地质力学原位测试在阳辿煤矿的实践与应用

2020-06-28郭晋平董徐良李庆中

煤矿现代化 2020年4期

郭晋平，董徐良，李庆中

（山西阳辿煤业有限公司，山西长治 046000）

0 引言

煤矿地层是经地壳漫长运动形成的结构复杂的煤岩层地质体，分析掌握煤岩体物理力学性质等基本参数，对于矿井开拓布局及井巷支护设计具有重要的作用。煤矿井下的各种地质灾害的发生，如悬顶不垮、冲击地压及煤与瓦斯突出等事故的发生均与地应力、煤岩体物理力学性质、断层褶曲等地质构造息息相关，因此，只有获得全面、详细的煤岩体地质力学参数才能针对各种煤矿灾害提出有效的预测与防治方法。

1 井田概况

阳辿煤矿井田位于山西省东南部，隶属山西沁水煤田，井田整体呈单斜构造，方向为由北向西，倾角为3°～9°左右，地质构造属于简单类型，主要可采煤层为2号、3号和15号煤层，现开采煤层为15号煤层，煤层平均厚度3.41m，结构相对复杂，内部含有1～2层夹矸，煤层基本顶主要为K2灰岩，直接顶为泥岩和砂质泥岩互层，直接底主要以泥岩为主。目前，矿井迫切需要通过井下地质力学测试充分了解和掌握试验巷道围岩物理力学信息，在此基础上进行全面、系统的巷道支护参数设计、支护材料选择以及施工机具的配备；以期形成先进、实用的巷道锚杆支护成套技术，以实现对井巷围岩变形的有效控制；在保证巷道空间安全的基础上，尽量降低支护成本支出，实现矿井技术及经济效益的双向提升。

2 地质力学原位测试方法优选

2.1 地应力测试

就国内现有技术而言，对于地应力测试主要有如下几种方法：①应力恢复法；②应力解除法③水压致裂法；④地球物理方法；⑤地质构造信息法。这其中主要以应力解除法及水压致裂法易于在井下进行实际操作而应用最为广泛，其他方法仅仅作为辅助手段加以使用。而水压致裂法具有测量深度深、速度快、操作及使用简单、受地质环境因素影响较小而使用最为广泛，便于在煤矿井下进行实际测量操作。

2.2 巷道围岩强度测试

巷道围岩强度测试分为实验室和现场测试，但是实验室测试无法测试岩体的结构面对岩石物理性质的影响，因此实验室所测得的岩块物理力学参数与井下岩体的真实性质会有较大的差别。因此掌握煤矿井下围岩的真实情况，最佳方法即在井下进行现场原位测试，现场测得岩体的各项指标，这样可对井下岩体的性质做相对精准的描述判断。在进行井下原位测试时，主要采用钻孔探触法，该方法具有测定结果真实、测量范围广、测量简单经济而被广泛使用。

2.3 围岩结构观测

受地壳活动的影响，地层岩体在形成过程中，不可避免的会产生各种结构面，岩体中存在的各种结构面对岩体力学性质的影响会远大于其自身岩石材料性质的影响。岩体发生的各种变形破坏及力学性质的变化很大程度上均与其内部结构面有关系。因此研究岩体及岩块物理力学参数性质前，需要采取相关技术手段对井下煤岩体如节理、裂隙等结构面进行观测。

3 地质力学原位现场测试

3.1 测点布置要求

根据阳辿煤矿已经开拓区域条件，选择在已掘巷道中布置2个测点，如图1所示。在15101回风顺槽和15101工作面联巷各设置一个测点，每个测点在巷道顶板及巷帮设置两个测孔，测孔的开孔直径均为58mm，其中顶板孔垂直于巷道顶板布置，孔深度为20m，巷帮孔与水平方向呈3～5°倾斜布置，孔深约为10m，按一定倾角布置可使钻孔施工过程中的水沿孔口流出，以防止钻孔孔壁受水浸润而导致强度测试结果偏差过大，顶板钻孔施工完后需用水将孔壁内的岩屑清洗，以保证测量效果。

图1 15101测点位置示意图

第一测点布置在15101回风顺槽750m处，150101工作面回风顺槽开口位于1501采区轨道巷620m处，按方位角143°33′0″向东南方向掘进1209m。150101回风顺槽掘进工作面位于矿井西南部，工作面东南方向布置，属煤层巷道。巷道选用矩形断面，净宽4m，净高3.3m，沿着15号煤层顶板掘进，埋深约209m，采用锚杆+梯子粱+铁丝网+锚索支护。

第二测点因有皮带无法架钻机，所以布置在靠近15101运输顺槽的联巷中，测点位置巷道断面设计为矩形，沿15号煤顶板掘进，采用锚杆+梯子粱+铁丝网+锚索支护，测点处巷高3.5m，埋深约209m。

3.2 围岩结构分布及结构观测

对两个测点的钻孔内部围岩结构进行了窥视，均取得了清晰、直观的顶板岩体和对应巷帮围岩体结构观测数据，其中第一测点巷帮岩体结构观测结果如图2所示。第一测点帮孔钻孔沿轴向0～1.0m受开掘影响，有少量微裂隙，1.0～10.0m煤体比较完整。第二测点帮孔钻孔沿轴向0～0.5m因开掘原因，有少量裂隙，其中开孔0.5～2.6m完整，2.6～3.2m有少量裂隙，3.2～9.9m孔壁完整。两个测点顶板岩层围岩结构窥视图受文章篇幅所限未进行附图，由现场两测点窥视结果分析可知，15101工作面顶板10m范围内的岩层主要由粉砂岩、细砂岩和石灰岩构成，该范围内岩层结构及性质与巷道支护参数选择息息相关。总体来说两个测点的顶板岩层较为坚硬，完整性较好，仅仅在局部区域出现一定的破碎现象。巷帮岩体观测结果表明，帮孔完整性相对较好，现有支护有效的控制了巷帮岩体的变形。

图2 第一测点顶板岩层结构观测结果

3.3 地应力测试

由顶板结构窥视结果，对水压致裂地应力测量段进行标定后进行压裂，在压裂过程中对压力的变化进行实时监测，数据的监测选用SYY-56型地应力测量仪进行，第一测点和第二测点的水力压裂曲线分别如图3和图4所示。

图3 第一测点水力压裂曲线

图4 第二测点水力压裂曲线

通过数据处理表明，所测区域第一测点最大水平主应力值为9.76MPa，最小水平主应力值为5.23MPa，垂直应力值为3.75MPa；第二测点最大水平主应力值为11.13MPa，最小水平主应力值为6.07MPa，垂直应力值为4.76MPa。两个测点的地应力测量值均未超过10MPa，根据地应力划分标准，可知测试区域均为低应力区，最大水平主应力方向为NW～NNW方向。

3.4 围岩强度测试

地应力测量完成后，选用WQCZ-56型围岩强度测试装置对顶板及巷帮10m范围内的岩体强度进行了原位测试，由于第一测点未能做成强度测试，第二测点巷帮及顶板强度测试曲线分别如图5和图6所示。

分析可知，第二测点顶板上方0～1.5m范围主要为粉砂岩、1.5～4.4m为细砂岩、4.4～5.4m为14号煤、5.4～10.0m为石灰岩，岩层平均抗压强度分别为64.19MPa、69.66MPa、17.22MPa 和大于 120MPa，而巷帮煤体平均抗压强度值为14.44MPa。总体来说煤层顶板岩层比较坚硬，岩层整体完整性较好，巷帮煤体完整性也较好。