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)

針對杜兒坪礦巷道支護(hù)基礎(chǔ)參數(shù)不足的問題，采用了井下單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測試方法對杜兒坪礦2#煤和3#煤進(jìn)行了巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試。測試內(nèi)容包括:地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)的觀測，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)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

采礦工程;地質(zhì)力學(xué)測試;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500萬t，近年來，隨著煤礦開采強(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，煤炭資源儲量豐富，前期沒有開展巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試的相關(guān)工作，因此，在杜兒坪礦開展井下巷道的地質(zhì)力學(xué)測試和分析，了解礦井地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)，對杜兒坪礦井的總體布置，巷道和采場支護(hù)設(shè)計參數(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)測試及其作用

巷道圍巖是一個極其復(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的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力或原巖應(yīng)力。地應(yīng)力是由構(gòu)造運(yùn)動形成的應(yīng)力場與重力應(yīng)力場疊加的結(jié)果，具有一定的時間和空間效應(yīng)。地應(yīng)力是引起煤礦開采等地下工程圍巖變形和破壞的根本驅(qū)動力，是礦井設(shè)計以及煤礦巷道支護(hù)動態(tài)信息設(shè)計法重要的基礎(chǔ)參數(shù)，對煤礦開采過程中圍巖穩(wěn)定性分析及合理的巷道設(shè)計有較大的參考價值。

1.2 圍巖強(qiáng)度

圍巖強(qiáng)度是圍巖分類的關(guān)鍵指標(biāo)，通過地質(zhì)力學(xué)測試，掌握開采煤層圍巖強(qiáng)度，對開采煤層圍巖進(jìn)行確切的圍巖分類，不同類型的圍巖采用的支護(hù)方案存在很大差別，對指導(dǎo)巷道設(shè)計有重要作用。同時，采用數(shù)值計算進(jìn)行巷道支護(hù)，開采煤層圍巖強(qiáng)度也是主要的參數(shù)，對數(shù)值計算的準(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)計的重要環(huán)節(jié)。同時，通過掌握的節(jié)理和裂隙的分布范圍，能夠?yàn)殄^桿(索)參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

此次測試采用的是由煤炭科學(xué)研究總院北京開采設(shè)計研究分院所研發(fā)的井下單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測試系統(tǒng)，該套系統(tǒng)采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量儀、井下巷道圍巖強(qiáng)度原位測定裝置，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)系測試，而且整個測試流程工藝簡單，適合煤礦的使用特點(diǎn)，目前，在我國煤礦地質(zhì)力學(xué)測量中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 巷道地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果及分析

本次在杜兒坪礦2#煤和3#煤共進(jìn)行了4個測點(diǎn)的地應(yīng)力測量、8個鉆孔的圍巖強(qiáng)度測試，以及4個頂板鉆孔的圍巖結(jié)構(gòu)窺視。

2.1 地應(yīng)力測量結(jié)果

地應(yīng)力測量裝置采用的是SYY－56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測試儀。測量在井下巷道中進(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，鉆孔長度為20～25 m。每個鉆孔中進(jìn)行3～4次水力壓裂，然后在對應(yīng)的壓裂位置進(jìn)行印模定向，對測量結(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個測點(diǎn)的地應(yīng)力測試，測點(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，以避開采動應(yīng)力影響。同時，為了消除巷道周圍應(yīng)力重新分布區(qū)域的影響，測點(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。具體測量結(jié)果見表1。

表1 杜兒坪礦2#煤和3#煤地應(yīng)力測試結(jié)果

表1中H為巷道埋深，測點(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)力場類型。

4個測點(diǎn)應(yīng)力場的類型主要有σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh兩種，所占比例分別是25%和75%。這說明杜兒坪礦地應(yīng)力場分布相對復(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)力場的類型2#煤和3#煤層在整體上以重力應(yīng)力場為主，屬于自重應(yīng)力場類型，并且所有測點(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。

對4個測點(diǎn)的地應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，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)入深部開采的范疇，但是地應(yīng)力整體在量級上屬于中等地應(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)。這說明了杜兒坪煤礦所測區(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)動所形成。因此，礦井的生產(chǎn)布置時巷道的軸線方向有較大選擇性時，要避免巷道與上述方向呈現(xiàn)過大的夾角，使巷道的維護(hù)相對容易。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)度測試結(jié)果

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

表2 杜兒坪礦2#煤和3#煤圍巖強(qiáng)度測試結(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)，可對鉆孔結(jié)構(gòu)參數(shù)定量測量，裂縫分辨率0.1 mm，可提供平面展開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)束后對窺視結(jié)果記錄在表格中，并對其進(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，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)度測試獲取了2#煤和3#煤煤層和頂板各個巖層的力學(xué)性質(zhì)，為巷道支護(hù)設(shè)計進(jìn)行理論計算以及數(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)計參數(shù)選取提供了較好的參考價值。

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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，主要從事煤礦開采的相關(guān)研究工作(E －mail)dk6203117@163.com