新元礦9#煤層地應(yīng)力及圍巖力學(xué)參數(shù)實測與分析

韓紀(jì)周

（新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045499）

煤巖體作為一種極其復(fù)雜的地質(zhì)體，其具有兩大特點： 其一為煤巖體內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，這些不連續(xù)面的存在會顯著改變巖體的強度和變形特征；其二為煤巖體內(nèi)含有地應(yīng)力，地應(yīng)力的大小和方向都會顯著影響圍巖的變形和破壞，因此在巷道支護(hù)方案設(shè)計前，通過煤巖體的地質(zhì)力學(xué)測試掌握其地應(yīng)力分布及圍巖強度特征，能夠提高工程設(shè)計的科學(xué)性、 合理性和安全可靠性[1-4]。 目前煤礦地應(yīng)力測試常采用的方法主要為應(yīng)力解除法和水壓致裂法。 由于水壓致裂法測試地應(yīng)力時工序簡單，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，應(yīng)用較為廣泛，如劉云鶴采用水力壓裂法在西銘礦進(jìn)行圍巖物理力學(xué)測試得出圍巖的力學(xué)參數(shù)[4]，坪上煤礦通過水力壓裂法測試地應(yīng)力，基于測試結(jié)果設(shè)計優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)[5]。 基于國內(nèi)外眾多工程經(jīng)驗[6-7]，結(jié)合新元礦9#煤層特征，確定采用水力致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測試；巷道圍巖強度測試采用測試儀器在現(xiàn)場進(jìn)行原位測試。

1 工程概況

9#煤層為新元煤礦主采煤層，煤層平均埋深為620 m，煤層均厚為3.40 m，平均傾角2°，煤層普氏硬度在1.5 以下，屬于松軟煤層。 煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖、8#煤層和細(xì)粒砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，煤層及頂?shù)装遒x存情況如圖1 所示。 9#煤層回采巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，回采巷道的成巷高度為5.5 m，回采巷道屬超高巷道。

圖1 9#煤層頂?shù)装鍘r層特征

本次開展9#煤層地應(yīng)力及圍巖強度的測試分析，主要是為后續(xù)回采巷道支護(hù)方案的設(shè)計及優(yōu)化提供基礎(chǔ)參考。 采用小孔徑水壓致裂法在9#煤9105 進(jìn)風(fēng)巷集中輔助運輸大巷現(xiàn)場進(jìn)行原位測量，測試內(nèi)容包括地應(yīng)力、圍巖結(jié)構(gòu)和圍巖強度。本次測試共布置3 個測點，第一測點、第二測點分別位于9#煤9105 進(jìn)風(fēng)巷200 處與310 m 處，測點所在巷道沿8#煤層頂板掘進(jìn)，測點埋深為640 m；第三測點位于9#煤集中輔助運輸大巷2 300 m 處，測點所在巷道沿8#煤層頂板掘進(jìn)，測點埋深為645 m，如圖2 所示。

圖2 測點布置平面

2 水力壓裂法地應(yīng)力測試

進(jìn)行地應(yīng)力測試前，采用鉆孔窺視儀進(jìn)行頂板結(jié)構(gòu)觀測。 通過鉆孔窺視對壓裂地段進(jìn)行標(biāo)定，再通過SYY-56 型水壓致裂地應(yīng)力測量儀對測點位置處的壓裂時間和壓力進(jìn)行有效監(jiān)測；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得出水力壓裂曲線圖，進(jìn)而通過分析軟件能夠計算得出測點處巖體的破裂壓力、 重張壓力和瞬時關(guān)閉壓力；進(jìn)一步結(jié)合水力壓裂地應(yīng)力測試的相關(guān)研究結(jié)論能夠計算得出最大、 最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力值[4-6]。 應(yīng)力方向通過壓裂部位的印模和定向獲取水壓裂縫的走向，進(jìn)而獲取印模基線和壓裂裂縫之間的夾角，最終能夠確定出測點各個應(yīng)力的方向。

將現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)輸入分析軟件計算得出的破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時關(guān)閉壓力Ps值的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 測點位置信息及測定數(shù)據(jù)

圖3 不同測點處水力壓裂曲線

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，第一測點測試段巖性為泥巖，平均強度值為48.07 MPa，測試段埋深約628.5 m；第二測點測試段巖性為砂質(zhì)泥巖，平均強度值為56.81 MPa，測試段埋深為624.5 m；第三測點測試段巖性為砂質(zhì)泥巖，平均強度值為53.70 MPa，測試段埋深約631.5 m。 將現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)輸入分析軟件計算可得各測點的應(yīng)力數(shù)值如表2 所示。

表2 不同測點處應(yīng)力數(shù)值

具體三個測點的地應(yīng)力分布情況如圖4 所示。

圖5 地應(yīng)力測試結(jié)果

通過對測試結(jié)果分析可以得到：

（1）根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：地應(yīng)力區(qū)劃分為四個等級，分別為低應(yīng)力區(qū)、中等應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力區(qū)和超高應(yīng)力區(qū)，劃分范圍分別為0～10 MPa、10～18 MPa、18～30 MPa、大于30 MPa[7-8]，結(jié)合三個測點的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)能夠得出9#煤層測試區(qū)域地應(yīng)力場屬于中高等應(yīng)力值區(qū)域。

（2）9#煤層以自重應(yīng)力場為主，垂直應(yīng)力占優(yōu)勢。 巷道支護(hù)設(shè)計和施工過程中，分析巷道圍巖變形破壞原因時應(yīng)給予區(qū)別。

（3）最大水平主應(yīng)力方向一致性較好，大部分集中在主導(dǎo)優(yōu)勢方向N60°E～N80°E 之間，所測區(qū)域最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NEE向，近東西向。

3 巷道圍巖強度測試

各個測點地應(yīng)力測試完畢后，分別在地應(yīng)力測試鉆孔內(nèi)部采用WQCZ-56 型圍巖強度測試裝置進(jìn)行圍巖強度的測試分析。 圍巖強度測試主要對頂板和煤體強度進(jìn)行測試，頂板測試主要對巷道頂板以上10 m 范圍，煤體強度測試通過在煤幫打設(shè)鉆孔的方式進(jìn)行，頂板及煤體強度測試均屬于巖體原位強度測試。

測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 圍巖強度測試結(jié)果曲線

第一測點頂板以上0～2.5 m、2.5～10.0 m分別為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，強度平均值分別為25.45 MPa 和53.68 MPa；第二測點頂板以上0～3.0 m、3.0～10.0 m 分別為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，強度平均值分別為23.53 MPa 和53.79 MPa；第三測點頂板以上0～3.0 m、3.0～10.0 m 分別為碳質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，強度平均值分別為23.53 MPa 和53.79 MPa。

基于巷幫煤體強度的原位測試結(jié)果得出：9#煤強度平均值為13.87 MPa。

綜合上述分析可知，9#煤層頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層巖性主要為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖中夾小煤，膠結(jié)疏松，強度平均值為23.37 MPa，砂質(zhì)泥巖強度平均值為53.51 MPa。9#煤體強度平均值為13.87 MPa。 總體來看，9#煤頂板強度低，裂隙發(fā)育，煤層強度相對偏低。

4 結(jié)論

1）9#煤測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中高等應(yīng)力值區(qū)域；9#煤測點最大水平主應(yīng)力為17.40 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為10.04 MPa，其應(yīng)力場類型以σv＞σH＞σh型應(yīng)力場為主，測區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力占優(yōu)勢。 最大水平主應(yīng)力方向主導(dǎo)方向為NEE 方向。

2）9#煤層頂板以上10 m 范圍內(nèi)巖層巖性主要為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖強度平均值為23.37 MPa，砂質(zhì)泥巖強度平均值為53.51 MPa。 9#煤體強度平均值為13.87 MPa。煤層頂板強度低，裂隙發(fā)育，煤層強度相對偏低。

3）根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果可知，水平主應(yīng)力對巷道頂?shù)装宓挠绊懽饔么笥趯ο锏纼蓭偷挠绊?，垂直?yīng)力主要影響巷道兩幫煤巖體的受力和變形，建議在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計和施工時分區(qū)域考慮；根據(jù)9#煤層煤體松軟的特點，建議應(yīng)加強對巷幫煤巖體的控制，抑制由于巷幫圍巖變形對巷道頂?shù)装鍑鷰r產(chǎn)生的擠壓破壞。