薛歷偉

（晉能控股集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 引言

伴隨著煤礦開采深度和強度的不斷增加，地應(yīng)力對圍巖變形和損壞影響更加突出[1-3]，以地質(zhì)力學測試結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合掘進過程中頂板巖層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，從而提出快速合理的支護方式及參數(shù)[4-5]。充分運用現(xiàn)有工程條件，針對試驗礦井進行相關(guān)地質(zhì)力學測試，選用小孔徑地質(zhì)力學測試系統(tǒng)開展測站的地質(zhì)力學測試，包括頂板鉆孔地應(yīng)力測試、頂板鉆孔和巷幫鉆孔的圍巖強度測試，以及對頂板鉆孔的圍巖結(jié)構(gòu)進行觀察。通過分析東周窯煤礦巷道圍巖所處原巖應(yīng)力分布特征、圍巖的強度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度，為巷道快速掘進與支護工藝及參數(shù)選取提供了依據(jù)。因此，巷道圍巖地質(zhì)力學測試與分析對巷道安全快速掘進具有重要意義。

2 工程概況及試驗設(shè)計

2.1 試驗巷道工程地質(zhì)情況

（1）工作面基本概況

8704 工作面位于東周窯煤礦一采區(qū)，地面標高是1423～1567 m，工作面的標高是970～1016 m，埋深約500 m。5704 巷道在全煤區(qū)域掘進，該巷道設(shè)計長2570 m，沿4 煤頂板掘進。

（2）煤層頂?shù)装鍡l件

4 煤屬于比較穩(wěn)定型煤層，煤厚平均2.67 m，其中間存在1～2 層大約0.3 m 泥巖夾矸，煤層傾角平均2°，煤層節(jié)理、層理發(fā)育，煤層傾向NW。煤層頂?shù)装宓膸r性特征：老頂為中砂巖，厚度2.5～6.2 m，呈現(xiàn)灰白色、鈣質(zhì)膠結(jié)，石英、長石為主要成分；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度1.5～4.3 m，呈現(xiàn)灰黑色，塊狀構(gòu)造；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度2.5～6.4 m，呈現(xiàn)灰黑色。

2.2 巷道圍巖地質(zhì)力學測試方案

選取地質(zhì)力學測站的過程中盡量要躲開大構(gòu)造帶、采空區(qū)、交叉處和巷道比較錯綜復(fù)雜的區(qū)域范圍，其中巷道圍巖地質(zhì)力學測試的觀測站三處，每一個測點布置兩處鉆孔。測點常布置在煤巷道里，地應(yīng)力與頂板巖體的強度測試是在巷道的頂部鉆孔進行的，煤體的強度是在巷幫鉆孔里進行的。鉆孔有以下要求：（1）鉆孔直徑。孔徑是56±2 mm，鉆進選用Ф56 mm 標準的鉆頭。（2）鉆孔位置。鉛垂布置頂部鉆孔的中心線，近水平布置巷幫的鉆孔，要保證3°～5°仰角，便于打鉆時水能方便從鉆孔中排掉。（3）鉆孔深度。頂部的鉆孔深度是20～25 m，巷幫的鉆孔深度約是10 m。

針對該煤礦進行了三組巷道圍巖綜合地質(zhì)力學測試，具體的測點位置如圖1。選用煤礦本安型鉆孔電視對圍巖結(jié)構(gòu)進行觀測。井下原位測量進行后，用公式Rc=2.07Pm+5.35 計算圍巖抗壓強度，式中：Rc為圍巖單軸抗壓強度，MPa；Pm為所測試巖層層位的平均臨界載荷，MPa。選用配套鉆孔直徑56 mm 的水壓致裂設(shè)備進行地應(yīng)力測量。

圖1 地質(zhì)力學測試測點位置示意圖

3 巷道圍巖地質(zhì)力學特性分析

煤巖體地質(zhì)力學參數(shù)大致分為三大類，包含煤巖體的應(yīng)力參數(shù)、煤巖體的變形和強度參數(shù)與煤巖體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。巷道圍巖地質(zhì)力學特性包含巷道圍巖結(jié)構(gòu)、巷道圍巖強度和地應(yīng)力三個方面，對巷道的支護效果影響較為顯著。因此，對巷道的這三方面地質(zhì)力學特性進行研究。

3.1 圍巖結(jié)構(gòu)觀測及分析

圖2 為第一觀測點鉆孔觀測的結(jié)果。分析可知，該測點頂板上方0～3.4 m 是砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)。0.5～3.4 m 巖層較完整。3.4～4.5 m 是4-1 號煤層，黑色，半暗半亮型煤。其中4.1 m 位置處是泥巖夾矸，這段煤層中含有少量的裂隙。4.5～11.8 m 為細砂巖，呈深灰色，堅硬致密，細砂粒狀結(jié)構(gòu)。其4.8 m 位置處出現(xiàn)較為明顯的橫向裂隙，4.9～7.9 m 巖層比較完整，8.0 m 位置處是煤線，9.5 m 位置處出現(xiàn)微裂隙，9.7～11.8 m 巖層相對完整，11.6 m 是夾層。11.8～13.5 m 位置是中粒砂巖，呈灰白色，主要以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，這段巖層比較完整。13.6～16.7 m 是砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，其中14.0～15.3 m 是復(fù)合性的巖層。16.8～19.2 m 是細砂巖，呈深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖層相對較完整。同理可對第二觀測點和第三觀測點鉆孔觀測結(jié)果進行分析。

圖2 第一測點頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果

3.2 圍巖強度測試及分析

對巷道頂板上方、巷道幫10 m 范圍之內(nèi)用圍巖強度測試裝置進行了測試，通過數(shù)據(jù)分析可以得出測點對應(yīng)巖層強度的分布情況，詳細如圖3 至圖5 所示，巷道幫巖層強度測量數(shù)據(jù)如圖6。

圖3 第一測點頂板巖石強度曲線

圖5 第三測點頂板巖石強度曲線

圖6 巷道幫強度測量數(shù)據(jù)

通過煤巖體強度原位測試，并對測試數(shù)據(jù)結(jié)果整理、分析可知：第一、二、三測點頂板上方的巖層強度均值分別為77.55 MPa、76.65 MPa、81.20 MPa；三個測點對應(yīng)位置處的巷幫孔煤體強度均值分別為13.71 MPa、14.71 MPa、15.57 MPa。

綜合以上測試結(jié)果整理分析可得出：4 號煤層原位強度的均值是14.67 MPa，說明該煤層的強度相對比較高，所以巷道布置在4 號煤層中，對以后巷道幫的形變及采取措施進行控制相對很有益。圍巖強度測試結(jié)果表明，測試區(qū)域4 號煤層直接頂砂質(zhì)泥巖的平均原位強度在巷道淺處可達約70 MPa，表明砂質(zhì)泥巖強度相對較高，有利于巷道后期維護，直接頂?shù)膰鷰r具有相對較好的穩(wěn)定性。

3.3 地應(yīng)力測試及分析

一采區(qū)4 號煤層的地應(yīng)力情況見表1。

表1 一采區(qū)地應(yīng)力情況

通過對地應(yīng)力結(jié)果整理、分析可知：

（1）4 號煤層布置3 個測點所測區(qū)域最大水平應(yīng)力均大于13 MPa，垂直應(yīng)力均大于10 MPa，由地應(yīng)力量級判斷的標準可知所測區(qū)域應(yīng)力場在量值上屬中等地應(yīng)力場。

（2）由測試結(jié)果分析可知，2 個測點中的地應(yīng)力大小分布規(guī)律相同，應(yīng)力場類型是σH＞σV＞σh型應(yīng)力場，則所測試區(qū)域地應(yīng)力是以垂直水平應(yīng)力為主的。

（3）由最大水平主應(yīng)力方向分析，其方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范圍內(nèi)。

圖4 第二測點頂板巖石強度曲線

巷道頂、底板的變形與穩(wěn)定性主要的影響因素是水平應(yīng)力，結(jié)合測試結(jié)果分析可知，測試區(qū)域的地應(yīng)力在量值上屬中等應(yīng)力場，在巷道附近的圍巖所處應(yīng)力起作用的量值上會相對較低，圍巖的變形與壓力顯現(xiàn)不會出現(xiàn)很大的情況，但應(yīng)力場類型呈現(xiàn)出的是構(gòu)造應(yīng)力場為主。如圖7 所示，5704 回風順槽的位置處在北偏西73°，最大水平主應(yīng)力的方向為北偏西33.3°與北偏東34.2°范圍，這表明5704 順槽巷道根據(jù)地應(yīng)力的角度來解釋，該順槽巷布置的方向與最大水平方向之間的夾角在40°～74°范圍，這時的最大水平應(yīng)力對順槽巷的穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響，但是影響程度相對有限，因為最大水平應(yīng)力處在中等偏低的范疇，對順槽巷的圍巖穩(wěn)定性不能夠有十分顯著影響。

圖7 巷道軸向和最大水平主應(yīng)力布置關(guān)系

4 結(jié)論

（1）通過測試分析，得出第一、二、三測點的頂板上方巖性，并測得巖層強度均值分別為70.51 MPa、77.55 MPa 和81.20 MPa。第 二 測 點 頂 板 以上0～3.6 m 為砂質(zhì)泥巖，巖層強度平均值為69.00 MPa；3.6～4.7 m 為4-1#煤層，煤體強度平均值為33.43 MPa；4.7～10.0 m 為細砂巖，致密堅硬，巖層強度平均值為76.65 MPa。第三測點的頂板上方3.0～4.2 m 是4-1#煤層，煤體強度平均值38.99 MPa。

（2）4 號煤層原位強度的均值是14.67 MPa，體現(xiàn)該煤層的強度相對比較高，所以巷道布置在4號煤層中，對以后巷道幫的形變及采取措施進行控制相對很有益。圍巖強度測試結(jié)果表明，測試區(qū)域4 號煤層直接頂砂質(zhì)泥巖的平均原位強度在巷道淺處可達約70 MPa，表明砂質(zhì)泥巖強度相對較高，有利于巷道后期維護，直接頂?shù)膰鷰r具有相對較好的穩(wěn)定性。

（3）三個觀測點所在的測試區(qū)域最大水平應(yīng)力都超過13 MPa，垂直應(yīng)力都超過10 MPa，所測試的區(qū)域應(yīng)力場屬于中等地應(yīng)力場。兩個測點中的地應(yīng)力大小分布規(guī)律相同，應(yīng)力場類型是σH＞σV＞σh型應(yīng)力場，則所測試區(qū)域地應(yīng)力是以垂直水平應(yīng)力為主的。最大水平主應(yīng)力的方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范圍內(nèi)。