韓紀周

（新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045499）

煤巖體作為一種極其復(fù)雜的地質(zhì)體，其具有兩大特點： 其一為煤巖體內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，這些不連續(xù)面的存在會顯著改變巖體的強度和變形特征；其二為煤巖體內(nèi)含有地應(yīng)力，地應(yīng)力的大小和方向都會顯著影響圍巖的變形和破壞，因此在巷道支護方案設(shè)計前，通過煤巖體的地質(zhì)力學測試掌握其地應(yīng)力分布及圍巖強度特征，能夠提高工程設(shè)計的科學性、 合理性和安全可靠性[1-4]。 目前煤礦地應(yīng)力測試常采用的方法主要為應(yīng)力解除法和水壓致裂法。 由于水壓致裂法測試地應(yīng)力時工序簡單，測試數(shù)據(jù)準確度高，應(yīng)用較為廣泛，如劉云鶴采用水力壓裂法在西銘礦進行圍巖物理力學測試得出圍巖的力學參數(shù)[4]，坪上煤礦通過水力壓裂法測試地應(yīng)力，基于測試結(jié)果設(shè)計優(yōu)化了支護參數(shù)[5]。 基于國內(nèi)外眾多工程經(jīng)驗[6-7]，結(jié)合新元礦9#煤層特征，確定采用水力致裂法進行地應(yīng)力測試；巷道圍巖強度測試采用測試儀器在現(xiàn)場進行原位測試。

1 工程概況

9#煤層為新元煤礦主采煤層，煤層平均埋深為620 m，煤層均厚為3.40 m，平均傾角2°，煤層普氏硬度在1.5 以下，屬于松軟煤層。 煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖、8#煤層和細粒砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖，煤層及頂?shù)装遒x存情況如圖1 所示。 9#煤層回采巷道沿煤層頂板掘進，回采巷道的成巷高度為5.5 m，回采巷道屬超高巷道。

圖1 9#煤層頂?shù)装鍘r層特征

本次開展9#煤層地應(yīng)力及圍巖強度的測試分析，主要是為后續(xù)回采巷道支護方案的設(shè)計及優(yōu)化提供基礎(chǔ)參考。 采用小孔徑水壓致裂法在9#煤9105 進風巷集中輔助運輸大巷現(xiàn)場進行原位測量，測試內(nèi)容包括地應(yīng)力、圍巖結(jié)構(gòu)和圍巖強度。本次測試共布置3 個測點，第一測點、第二測點分別位于9#煤9105 進風巷200 處與310 m 處，測點所在巷道沿8#煤層頂板掘進，測點埋深為640 m；第三測點位于9#煤集中輔助運輸大巷2 300 m 處，測點所在巷道沿8#煤層頂板掘進，測點埋深為645 m，如圖2 所示。

圖2 測點布置平面

2 水力壓裂法地應(yīng)力測試

進行地應(yīng)力測試前，采用鉆孔窺視儀進行頂板結(jié)構(gòu)觀測。 通過鉆孔窺視對壓裂地段進行標定，再通過SYY-56 型水壓致裂地應(yīng)力測量儀對測點位置處的壓裂時間和壓力進行有效監(jiān)測；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得出水力壓裂曲線圖，進而通過分析軟件能夠計算得出測點處巖體的破裂壓力、 重張壓力和瞬時關(guān)閉壓力；進一步結(jié)合水力壓裂地應(yīng)力測試的相關(guān)研究結(jié)論能夠計算得出最大、 最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力值[4-6]。 應(yīng)力方向通過壓裂部位的印模和定向獲取水壓裂縫的走向，進而獲取印模基線和壓裂裂縫之間的夾角，最終能夠確定出測點各個應(yīng)力的方向。

將現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)輸入分析軟件計算得出的破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時關(guān)閉壓力Ps值的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 測點位置信息及測定數(shù)據(jù)

圖3 不同測點處水力壓裂曲線

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，第一測點測試段巖性為泥巖，平均強度值為48.07 MPa，測試段埋深約628.5 m；第二測點測試段巖性為砂質(zhì)泥巖，平均強度值為56.81 MPa，測試段埋深為624.5 m；第三測點測試段巖性為砂質(zhì)泥巖，平均強度值為53.70 MPa，測試段埋深約631.5 m。 將現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)輸入分析軟件計算可得各測點的應(yīng)力數(shù)值如表2 所示。

表2 不同測點處應(yīng)力數(shù)值

具體三個測點的地應(yīng)力分布情況如圖4 所示。

圖5 地應(yīng)力測試結(jié)果

通過對測試結(jié)果分析可以得到：

（1）根據(jù)相關(guān)判斷標準：地應(yīng)力區(qū)劃分為四個等級，分別為低應(yīng)力區(qū)、中等應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力區(qū)和超高應(yīng)力區(qū)，劃分范圍分別為0～10 MPa、10～18 MPa、18～30 MPa、大于30 MPa[7-8]，結(jié)合三個測點的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)能夠得出9#煤層測試區(qū)域地應(yīng)力場屬于中高等應(yīng)力值區(qū)域。

（2）9#煤層以自重應(yīng)力場為主，垂直應(yīng)力占優(yōu)勢。 巷道支護設(shè)計和施工過程中，分析巷道圍巖變形破壞原因時應(yīng)給予區(qū)別。

（3）最大水平主應(yīng)力方向一致性較好，大部分集中在主導優(yōu)勢方向N60°E～N80°E 之間，所測區(qū)域最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NEE向，近東西向。

3 巷道圍巖強度測試

各個測點地應(yīng)力測試完畢后，分別在地應(yīng)力測試鉆孔內(nèi)部采用WQCZ-56 型圍巖強度測試裝置進行圍巖強度的測試分析。 圍巖強度測試主要對頂板和煤體強度進行測試，頂板測試主要對巷道頂板以上10 m 范圍，煤體強度測試通過在煤幫打設(shè)鉆孔的方式進行，頂板及煤體強度測試均屬于巖體原位強度測試。

測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 圍巖強度測試結(jié)果曲線

第一測點頂板以上0～2.5 m、2.5～10.0 m分別為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，強度平均值分別為25.45 MPa 和53.68 MPa；第二測點頂板以上0～3.0 m、3.0～10.0 m 分別為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，強度平均值分別為23.53 MPa 和53.79 MPa；第三測點頂板以上0～3.0 m、3.0～10.0 m 分別為碳質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，強度平均值分別為23.53 MPa 和53.79 MPa。

基于巷幫煤體強度的原位測試結(jié)果得出：9#煤強度平均值為13.87 MPa。

綜合上述分析可知，9#煤層頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層巖性主要為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖中夾小煤，膠結(jié)疏松，強度平均值為23.37 MPa，砂質(zhì)泥巖強度平均值為53.51 MPa。9#煤體強度平均值為13.87 MPa。 總體來看，9#煤頂板強度低，裂隙發(fā)育，煤層強度相對偏低。

4 結(jié)論

1）9#煤測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中高等應(yīng)力值區(qū)域；9#煤測點最大水平主應(yīng)力為17.40 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為10.04 MPa，其應(yīng)力場類型以σv＞σH＞σh型應(yīng)力場為主，測區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力占優(yōu)勢。 最大水平主應(yīng)力方向主導方向為NEE 方向。

2）9#煤層頂板以上10 m 范圍內(nèi)巖層巖性主要為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖強度平均值為23.37 MPa，砂質(zhì)泥巖強度平均值為53.51 MPa。 9#煤體強度平均值為13.87 MPa。煤層頂板強度低，裂隙發(fā)育，煤層強度相對偏低。

3）根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果可知，水平主應(yīng)力對巷道頂?shù)装宓挠绊懽饔么笥趯ο锏纼蓭偷挠绊懀怪睉?yīng)力主要影響巷道兩幫煤巖體的受力和變形，建議在進行巷道支護設(shè)計和施工時分區(qū)域考慮；根據(jù)9#煤層煤體松軟的特點，建議應(yīng)加強對巷幫煤巖體的控制，抑制由于巷幫圍巖變形對巷道頂?shù)装鍑鷰r產(chǎn)生的擠壓破壞。