＊張延德

（山西陽泉盂縣辰通煤業(yè)有限公司 山西 045100）

1.前言

煤巖體的地質(zhì)力學參數(shù)是煤礦井下巷道施工的基礎(chǔ)，對煤礦安全開采有著不可替代的作用。在煤礦開采前，煤礦企業(yè)應(yīng)該開展煤巖體的地質(zhì)力學參數(shù)測量工作。測試可以分為實驗室測量和煤礦井下測量。在實驗室進行測量時，只能測得巖塊的強度，很難獲得真實的巖體狀態(tài)。因此，必須需要現(xiàn)場測量煤巖體的地質(zhì)力學參數(shù)，主要包括巖體的強度、巖體的應(yīng)力分布狀況。

2.地質(zhì)力學測試內(nèi)容及方法簡紹

(1)地應(yīng)力測量

水力壓裂法是測量地應(yīng)力的一種常用的方法，其主要是通過對煤礦井下一定長度的鉆孔進行水力裂，根據(jù)壓裂過程中壓力和流量隨時間的變化規(guī)律來確定主應(yīng)力。

在進行測量時，首先將預(yù)定位置的鉆孔進行封孔，并采用高壓泵注入高壓水直至圍巖破裂。圍巖破裂的方向即為主應(yīng)力的方向，破裂時的壓力即為主應(yīng)力的值。從水力壓裂過程中各回次的壓力曲線，就可以得到鉆孔的破裂壓力Pb、瞬時關(guān)閉壓力Ps、重張壓力Pr。根據(jù)這樣參數(shù)進行計算，即可算出最大水平主應(yīng)力σH及最小水平主應(yīng)力σh、巖石抗張強度T。

(2)巷道圍巖強度測試

針對實驗室測試時只能測得巖塊的物理力學參數(shù)，難以反映巖體的真實情況，為此采用鉆孔觸探法來測試圍巖強度。在測試時，巖體的強度測試是在鉆孔中進行的，在達到鉆孔的臨界破壞壓力之前，探針保持不動。一旦達到臨界破壞壓力，探針會發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，此時壓力表的讀數(shù)即為該測點處巖體的臨界強度（Pm）。將此臨界強度按照公式進行換算，即可得到巖體的單軸抗壓強度。此外，為了獲得整個鉆孔長度上的巖體抗壓強度，在鉆孔上每隔300～500m選取一個測試面，并按照各測點的強度值繪制鉆孔強度分布曲線。

(3)圍巖結(jié)構(gòu)觀測

在巖體工程施工中，不僅要獲得巖體的強度參數(shù)，還需要了解巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀況。為了解巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分布，可以采用光纖窺視儀直接觀測鉆孔內(nèi)部巖層的分布狀況。光纖窺視儀的原理如圖1所示。在觀測時，通過探頭上自帶的拍照錄像功能，可以清晰地觀測到巖層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分布狀況。在遇到結(jié)構(gòu)和裂隙的位置處，一定要放慢鉆孔探頭的移動速度。

圖1 光纖窺視儀的工作原理圖

3.現(xiàn)場測試結(jié)果與分析

在進行測試時，選擇的測點應(yīng)該具有代表性。應(yīng)該遵循以下幾個原則：（1）選擇測點時應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造帶和巷道連接處；（2）測點所在的位置頂板應(yīng)該相對完整：（3）測點所在位置應(yīng)該便于觀測鉆孔的施工。

(1)測點位置

第一、第二測點分別位于西軌道大巷1050m和1200m處。第三測點15110運輸順槽60m處。第四測點位于軌道大巷500m處。第五測點位于15108回風順槽200m處。第六測點15108運輸順槽150m處。測點位置如圖2所示。

圖2 測點的位置示意圖

(2)頂板巖層分布及結(jié)構(gòu)觀測

測試的目的主要有兩個，一個是獲得頂板一定厚度范圍內(nèi)巖層分布情況，另一個是獲得巷道所處巖體的地應(yīng)力分布狀況。

第一測點鉆孔觀測結(jié)果為：測點頂板以上0-1.2m巖層完整；1.2-5.6m無明顯裂隙發(fā)育，巖層完整性好；5.6-7.3m巖層內(nèi)生裂隙發(fā)育，完整性較差；7.3-12.7m巖層完整性好，13.5m處為橫向裂隙，煤層內(nèi)15.8m處為橫向裂隙，完整性一般。16.7-17.4m巖層較為完整，l7.7m、18.1m處為橫向裂隙。通過觀測結(jié)果，該測點頂板以上11.9-12.9m為中粒砂巖，巖層完整，致密，適合進行水力壓裂。

第二測點鉆孔觀測結(jié)果為：測點頂板以上0.7-5.8m微裂隙發(fā)育，5.7m處為橫向裂隙，巖層較完整；5.8-7.4m有縱向裂隙貫穿，7.4-12.9m無明顯裂隙發(fā)育，巖層完整；13.8m處有橫向裂隙發(fā)育。該測點頂板12.2-12.9m為中粒砂巖，巖層完整，適合進行水力壓裂。

第三測點鉆孔觀測結(jié)果為：測點頂板以上0-7.3m巖層較完整，9.0m處有微裂隙存在，該巖相對比較完整，9.4-10.4m巖層較為完整，11.7-13.3m巖層完整性較好，13.3m處比較破碎，15.6m處微裂隙發(fā)育，17.2m處為明顯的橫向裂隙，17.3-19.1m巖層完整。通過觀測結(jié)果，該測點頂板以上17.3-18.3m為粗粒砂巖，巖層完整，致密，適合進行水力壓裂。

第四測點鉆孔觀測結(jié)果為：測點頂板以上0-1.3m裂隙發(fā)育，離層明顯，巖層完整性差，1.3-6.0m和6.0-11.2m巖層完整性較好，6.0m處為橫向裂隙，11.2-12.1m和13.2-14.4m為縱向裂隙發(fā)育，14.4-18.8m裂隙發(fā)育，巖層完整性差，頂板12.0-13.0m巖層致密完整性較好，適合進行水力壓裂。

第五測點鉆孔觀測結(jié)果為：14.6m處為橫向裂隙，巖層較完整，15.9-17.0m裂隙發(fā)育，17.0-19.2m巖層較完整。該測點頂板以上13.4-14.4m巖層完整性較好，適合進行水力壓裂。

第六測點鉆孔觀測結(jié)果為：10.7-11.7m巖層較完整。11.7-20.3m為細粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，11.7-17.6m裂隙發(fā)育、富含植物化石條帶，16.2m處為離層，17.7-18.6m巖層完整性較好，18.7-20.3m裂隙發(fā)育，巖層完整性較差。通過觀測結(jié)果，該測點頂板以上17.7-18.6m巖層完整性較好，適合進行水力壓裂。

通過水力壓裂法對各個測點處鉆孔的地應(yīng)力進行測量，得到了測點處的地應(yīng)力分布情況，如表1所示。

表1 辰通煤礦地應(yīng)力測量結(jié)果

(3)地應(yīng)力測試

由表1可知，辰通煤礦的最大水平主應(yīng)力在5-12MPa之間。地質(zhì)力學觀點認為0-10MPa為低應(yīng)力區(qū)，10-18MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18-30MPa為高應(yīng)力區(qū)。根據(jù)這個標準，辰通礦的地應(yīng)力場屬于中等應(yīng)力區(qū)。6個測點的最大主應(yīng)力方向比較一致，這表明沒有發(fā)生主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)。從另一方面也說明了區(qū)域構(gòu)造較為簡單，最大水平主應(yīng)力方向為NNW方向。在巷道支護設(shè)計和分析巷道變形破壞原因是可以將該方向作為參數(shù)依據(jù)。

(4)圍巖強度測試

在地應(yīng)力測量結(jié)束后，可以采用鉆孔觸探法獲得辰通礦煤巖體的強度分布狀況。

通過對辰通煤礦6個測點進行煤巖體強度原位測試，并對測試結(jié)果進行整理和計算可以得到：第一測點煤幫15#煤煤體強度平均值為17.77MPa，第二測點煤幫15#煤煤體平均強度為23.46MPa，第三測點煤幫孔所測15#煤煤體強度平均值為26.06MPa，第四測點煤幫孔所測15#煤煤體強度平均值為18.24MPa，第五測點煤幫孔所測13#煤煤體強度平均值為19.13MPa，第六測點煤幫孔所測13#煤煤體強度平均值為16.74MPa。

4.結(jié)論

在辰通煤礦布置測點進行現(xiàn)場地質(zhì)力學測試發(fā)現(xiàn)，辰通煤礦應(yīng)力場屬于中等應(yīng)力區(qū)域。測試區(qū)域15#煤體強度平均值為18.82MPa；13#煤體強度平均值為19.78MPa。區(qū)域應(yīng)力場及相關(guān)地質(zhì)力學參數(shù)受井下地質(zhì)構(gòu)造的影響較大，煤層賦存狀態(tài)的變化及采掘現(xiàn)狀也對地質(zhì)力學參數(shù)產(chǎn)生影響。