經(jīng)坊煤礦井下巷道煤巖體地質(zhì)力學(xué)技術(shù)測(cè)試原理及應(yīng)用

文/景晨曦

經(jīng)坊煤礦井下巷道煤巖體地質(zhì)力學(xué)技術(shù)測(cè)試原理及應(yīng)用

文/景晨曦

長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司隨著礦井開采深度的增加、開采強(qiáng)度增大，以及綜合機(jī)械化程度的提高，煤巖體的應(yīng)力環(huán)境、變形與破壞特征都發(fā)生了顯著變化。為掌握八采區(qū)3號(hào)煤層的圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，經(jīng)坊煤礦對(duì)八采區(qū)進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，為巷道支護(hù)及開采提供科學(xué)、合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保煤礦實(shí)現(xiàn)安全高效發(fā)展。

一、煤巖體地質(zhì)力學(xué)技術(shù)測(cè)試原理

1.圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)原理

采用礦用小孔徑全景電子窺視儀觀測(cè)孔壁上的不連續(xù)面分布情況，其便捷的操作、直觀的輸出效果從根本上克服鉆孔取芯方法存在的諸多不足。測(cè)試過(guò)程將深度與圖像一致結(jié)合，達(dá)到圖像與結(jié)果顯示“所見即所得模式”，同時(shí)顯示輸出平面展開圖和立體柱狀圖，靈活直觀，特別適合在無(wú)法取得實(shí)際巖芯的破碎地層。

2.地應(yīng)力測(cè)量原理

將一對(duì)橡膠封隔器送到鉆孔指定位置，注入高壓水，使得兩個(gè)封隔器之間的巖孔封閉，再對(duì)封隔器之間巖孔進(jìn)行高壓注水，直到將孔壁壓裂，壓裂的方向即為最大水平應(yīng)力方向。壓裂后進(jìn)行印模。根據(jù)水壓致裂測(cè)量原理，破裂方位就是最大主應(yīng)力的方位。

3.巖體強(qiáng)度原位測(cè)量測(cè)試原理

用手動(dòng)泵對(duì)探頭內(nèi)加壓，探針壓向孔壁，隨著壓力增加，探針在孔壁上的壓力達(dá)到孔壁所能承受的臨界壓力時(shí)，孔壁被壓裂。此時(shí)壓力表的最高壓力讀數(shù)即為該點(diǎn)孔壁的極限強(qiáng)度，經(jīng)換算便可得出該點(diǎn)巖石單軸抗壓強(qiáng)度。巖體強(qiáng)度的測(cè)定原理如圖1所示。

圖1 圍巖強(qiáng)度測(cè)定原理示意圖

二、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)坊煤礦結(jié)合井下實(shí)際情況，于八采區(qū)布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)，第一測(cè)點(diǎn)位于八采區(qū)運(yùn)輸巷南段，第二測(cè)點(diǎn)位于八采區(qū)軌道巷中段，第三測(cè)點(diǎn)位于八采區(qū)回風(fēng)巷北段。

每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置兩個(gè)測(cè)孔，分別為頂孔和煤幫孔，鉆孔直徑均為56mm。其中，頂孔深度20m左右，要求鉛垂布置；煤幫孔深度10m左右，近水平布置，有一個(gè)小的仰角，以便打鉆過(guò)程中的水能從幫孔中順利排出。

2.煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試方法

2.1地應(yīng)力測(cè)試

根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)觀測(cè)，對(duì)測(cè)試鉆孔進(jìn)行標(biāo)定，然后對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓裂，并對(duì)壓裂過(guò)程中的壓力和時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的水力壓裂曲線。

壓裂完成后，對(duì)孔壁進(jìn)行印模和定向，取得水壓裂縫走向，結(jié)合指南針北向與印模器基線夾角，印模基線和壓裂裂縫之間的夾角，經(jīng)計(jì)算便可得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)應(yīng)力的方向。

通過(guò)對(duì)3號(hào)煤層八采區(qū)進(jìn)行井下地應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理、計(jì)算和分析可以得出：

（1）三個(gè)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力分 別 為 13.39MPa、14.88MPa和20.97MPa；最小水平主應(yīng)力分別為7.03MPa、8.01MPa和11.79MPa；垂直應(yīng)力分別為12.43MPa、11.34MPa和11.85MPa。根據(jù)專業(yè)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，可判斷出八采區(qū)應(yīng)力場(chǎng)從量級(jí)上劃分屬于中等應(yīng)力值區(qū)域。測(cè)點(diǎn)間最大水平主應(yīng)力值相差較大，表明八采區(qū)井下應(yīng)力場(chǎng)受構(gòu)造影響較大。

（2）三個(gè)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，應(yīng)力場(chǎng)類型為σH＞σV＞σh型應(yīng)力場(chǎng)。在該類型應(yīng)力場(chǎng)中，σ1=σHmax、σ2=σV、σ3=σHmix。巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力的夾角為時(shí)，為巷道最佳布置方向。

（3）三個(gè)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向分別為 N44.1°E、N16.3°E和N36.8°E，最大水平主應(yīng)力方向大致為NNE-SSW向。

2.2圍巖強(qiáng)度測(cè)試

通過(guò)對(duì)經(jīng)坊煤礦八采區(qū)3號(hào)煤層三個(gè)測(cè)點(diǎn)頂孔和幫孔進(jìn)行原位強(qiáng)度測(cè)定，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、計(jì)算和分析可以得出：

（1）3號(hào)煤層頂板巖層賦存狀況不穩(wěn)定，區(qū)域變化較大。

（2）第一測(cè)點(diǎn)頂板以上0～2.0m為泥質(zhì)砂巖，灰黑色，夾石英砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育，探針觸點(diǎn)強(qiáng)度值在50～80MPa之間，強(qiáng)度平均值為65.77MPa。2.0～7.2m為粗砂巖，灰白色，砂質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構(gòu)，離層較多，巖層完整性較差，探針觸點(diǎn)強(qiáng)度值在6～110MPa之間，波動(dòng)范圍非常明顯，經(jīng)計(jì)算該巖層強(qiáng)度值為77.62MPa。7.2～8.7m為泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，水平紋理，裂隙發(fā)育，強(qiáng)度平均值為44.54MPa。8.7～13.0為泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)度平均值為69.62MPa。

（3）第二測(cè)點(diǎn)頂板以上0～2.0m為泥巖，黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，破碎嚴(yán)重，巖層不完整，強(qiáng)度平均值為37.26MPa。2.0～4.5m為泥質(zhì)砂巖，加粗砂巖條帶，橫向裂隙發(fā)育，離層較多，探針觸點(diǎn)強(qiáng)度值集中在20～60MPa， 強(qiáng)度平均值為47.07MPa。4.5～9.1m為細(xì)砂巖，砂質(zhì)膠結(jié)，有泥巖夾層，水平紋理，巖層完整性相對(duì)較好，探針觸點(diǎn)強(qiáng)度平均值為94.56MPa。

（4）第三測(cè)點(diǎn)頂板以上0～1.2m為泥質(zhì)砂巖， 強(qiáng)度為45.18MPa。1.2～8.0m為泥質(zhì)砂巖，層狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度平均值為73.79MPa。8.0～12.5m為粉-細(xì)砂巖，強(qiáng)度平均值為82.76MPa。

（5）三個(gè)測(cè)點(diǎn)3號(hào)煤層煤體強(qiáng)度大部分集中在10～20MPa，煤體中裂隙較為發(fā)育，完整性較差，導(dǎo)致煤體強(qiáng)度測(cè)試曲線波動(dòng)范圍相對(duì)較大。經(jīng)計(jì)算，3號(hào)煤層煤體強(qiáng)度平均值為16.33MPa。

三、結(jié)論

通過(guò)對(duì)經(jīng)坊煤礦八采區(qū)3號(hào)煤層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)、地應(yīng)力測(cè)試及圍巖強(qiáng)度測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和分析，可以得到如下結(jié)論：

1.鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果表明，3號(hào)煤層直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，淺部巖層層狀結(jié)構(gòu)明顯。測(cè)點(diǎn)所在巷道頂板淺部至深部巖層不同程度存在離層、裂隙和破碎情況，淺部巖層尤為明顯。

2.三個(gè)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力最大值為20.97MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為11.79MPa，垂直應(yīng)力最大值為12.43MP。應(yīng)力場(chǎng)從量級(jí)上劃分屬于中等應(yīng)力值區(qū)域。測(cè)點(diǎn)間最大水平主應(yīng)力值相差較大，八采區(qū)井下應(yīng)力場(chǎng)受構(gòu)造影響較大。最大水平主應(yīng)力方向大致為NNESSW向。應(yīng)力場(chǎng)類型為σH＞σV＞σh，從地應(yīng)力的角度考慮巷道布置時(shí)，巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力的夾角為時(shí)，為巷道最佳布置方向。

3.八采區(qū)3號(hào)煤層頂板巖層賦存狀況不穩(wěn)定，區(qū)域變化較大。

(作者單位：山西長(zhǎng)治市煤炭工業(yè)局)

(責(zé)任編輯：周瓊)