西銘礦水壓致裂法地應力測試應用

姚鴻業(yè)

(山西焦煤西山煤電西銘礦,山西 太原 030052)

煤巖體是一個極其復雜的地質(zhì)體,其內(nèi)部地應力場的大小和方向都顯著影響著圍巖的變形和破壞,為有效指導現(xiàn)場工程施工應用,優(yōu)化工程設計準確性,開展煤巖體地質(zhì)參數(shù)測試至關重要[1-2]。伴隨著煤礦地質(zhì)條件愈發(fā)復雜,由于礦井地質(zhì)力學基本參數(shù)的缺失,巷道掘進支護方式只能依靠經(jīng)驗進行設計,無法確保工程安全性[3-6]。當前西銘礦巷道支護主要依據(jù)過去經(jīng)驗進行設計,巷道支護設計所需的地應力、圍巖力學指標和圍巖結(jié)構(gòu)類型等參數(shù)嚴重匱乏,為改變巷道支護狀況,本文以西銘礦地質(zhì)條件為背景,采用水壓致裂法測試地應力,為礦井工程設計提供依據(jù)。

1 工程背景

西銘礦當前主采煤層為2號、3號、8號、9號煤,礦區(qū)位于西山煤田東北部的中奧陶統(tǒng)峰峰組、中石炭統(tǒng)本溪組、上太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下石河子組、上石河子組和石千峰組新近系、第四系,井田總體為西北走向、西南傾向的單斜井田,井田構(gòu)造較復雜,發(fā)育有較多褶曲、斷層和陷落柱。伴隨著巷道掘進條件復雜化,掘進困難巷道所占比重越來越高,僅靠工程類比法和經(jīng)驗法已無法完全指導巷道工程支護設計,特別是對于困難復雜巷道支護尚未形成系統(tǒng)的巷道支護成套技術,但目前礦井基礎參數(shù)嚴重匱乏,有必要開展地應力等地質(zhì)力學參數(shù)研究。

現(xiàn)有地質(zhì)力學參數(shù)測試方法中,應力解除法與水壓致裂法是井下實測可行的方法。由于水壓致裂法無需測定巖體彈性模量,并且測量空間大、受影響程度小、測速快、成功率高,因此采用水壓致裂法對西銘礦區(qū)地應力進行測試。

2 測試位置選擇

為了保證測試的準確性和代表性,測試地點在西銘煤礦已掘巷道中有選擇性地布置6個測點,每個測點布置兩個測孔,鉆孔直徑均為56 mm,其中頂孔深度為25 m,垂直頂板布置;巷幫鉆孔深度為10 m,與水平方向夾角呈3°～5°。為減小水流對煤體強度的干擾,確保水流的通暢性,在鉆孔施工結(jié)束后,用水沖洗鉆孔內(nèi)的泥渣,減少殘留物。此外,為避免影響礦井生產(chǎn),在礦井2號、3號、9號煤中已掘進的巷道內(nèi)挑選6個測點進行測試。測試工作從2014年6月開始,到2014年9月結(jié)束。

第一測點在西十一采區(qū),位于43106工作面3號煤集中軌道巷640 m處硐室中。該處巷道沿3號煤頂板掘進,斷面為4.5 m×2.8 m,埋深320 m.43106工作面井下位于西十一采區(qū)右翼,東為實煤區(qū),南鄰設計3號煤集中膠帶巷,西部為設計43104工作面,北為西銘礦礦界,測點位置示意圖如圖1(a)所示。該測點處巷道采用錨桿、錨索加鋼帶聯(lián)合支護,頂錨桿直徑為20 mm,長度2 200 mm,幫錨桿直徑為20 mm,長度為2 200 mm,頂板補強錨索直徑為17.8 mm,長度為5 400 mm.3號煤層結(jié)構(gòu)復雜,上部夾1～2層0～0.5 m的頁巖或炭質(zhì)頁巖,較破碎,煤層厚度變化較大,平均厚度2.25 m.局部地段煤層有分叉、變薄現(xiàn)象。

圖1 測點位置示意

第二、第三、第四測點在西六采區(qū),分別位于井下49409工作面轉(zhuǎn)運巷230 m、150 m、60 m處。巷道斷面呈正梯形,上寬3.1 m,下寬4.22 m,高3.2 m,沿9號煤頂板掘進,3個測點埋深分別為336 m、346 m、356 m.49409工作面位于南四采區(qū),回采9號煤,上覆8號煤,8號與9號煤層間距1.2～2.9 m,測點位置示意圖如圖1(b)所示。9號煤內(nèi)部條件復雜,煤層厚度平均為2.9 m,含有1～2層夾矸,夾矸約為0.2 m,巖性為炭質(zhì)頁巖。49409工作面膠帶巷、軌道巷、絞車硐室采用架棚支護,棚梁、棚腿均采用礦用11號工字鋼。

第五、第六測點位于西十二集中膠輪車巷170 m和70 m處,測點位置示意圖如圖1(c)所示。

巷道沿2號煤煤層頂板掘進,斷面為矩形,大小為4.5 m×3.1 m,兩個測點的埋深分別為346 m和386 m.2號煤煤層條件簡單,內(nèi)部無夾矸,厚度平均為1.8 m,采用螺紋鋼錨桿、W型鋼帶、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。頂錨桿直徑為20 mm,長度為2 200 mm,幫錨桿直徑為20 mm,長度為1 800 mm.補強錨索直徑為17.8 mm,長度為5 400 mm.

3 現(xiàn)場實測

水壓致裂法是當前一種高效、可靠的地應力測試方法,通過在選定的巖體鉆孔內(nèi)注入高壓水流,使巖體碎裂,期間記錄水流壓力、流量等隨時間的變化情況,從而計算出主應力的大小與方向。

選定礦井內(nèi)測點位置后,采用水壓致裂法對地應力場進行測試,并對壓裂過程中的壓力和時間進行采集,得到各測點水力壓裂曲線,如圖2所示。

圖2 各測點水力壓裂曲線圖

如圖2所示,第一測點最大水平主應力為8.11 MPa,最小水平主應力為4.87 MPa,垂直應力為7.63 MPa,最大水平主應力方向北偏西54.0°;第二測點最大水平主應力為17.20 MPa,最小水平主應力為8.89 MPa,垂直應力為8.04 MPa,最大水平主應力方向北偏東55.6°;第三測點最大水平主應力為17.43 MPa,最小水平主應力為8.99 MPa,垂直應力為8.07 MPa,最大水平主應力方向北偏東62.7°;第四測點最大水平主應力為15.73 MPa,最小水平主應力為8.97 MPa,垂直應力為8.55 MPa,最大水平主應力方向北偏東51.3°;第五測點最大水平主應力為11.65 MPa,最小水平主應力為6.40 MPa,垂直應力為9.19 MPa,最大水平主應力方向北偏西56.2°;第六測點最大水平主應力為10.89 MPa,最小水平主應力為5.85 MPa,垂直應力為8.23 MPa,最大水平主應力方向北偏西53.4°.

σh、σH為原地應力場中的最小和最大水平主應力,σV為垂直應力,根據(jù)該測試結(jié)果,西銘礦西十一和西十二采區(qū)應力場在量值上屬于中等偏低應力值區(qū)域,西六采區(qū)應力場屬于中等偏高應力值區(qū)域。應力場類型也有典型的區(qū)域性,西十一和西十二采區(qū)為σH>σV>σh型應力場,西六采區(qū)為σH>σh>σV型應力場,根據(jù)最大水平主應力方向,巷道受區(qū)域構(gòu)造影響較大。

4 結(jié) 語

本文采用水壓致裂法對西銘礦進行了地應力測試,根據(jù)礦井西六采區(qū)、西十一采區(qū)、西十二采區(qū)6個測點的測試結(jié)果,西銘礦測試區(qū)域地應力場存在明顯的區(qū)域特征,西十一和西十二采區(qū)測試區(qū)域地應力場在量值上中等偏低,為σH>σV>σh型應力場。西六采區(qū)測試區(qū)域地應力場在量值上中等偏高,為σH>σh>σV型應力場。測試區(qū)域應力場受區(qū)域構(gòu)造影響較大,以構(gòu)造應力場為主,最大水平主應力為最大主應力,該測試結(jié)果可為礦井后續(xù)的巷道支護設計優(yōu)化提供理論參考。