巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析

薛歷偉

（晉能控股集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 引言

伴隨著煤礦開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷增加，地應(yīng)力對(duì)圍巖變形和損壞影響更加突出[1-3]，以地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合掘進(jìn)過(guò)程中頂板巖層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，從而提出快速合理的支護(hù)方式及參數(shù)[4-5]。充分運(yùn)用現(xiàn)有工程條件，針對(duì)試驗(yàn)礦井進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，選用小孔徑地質(zhì)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)站的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，包括頂板鉆孔地應(yīng)力測(cè)試、頂板鉆孔和巷幫鉆孔的圍巖強(qiáng)度測(cè)試，以及對(duì)頂板鉆孔的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。通過(guò)分析東周窯煤礦巷道圍巖所處原巖應(yīng)力分布特征、圍巖的強(qiáng)度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度，為巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)工藝及參數(shù)選取提供了依據(jù)。因此，巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析對(duì)巷道安全快速掘進(jìn)具有重要意義。

2 工程概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)巷道工程地質(zhì)情況

（1）工作面基本概況

8704 工作面位于東周窯煤礦一采區(qū)，地面標(biāo)高是1423～1567 m，工作面的標(biāo)高是970～1016 m，埋深約500 m。5704 巷道在全煤區(qū)域掘進(jìn)，該巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)2570 m，沿4 煤頂板掘進(jìn)。

（2）煤層頂?shù)装鍡l件

4 煤屬于比較穩(wěn)定型煤層，煤厚平均2.67 m，其中間存在1～2 層大約0.3 m 泥巖夾矸，煤層傾角平均2°，煤層節(jié)理、層理發(fā)育，煤層傾向NW。煤層頂?shù)装宓膸r性特征：老頂為中砂巖，厚度2.5～6.2 m，呈現(xiàn)灰白色、鈣質(zhì)膠結(jié)，石英、長(zhǎng)石為主要成分；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度1.5～4.3 m，呈現(xiàn)灰黑色，塊狀構(gòu)造；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度2.5～6.4 m，呈現(xiàn)灰黑色。

2.2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試方案

選取地質(zhì)力學(xué)測(cè)站的過(guò)程中盡量要躲開(kāi)大構(gòu)造帶、采空區(qū)、交叉處和巷道比較錯(cuò)綜復(fù)雜的區(qū)域范圍，其中巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的觀測(cè)站三處，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)布置兩處鉆孔。測(cè)點(diǎn)常布置在煤巷道里，地應(yīng)力與頂板巖體的強(qiáng)度測(cè)試是在巷道的頂部鉆孔進(jìn)行的，煤體的強(qiáng)度是在巷幫鉆孔里進(jìn)行的。鉆孔有以下要求：（1）鉆孔直徑?？讖绞?6±2 mm，鉆進(jìn)選用Ф56 mm 標(biāo)準(zhǔn)的鉆頭。（2）鉆孔位置。鉛垂布置頂部鉆孔的中心線(xiàn)，近水平布置巷幫的鉆孔，要保證3°～5°仰角，便于打鉆時(shí)水能方便從鉆孔中排掉。（3）鉆孔深度。頂部的鉆孔深度是20～25 m，巷幫的鉆孔深度約是10 m。

針對(duì)該煤礦進(jìn)行了三組巷道圍巖綜合地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，具體的測(cè)點(diǎn)位置如圖1。選用煤礦本安型鉆孔電視對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。井下原位測(cè)量進(jìn)行后，用公式Rc=2.07Pm+5.35 計(jì)算圍巖抗壓強(qiáng)度，式中：Rc為圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Pm為所測(cè)試巖層層位的平均臨界載荷，MPa。選用配套鉆孔直徑56 mm 的水壓致裂設(shè)備進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。

圖1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)特性分析

煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)大致分為三大類(lèi)，包含煤巖體的應(yīng)力參數(shù)、煤巖體的變形和強(qiáng)度參數(shù)與煤巖體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)特性包含巷道圍巖結(jié)構(gòu)、巷道圍巖強(qiáng)度和地應(yīng)力三個(gè)方面，對(duì)巷道的支護(hù)效果影響較為顯著。因此，對(duì)巷道的這三方面地質(zhì)力學(xué)特性進(jìn)行研究。

3.1 圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)及分析

圖2 為第一觀測(cè)點(diǎn)鉆孔觀測(cè)的結(jié)果。分析可知，該測(cè)點(diǎn)頂板上方0～3.4 m 是砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)。0.5～3.4 m 巖層較完整。3.4～4.5 m 是4-1 號(hào)煤層，黑色，半暗半亮型煤。其中4.1 m 位置處是泥巖夾矸，這段煤層中含有少量的裂隙。4.5～11.8 m 為細(xì)砂巖，呈深灰色，堅(jiān)硬致密，細(xì)砂粒狀結(jié)構(gòu)。其4.8 m 位置處出現(xiàn)較為明顯的橫向裂隙，4.9～7.9 m 巖層比較完整，8.0 m 位置處是煤線(xiàn)，9.5 m 位置處出現(xiàn)微裂隙，9.7～11.8 m 巖層相對(duì)完整，11.6 m 是夾層。11.8～13.5 m 位置是中粒砂巖，呈灰白色，主要以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，這段巖層比較完整。13.6～16.7 m 是砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，其中14.0～15.3 m 是復(fù)合性的巖層。16.8～19.2 m 是細(xì)砂巖，呈深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖層相對(duì)較完整。同理可對(duì)第二觀測(cè)點(diǎn)和第三觀測(cè)點(diǎn)鉆孔觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 第一測(cè)點(diǎn)頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果

3.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試及分析

對(duì)巷道頂板上方、巷道幫10 m 范圍之內(nèi)用圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以得出測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)巖層強(qiáng)度的分布情況，詳細(xì)如圖3 至圖5 所示，巷道幫巖層強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6。

圖3 第一測(cè)點(diǎn)頂板巖石強(qiáng)度曲線(xiàn)

圖5 第三測(cè)點(diǎn)頂板巖石強(qiáng)度曲線(xiàn)

圖6 巷道幫強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)

通過(guò)煤巖體強(qiáng)度原位測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果整理、分析可知：第一、二、三測(cè)點(diǎn)頂板上方的巖層強(qiáng)度均值分別為77.55 MPa、76.65 MPa、81.20 MPa；三個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處的巷幫孔煤體強(qiáng)度均值分別為13.71 MPa、14.71 MPa、15.57 MPa。

綜合以上測(cè)試結(jié)果整理分析可得出：4 號(hào)煤層原位強(qiáng)度的均值是14.67 MPa，說(shuō)明該煤層的強(qiáng)度相對(duì)比較高，所以巷道布置在4 號(hào)煤層中，對(duì)以后巷道幫的形變及采取措施進(jìn)行控制相對(duì)很有益。圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試區(qū)域4 號(hào)煤層直接頂砂質(zhì)泥巖的平均原位強(qiáng)度在巷道淺處可達(dá)約70 MPa，表明砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度相對(duì)較高，有利于巷道后期維護(hù)，直接頂?shù)膰鷰r具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性。

3.3 地應(yīng)力測(cè)試及分析

一采區(qū)4 號(hào)煤層的地應(yīng)力情況見(jiàn)表1。

表1 一采區(qū)地應(yīng)力情況

通過(guò)對(duì)地應(yīng)力結(jié)果整理、分析可知：

（1）4 號(hào)煤層布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)區(qū)域最大水平應(yīng)力均大于13 MPa，垂直應(yīng)力均大于10 MPa，由地應(yīng)力量級(jí)判斷的標(biāo)準(zhǔn)可知所測(cè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬中等地應(yīng)力場(chǎng)。

（2）由測(cè)試結(jié)果分析可知，2 個(gè)測(cè)點(diǎn)中的地應(yīng)力大小分布規(guī)律相同，應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型是σH＞σV＞σh型應(yīng)力場(chǎng)，則所測(cè)試區(qū)域地應(yīng)力是以垂直水平應(yīng)力為主的。

（3）由最大水平主應(yīng)力方向分析，其方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范圍內(nèi)。

圖4 第二測(cè)點(diǎn)頂板巖石強(qiáng)度曲線(xiàn)

巷道頂、底板的變形與穩(wěn)定性主要的影響因素是水平應(yīng)力，結(jié)合測(cè)試結(jié)果分析可知，測(cè)試區(qū)域的地應(yīng)力在量值上屬中等應(yīng)力場(chǎng)，在巷道附近的圍巖所處應(yīng)力起作用的量值上會(huì)相對(duì)較低，圍巖的變形與壓力顯現(xiàn)不會(huì)出現(xiàn)很大的情況，但應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型呈現(xiàn)出的是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。如圖7 所示，5704 回風(fēng)順槽的位置處在北偏西73°，最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)楸逼?3.3°與北偏東34.2°范圍，這表明5704 順槽巷道根據(jù)地應(yīng)力的角度來(lái)解釋?zhuān)擁槻巯锊贾玫姆较蚺c最大水平方向之間的夾角在40°～74°范圍，這時(shí)的最大水平應(yīng)力對(duì)順槽巷的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但是影響程度相對(duì)有限，因?yàn)樽畲笏綉?yīng)力處在中等偏低的范疇，對(duì)順槽巷的圍巖穩(wěn)定性不能夠有十分顯著影響。

圖7 巷道軸向和最大水平主應(yīng)力布置關(guān)系

4 結(jié)論

（1）通過(guò)測(cè)試分析，得出第一、二、三測(cè)點(diǎn)的頂板上方巖性，并測(cè)得巖層強(qiáng)度均值分別為70.51 MPa、77.55 MPa 和81.20 MPa。第 二 測(cè) 點(diǎn) 頂 板 以上0～3.6 m 為砂質(zhì)泥巖，巖層強(qiáng)度平均值為69.00 MPa；3.6～4.7 m 為4-1#煤層，煤體強(qiáng)度平均值為33.43 MPa；4.7～10.0 m 為細(xì)砂巖，致密堅(jiān)硬，巖層強(qiáng)度平均值為76.65 MPa。第三測(cè)點(diǎn)的頂板上方3.0～4.2 m 是4-1#煤層，煤體強(qiáng)度平均值38.99 MPa。

（2）4 號(hào)煤層原位強(qiáng)度的均值是14.67 MPa，體現(xiàn)該煤層的強(qiáng)度相對(duì)比較高，所以巷道布置在4號(hào)煤層中，對(duì)以后巷道幫的形變及采取措施進(jìn)行控制相對(duì)很有益。圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試區(qū)域4 號(hào)煤層直接頂砂質(zhì)泥巖的平均原位強(qiáng)度在巷道淺處可達(dá)約70 MPa，表明砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度相對(duì)較高，有利于巷道后期維護(hù)，直接頂?shù)膰鷰r具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性。

（3）三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所在的測(cè)試區(qū)域最大水平應(yīng)力都超過(guò)13 MPa，垂直應(yīng)力都超過(guò)10 MPa，所測(cè)試的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)屬于中等地應(yīng)力場(chǎng)。兩個(gè)測(cè)點(diǎn)中的地應(yīng)力大小分布規(guī)律相同，應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型是σH＞σV＞σh型應(yīng)力場(chǎng)，則所測(cè)試區(qū)域地應(yīng)力是以垂直水平應(yīng)力為主的。最大水平主應(yīng)力的方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范圍內(nèi)。