統(tǒng)采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x、井下巷道圍巖強(qiáng)度原位測(cè)定裝置，以及數(shù)字全景鉆孔窺視儀，能夠快速、準(zhǔn)確地獲得地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)等地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，在一個(gè)鉆孔中就能夠完成地應(yīng)力、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)及其相互耦合關(guān)系測(cè)試，而且整個(gè)測(cè)試流程工藝簡(jiǎn)單，適合煤礦的使用特點(diǎn)，目前，在我國(guó)煤礦地質(zhì)力學(xué)測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 巷道地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果及分析

本次在杜兒坪礦2#煤和3#煤共進(jìn)行了4個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量、8個(gè)鉆孔的圍巖強(qiáng)度測(cè)試，以及4個(gè)頂板鉆孔的圍巖結(jié)構(gòu)窺視。

2.1 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

地應(yīng)力測(cè)量裝置采用的是SYY－56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試儀。測(cè)量在井下巷道中進(jìn)行，鉆孔在巷道頂板中部垂直向上布置，用以測(cè)量水平面上的最大與最小水平主應(yīng)力的大小和方向。鉆孔采用小孔徑56 mm，鉆孔長(zhǎng)度為20～25 m。每個(gè)鉆孔中進(jìn)行3～4次水力壓裂，然后在對(duì)應(yīng)的壓裂位置進(jìn)行印模定向，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析比較，確定比較合理、可靠的數(shù)據(jù)作為該鉆孔的地應(yīng)力值。

4個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)點(diǎn)選取遠(yuǎn)離采煤工作面、大型地質(zhì)構(gòu)造、巷道交叉點(diǎn)以及硐室群，以避開(kāi)采動(dòng)應(yīng)力影響。同時(shí)，為了消除巷道周?chē)鷳?yīng)力重新分布區(qū)域的影響，測(cè)點(diǎn)到巷道頂板表面有一定的距離，根據(jù)圍巖窺視的結(jié)果，選擇在均質(zhì)、穩(wěn)定、完整的巖層中進(jìn)行水力壓裂。具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 杜兒坪礦2#煤和3#煤地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表1中H為巷道埋深，測(cè)點(diǎn)深度在巷道頂板上方12～20 m;σV為垂直主應(yīng)力，由上覆巖層質(zhì)量計(jì)算得出;σH為最大水平主應(yīng)力;σh為最小水平主應(yīng)力。

1)礦井應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。

4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)的類(lèi)型主要有σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh兩種，所占比例分別是25%和75%。這說(shuō)明杜兒坪礦地應(yīng)力場(chǎng)分布相對(duì)復(fù)雜，存在不同的分布特征，局部區(qū)域存在著構(gòu)造應(yīng)力較大的情況，但應(yīng)力場(chǎng)的類(lèi)型2#煤和3#煤層在整體上以重力應(yīng)力場(chǎng)為主，屬于自重應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型，并且所有測(cè)點(diǎn)最小水平主應(yīng)力均為最小主應(yīng)力。

2)礦井主應(yīng)力量級(jí)。

對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最大水平主應(yīng)力最大值為16.72 MPa，垂直應(yīng)力最大值為16.13 MPa。根據(jù)相關(guān)判定標(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)。因此，雖然杜兒坪礦2#煤和3#煤埋深較大，在528～654 m，已經(jīng)接近進(jìn)入深部開(kāi)采的范疇，但是地應(yīng)力整體在量級(jí)上屬于中等地應(yīng)力值區(qū)域。

3)水平主應(yīng)力方向分布特征。

杜兒坪礦的最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力比值較不穩(wěn)定，比值在1.91～2.86，且顯示出一定的方向性，集中在 N47.5°W ～ N9.4°E 范圍內(nèi)。這說(shuō)明了杜兒坪煤礦所測(cè)區(qū)域主壓應(yīng)力作用方向主要集中在NNW方向附近，這主要是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成。因此，礦井的生產(chǎn)布置時(shí)巷道的軸線(xiàn)方向有較大選擇性時(shí)，要避免巷道與上述方向呈現(xiàn)過(guò)大的夾角，使巷道的維護(hù)相對(duì)容易。這也是井下巷道支護(hù)中兩幫變形不一致，巷道一幫變形破壞明顯要比另一幫嚴(yán)重的主要原因，這是由于巷道的布置方向和最大水平主應(yīng)力的方向存在一定角度，巷道兩幫受力情況不一致所導(dǎo)致的結(jié)果。

2.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)量采用WQCZ－56型小孔徑煤巖體強(qiáng)度測(cè)定裝置，該裝置由圍巖強(qiáng)度測(cè)定儀、探頭、手搖泵、高壓管、延長(zhǎng)桿等部件組成。測(cè)試采用鉆孔觸探法對(duì)鉆孔內(nèi)表面巖壁的強(qiáng)度進(jìn)行原位測(cè)試，避免了在軟弱破碎煤巖體中鉆探巖芯采取率比較低，很難、甚至無(wú)法采用巖芯試驗(yàn)確定圍巖強(qiáng)度的缺陷，測(cè)試速度快和測(cè)量結(jié)果也比較準(zhǔn)確，見(jiàn)表2。

表2 杜兒坪礦2#煤和3#煤圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.3 巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果

巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)量采用KDBC－56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀，采用數(shù)字全景技術(shù)，可對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)參數(shù)定量測(cè)量，裂縫分辨率0.1 mm，可提供平面展開(kāi)圖及虛擬鉆孔巖芯圖。該儀器由柔性光導(dǎo)纖維、觀察鏡、目鏡、照相機(jī)接頭及礦燈光源接頭等部件組成。在井下巷道中打好鉆孔后，利用鉆孔窺視的連接桿慢慢將探頭往孔深處抬送，有裂隙和結(jié)構(gòu)處放慢速度，并觀察和記錄，結(jié)束后對(duì)窺視結(jié)果記錄在表格中，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析。

鉆孔窺視結(jié)果表明，2#煤層頂板主要有以下特征:

1)2#煤層頂板10 m范圍主要由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖組成，其中夾有1#煤層，且各個(gè)巖性的巖層分布不均勻，和礦方已有的鉆孔柱狀圖存在較大的區(qū)別。

2)鉆孔結(jié)構(gòu)圖片顯示，2#煤層頂板結(jié)構(gòu)主要以水平層理為主，縱向裂隙不發(fā)育，局部層位有明顯弱面分布。

3)總體上來(lái)講，巷道圍巖比較完整，穩(wěn)定性較好，巷道穩(wěn)定性主要受頂板弱面的影響比較大，防止頂板由薄弱面離層冒頂。

3 結(jié)論

1)杜兒坪礦的地應(yīng)力分布主要以重力應(yīng)力為主，屬于中等應(yīng)力場(chǎng)，最大水平應(yīng)力方向主要在NNW方向上，巷道布置的走向盡可能地保持與最大主應(yīng)力的方向一致。

2)圍巖強(qiáng)度測(cè)試獲取了2#煤和3#煤煤層和頂板各個(gè)巖層的力學(xué)性質(zhì)，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論計(jì)算以及數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)圍巖結(jié)構(gòu)觀察清晰地顯示了杜兒坪礦2#煤和3#煤不同層位巖層節(jié)理裂隙的分布，以及巖層的離層現(xiàn)象，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供了較好的參考價(jià)值。

［1］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007:103－104.

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Geological Mechanics Testing and Analyzing in Du＇erping Coal Mine

Gao Yin－shan

According to the lacking of the roadway support parameters in the Du＇erping coal mine，by using a single hole，multiple parameters，coupled geomechanics in situ rapid test method on roadway surrounding rock of 2#and 3#coal in Du＇erping coal mine carries out geomechanics testing，includes the test of in － situ stress，observation of rock strength and rock structure.Preliminary master the basic law of ground stress distribution of 2#and 3#coal in Du＇erping coal mine，as well as the basic characteristics of the strength and structure of surrounding rock of roadway，thus for roadway layout and support design provides basic data.

Mining engineering;Geological mechanics testing;In－situ stress;Surrounding rock strength;Surrounding rock structure

TD326

A

1672－0652(2012)08－0021－03

2012－07－08

高應(yīng)山(1963—)，男，山西大同人，1988年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦開(kāi)采的相關(guān)研究工作(E －mail)dk6203117@163.com