地质力学测试在巷道群矿压分析中的应用

高应山,王俊虎

（1.西山煤电股份有限公司 杜儿坪矿，山西 太原 030022）

地质力学测试在巷道群矿压分析中的应用

高应山1,王俊虎1

（1.西山煤电股份有限公司 杜儿坪矿，山西 太原 030022）

在杜儿坪矿2号煤皮带巷进行了地质力学测试，并将测试结果应用于巷道矿压分析中，结果表明：最大水平主应力为13.67MPa，最小水平主应力为6.94MPa，最大水平主应力方向为北偏东9°，皮带巷直接顶板为粉-细砂岩，强度介于60MPa～80MPa之间；皮带巷在掘进过程中，会受到轨道巷和回风巷开挖形成的支承压力的双重影响，皮带巷的两帮在垂直方向高应力集中和水平应力横向卸压双重作用下，造成两帮围岩的稳定性降低。

地质力学测试；煤柱；支承压力

巷道围岩含有大量的节理、裂隙、层理等不连续面以及断层、褶曲、陷落柱等地质构造，不连续面及地质构造的存在显著影响和控制着岩体的几何性质和力学特性，同时围岩中的原岩应力场、构造应力场、采动应力场等组合作用导致围岩的变形和破坏特征出现较大的差别[1，2]。随着煤巷锚杆支护技术的迅速发展，巷道围岩地质力学测试也逐步得到重视，测试结果应用于支护设计，显著提高了支护设计的合理性和可靠性[3，4]。

杜儿坪矿2号煤皮带巷延伸段在掘进过程中会受到刚掘进完成的轨道残余支承压力的影响，同时又会受到回风巷掘进过程中超前支承压力的影响，属于典型的巷道群掘进，因此有必要对杜儿坪矿巷道围岩进行地质力学测试以及矿压显现状况进行分析，为巷道支护设计提供基础参数。

1 地质力学测试与分析

1.1 地质力学测试位置

2号煤皮带巷的延伸段位于杜儿坪南九盘区至南十盘区，平均埋深约550 m。南九2号煤皮带巷北靠轨道巷，两条巷道中对中煤柱尺寸为24 m，南靠回风巷，对中煤柱尺寸为31 m，如图1所示。在皮带巷进行了地质力学测试工作。

1.2 巷道围岩地质力学测试结果

1.2.1 围岩结构观测与分析

图1 南九2号煤皮带巷巷道布置平面图

图2 围岩结构窥视结果

围岩结构钻孔观测结果，见图2，测站顶板以上0～4.65 m之间为细砂岩，呈黑色和灰黑色，砂质胶结，在距离巷道表面的浅部含有环形裂隙；在4.65 m～5.77 m之间含有一层1.2 m厚的2号煤上，黑色发亮，煤层较完整。5.77 m～7.20 m为粉砂岩，不是非常完整。7.20 m～10.66 m之间是厚度为3.46 m的煤，厚度较大。10.66m～19.9m之间砂质页岩，厚度较大，岩层坚硬，有少量裂隙，中间一小段煤线。19.9m～22.1m之间为粉砂岩，浅灰色，砂质胶结，比较破碎。

1.2.2 围岩强度测量与分析

图3 测站围岩和煤体强度

图4 模型

对测站顶板和两帮煤体进行围岩强度原位测试，如图3所示，皮带巷直接顶以砂质泥岩为主，平均强度为32.46MPa，老顶为粉－细砂岩，强度大部分集中在60MPa～80MPa之间，平均强度为67.89MPa。

1.2.3 地应力测试与分析

最大水平主应力为13.67MPa，最小水平主应力为6.94MPa，垂直应力为13.75MPa：最大水平主应力方向为北偏东9°。

2 数值模拟方案设计

进行地质力学测试的目的在于指导巷道支护设计，初始设计采用有限差分软件FLAC3D进行计算，将地质力学测试结果应用到数值计算过程中，对巷道的掘进过程中的支承压力状况进行分析，为巷道支护设计提供依据和参考。为满足工作面回采对于通风、运输等需要，对南九轨道巷、皮带巷及回风巷进行延伸，轨道巷、皮带巷和回风巷依次进行掘进。

2.1 模型建立

根据实际地质条件建立对应的FLAC3D数值模型，模型尺寸为120m×50m×50m，如图4所示。坐标系采用直角坐标系；地应力取实测数据，巷道轴向平行于最大水平主应力方向；边界条件为：上部为自由边界，四周和底部采用铰支。

2.2 数值模拟结果及分析

2.2.1 巷道分步掘进过程中煤柱中支承压力分布状况

图5 轨道巷掘进过程中支承压力分布图

图6 皮带巷掘进过程中支承压力分布图

图5为南九轨道巷掘进过程中煤柱上的支承压力分布图和支承压力分布曲线。

巷道之间的煤柱直接影响到巷道围岩应力的分布和大小，从而影响围岩的稳定性，主要是由于相邻巷道间的开掘会在煤柱上形成支承压力集中，并且应力集中程度随着煤柱的宽高比不同而不同[5,6]。由图5知轨道巷开挖过程中在煤柱中形成应力集中，靠近煤柱一侧支承压力峰值为21.5MPa，峰值距煤帮的距离为3.2m，当围岩应力超过围岩自身的强度时，会造成巷道周围的岩体发生局部破坏、应力松弛和塑性变形。远离煤柱一侧巷道围岩中的应力峰值为20.8 MPa，应力集中程度低于煤柱一侧，支承压力峰值距煤帮的距离为2.0m，由此可见，靠近煤柱一侧支承压力峰值深移，会加剧煤柱内部的破坏。

图6为南九皮带巷掘进过程中煤柱上的支承压力分布图。

由图6可知，皮带巷的开挖同样造成了围岩应力的重新分配，在靠近煤柱一侧，支承压力峰值为21.0 MPa，峰值距煤帮的距离为3.07 m，在远离煤柱一侧支承压力呈负指数形式衰减，峰值为20.9 MPa，距煤帮的距离为2.14m。皮带巷与与轨道间的煤柱中央形成的支承应力相互叠加，煤柱中央支承压力最低值为16.3 MPa，应力集中系数为1.18，虽然煤柱中央的支承压力较高，然而由于煤柱中央处于三向受力状态，极限承载力显著提高，而靠近巷道两帮处的围岩处于双向应力状态，承载力很低，不利于巷道两帮的稳定。

图7为南九回风巷掘进过程中煤柱上的支承压力分布图。

图7 回风巷掘进过程中围岩支承压力分布图

由图7知，南九回风巷与皮带巷之间的煤柱宽度为27 m，回风巷在掘进过程使得皮带巷围岩的应力重新分配，在靠近与轨道巷间煤柱一侧，支承压力峰值为20.3 MPa，距煤帮的距离为2.17 m，在远离煤柱一侧支承压力峰值为20.2 MPa，距煤帮的距离为2.04m。回风巷与与皮带间的煤柱中央形成的支承应力相互叠加，煤柱中央支承压力最低值为15.6 Pa，由于回风巷和皮带巷之间的煤柱宽度要高于皮带巷和轨道巷之间的煤柱宽度，前者在煤柱中形成的支承压力集中程度也略低于后者，会对煤柱的稳定性产生显著影响[7]，因此在支护过程中要特别注意煤柱的维护。

皮带巷在掘进过程中会与轨道巷间的煤柱内形成高应力场，使得巷道靠近煤柱一侧的煤帮稳定性降低。并且皮带巷在掘进完毕后，还要受到回风巷掘进的影响，皮带巷又和回风巷在煤柱中的垂直应力场相互贯通，在高应力场的影响下煤柱的稳定性降低。皮带巷的两帮垂直应力高度集中，而水平应力处于卸压状态，同时再与轨道巷和回风巷在煤柱中形成的垂直应力场相互贯通并叠加，煤柱应力集中程度增强，在垂直方向高应力集中和水平应力横向卸压双重作用下，使得皮带巷围岩始终处于高应力状态，易造成围岩的稳定性差，巷道的变形量加剧。

3 小结

（1）杜儿坪矿2号煤皮带巷的最大水平主应力为13.67 MPa，方向为北偏东9°，最小水平主应力为6.94 MPa，直接顶板为粉-细砂岩，强度介于60 MPa～80MPa之间。

（2）轨道巷、皮带巷和回风巷在煤柱中形成的支承压力峰值呈递减趋势，分别为21.5 MPa、21.0 MPa和20.3 MPa，且峰值距煤帮的距离也逐渐降低，分别为3.2 m、3.07 m和2.17 m。皮带巷在掘进过程中，会受到轨道巷和回风巷开挖形成的支承压力的双重影响，两帮的稳定性差。

（3）皮带巷两帮在垂直方向高应力集中和水平应力横向卸压双重作用下，使得巷道围岩始终处于高应力状态，会造成围岩的稳定性降低。

[1]康红普，林 健.我国巷道围岩地质力学测试技术新进展[J].煤炭科学技术，2001,29（7）：27-30.

[2]朱维申，李术才，陈卫忠.节理岩体破坏机制和锚固效应及工程应用[M].北京：科学出版社，2002.

[3]康红普，林 健，张 晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用[J].岩石力学与工程学报，2007，26（5）：929-933.

[4]康红普，林 健.山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究[J].地球物理学报，2009，52（7）：1782-1792.

[5]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[6]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M].北京:煤炭工业出版社,1991.

[7]柏建彪，侯朝炯，黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(20)：3475-3479.

Application of Geological Mechanics Testing in Strata Pressure Study for Roadways

GAO Ying-shan,WANG Jun-hu
(Duerping Mine,Xishan Coal Electricity Group,Taiyuan Shanxi 030022)

Geological mechanics testing results on the No.2 belt lane in Duerping mine were used in strata pressure study.Then the conclusion shows:while the maximum horizontal principal stress is13.67MPa, the minimum value is6.94Mpa;the direction of maximum horizontal principal stress is9 degrees north by east;and direct roof of the lane consists of fine sandstone and siltstone,with strength changing between60 to80Mpa.In the course of drifting,the belt lane is influenced by double support pressure by track lane and return airway.The surrounding rock stability of two sides of the lane decreases under the action of vertical high-stress concentration and lateral pressure release.

geological mechanics testing;coal pillar;support pressure

TD353

A

1672-5050（2012）09-0054-04

2012-02-21

高应山（1963—），男，山西大同人，大学本科，工程师，从事采煤技术工作。

樊 敏