王夢東

(西山煤電集團公司技術(shù)中心，山西 太原 030053)

為了對采礦工程進(jìn)行科學(xué)合理的開挖設(shè)計和施工，就必須對影響工程穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行充分調(diào)查。在諸多的影響巖體開挖工程穩(wěn)定性的因素中，地應(yīng)力狀態(tài)是最重要最根本的因素之一。尤其是巷道圍巖是極其復(fù)雜的地質(zhì)體，巷道布置、錨桿支護(hù)設(shè)計等都離不開對圍巖地質(zhì)力學(xué)的測試研究。

近幾年來，隨著煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展，作為該技術(shù)中的關(guān)鍵內(nèi)容之一，巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試也逐步得到重視，測試結(jié)果應(yīng)用于支護(hù)設(shè)計，顯著提高了支護(hù)設(shè)計的合理性和可靠性，提高了工程設(shè)計的科學(xué)性、合理性與可靠性，確保了工程安全。

1 地質(zhì)力學(xué)測試內(nèi)容

地應(yīng)力對巷道支護(hù)的影響涉及到地質(zhì)力學(xué)測試內(nèi)容。具體的測試內(nèi)容包括地應(yīng)力測量、煤巖體強度測量以及煤巖體結(jié)構(gòu)觀察。每個測站需要進(jìn)行測試鉆孔的施工，施工量包括頂板以上20 m的地質(zhì)力學(xué)測試孔一個、煤幫10 m的煤體強度測試孔一個以及頂板10 m范圍內(nèi)煤巖體取芯，進(jìn)行煤巖體物理參數(shù)測定的實驗，見表1。

本次在西山煤電集團官地礦進(jìn)行的地應(yīng)力測量，采用水壓致裂的測量方法。布置4個測站，在頂板向上打一垂直孔，頂板垂直孔深度20 m;在煤幫近水平打一水平孔，孔深10 m;鉆孔直徑56 mm，見圖1。

表1 西山煤電官地礦地質(zhì)力學(xué)測試內(nèi)容表

圖1 地應(yīng)力測試鉆孔布置示意圖

鉆孔有以下要求:1)鉆孔直徑:鉆孔直徑為56±2 mm，采用d56 mm的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭鉆進(jìn)。2)鉆孔位置:頂孔中心線鉛垂布置，幫孔中心線水平布置。3)地質(zhì)力學(xué)測試完成后，進(jìn)行取芯施工，取芯采用d89 mm的取芯鉆頭。

本次測試由于官地礦礦區(qū)面積較大，主采煤層較多，需要對各代表性煤層及區(qū)域進(jìn)行測試，測試具體布置位置為:2#煤中六采區(qū)北翼、3#煤北采區(qū)、6#煤南五采區(qū)和9#煤的南十二采區(qū)。

2 圍巖結(jié)構(gòu)觀察

煤巖體結(jié)構(gòu)觀察的方法有很多種。除在巖體被揭露的地方，通過肉眼直接進(jìn)行觀察和描述外，還可采用鉆孔裂縫壓印法、完整巖芯采取法、鉆孔壁觀察法。這三種圍巖結(jié)構(gòu)觀察方法中，鉆孔裂隙壓印法需要打孔、印痕、提取、分析解釋、繪圖等程序;完整巖芯采取法包括大小孔、安裝錨桿、注黏合劑、鉆取巖芯、實驗室試驗與分析等過程。這兩種方法測量過程相對復(fù)雜，時間也比較長，作為研究圍巖結(jié)構(gòu)的手段是可行的，但在井下大面積使用存在較大困難。相反，采用鉆孔窺視儀進(jìn)行鉆孔壁觀察，可借助錨桿、錨索孔進(jìn)行，方便、快速、成本低，適合于煤礦井下巷道圍巖結(jié)構(gòu)大面積、快速觀察。

3 測試方法

在井下巷道中打好鉆孔后，就可以進(jìn)行圍巖強度測定。探頭及連接的液壓管，應(yīng)先在井上用68號液壓油充滿，在觀測地點將液壓管與手搖泵相連接，把電纜的另一頭與圍巖強度測定儀上的傳感器插座相連接，最后，用安裝桿將探頭裝入待測鉆孔并送至孔底開始測定工作。

先將手搖泵手輪擰到加壓位置，啟動手搖泵，油壓通過液壓管傳入探頭內(nèi)腔，探頭活塞動作，探針外伸直到與孔壁接觸，從探針位移指示儀上可讀出探針外伸量。手搖泵繼續(xù)加壓，當(dāng)壓力達(dá)到觀測地點巖石臨界強度時，可觀察到探針位移指示儀指針突然跳躍，并且壓力表讀數(shù)稍有下降，該現(xiàn)象表明被測地點孔壁的巖石遭到破壞。同時，讀取壓力表，記錄臨界壓力值，則該點測定完畢。

為了測定整個鉆孔軸線方向上巖層的抗壓強度，每隔100～300 mm取一個測試剖面，由安裝桿的刻度進(jìn)行指示。在每一個剖面上需測定3點，測點之間等周長，通過圍繞鉆孔軸心轉(zhuǎn)動120°實現(xiàn)。每個剖面3點臨界壓力值的算術(shù)平均值作為該剖面位置巖石的臨界壓力。全部測點測試完畢后，根據(jù)相關(guān)公式計算出各測點的單軸抗壓強度，并繪制強度沿鉆孔深度的分布曲線。

4 測試結(jié)果分析

1)地應(yīng)力實測結(jié)果表明，官地礦所測區(qū)域8個測點最大水平應(yīng)力最大為13.99 MPa，最小為5.04 MPa;最小水平主應(yīng)力最大為7.17 MPa，最小為3.24 MPa;垂直主應(yīng)力最大為 15.90 MPa，最小為 8.08 MPa，最大主應(yīng)力超過10 MPa的測點數(shù)量為3個。官地礦所測區(qū)域應(yīng)力場在量值上屬于中等偏低應(yīng)力區(qū)域。最大主應(yīng)力大體上隨測點埋深的增加而增大。所測區(qū)域應(yīng)力場類型分別為:σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh，初步判斷礦區(qū)最大主應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，但不排除由于礦井地質(zhì)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力。

3)測點最大水平主應(yīng)力方向集中在N33.3°W～ N89.7°W之間，超過 N45°W的測點個數(shù)為7個。由此初步判斷所測區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向為NWW－SEE，在進(jìn)行巷道布置和分析巷道變形破壞原因時，考慮最大主應(yīng)力值的同時，應(yīng)結(jié)合最大水平主應(yīng)力的方向進(jìn)行分析。

4)通過對收集到的地質(zhì)資料進(jìn)行分析可知，官地礦井上地表起伏較大，高差相對較為懸殊。地形地貌的差異性會導(dǎo)致井下地應(yīng)力產(chǎn)生異常變化，同一巷道會由此產(chǎn)生不同的變形和破壞。

5)同一鉆孔同一巖性巖層的強度值波動范圍很大，說明巖層的完整性和均質(zhì)性差，巖層中普遍存在較為明顯的裂隙和破壞，局部存在非常明顯的破碎及空洞區(qū)。弱面的存在對巖層的整體強度有很大的負(fù)面影響，在巷道支護(hù)設(shè)計的過程中應(yīng)給予考慮。

6)8煤層強度平均值為14.67 MPa，6煤層強度平均值為 13.24 MPa，2#煤層強度平均值為 16.73 MPa。煤幫淺部強度普遍低于深部強度，主要原因是受開挖影響煤幫淺部產(chǎn)生塑性破壞所致，另外也說明煤幫支護(hù)強度較低，沒有有效控制煤幫的變形破壞。各煤層完整性普遍較差，煤體中普遍存在夾矸。

5 結(jié)語

通過對官地礦進(jìn)行現(xiàn)場圍巖結(jié)構(gòu)觀測、圍巖強度測試及地應(yīng)力測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計算和分析，可以得到如下結(jié)論:

1)區(qū)域地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的獲取，特別是構(gòu)造區(qū)域的應(yīng)力場特征以及其它地質(zhì)力學(xué)參數(shù)應(yīng)做更詳盡的了解和掌握，需要系統(tǒng)的進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測試工作，在大量實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、地質(zhì)學(xué)和數(shù)值模擬等方面的綜合分析。官地礦礦區(qū)面積較大，所布測點較少，建議在今后的生產(chǎn)過程中針對開采水平以及地質(zhì)條件的變化，不斷進(jìn)行補測工作。

2)地應(yīng)力實測結(jié)果表明，所測區(qū)域應(yīng)力場在量值上屬于中等偏低應(yīng)力區(qū)域。

3)根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果，分析官地礦現(xiàn)有巷道支護(hù)系統(tǒng)，并對今后支護(hù)方案提出意見及建議，以提高煤礦的安全系數(shù)。