水峪煤矿井下地质力学原位测试与分析

赵帅

（汾西矿业集团公司生产处 山西介休032000）

煤岩体地质力学参数是煤矿井下采掘工程设计及施工的基础，将地质力学测试成果应用到煤矿巷道支护等采矿工程设计中可提高设计的科学性[1]。煤岩体地质力学参数可分为三大类：应力参数、变形与强度参数及结构参数[2]。煤矿井下地应力测试方法主要包括水压致裂法和钻孔应力解除法[3-4]，煤岩体强度测试包括现场测量和实验室试验两种方法，而结构观察主要采用钻孔窥视仪。本文在汾西水峪煤矿采用直径φ56 mm的小孔径煤岩体地质力学成套测量装备，完成了6个测点的地应力测量，12个测点的煤岩体强度与结构测试，分析并总结了水峪煤矿井下地应力场分布规律，巷道围岩强度变化特征，以及巷道围岩结构发育特征，为矿井巷道支护设计等采掘工程提供了基本数据，有效地提高了锚杆支护设计参数的可靠性。

1 测试方案

1.1 井田区域地质特征

水峪煤矿井田黄土分布广泛，仅在沟谷中有少量基岩出露，地层走向西部为NE，东部为NW，倾向西部为SE，东部为NE，倾角一般小于10°，北部及西部倾角较大。井田位于阳泉曲～汾西盆状复向斜的北部偏东，受区域构造的影响，井田内地层平缓，倾角一般不大于15°，以NE向宽缓的波状起伏为基本构造形态,较大的为轴向NW前驿马向斜，两翼倾角5°～15°，区内延伸5 400 m。井田内发现断层3条（偏店断层、F15、F16），均为正断层，倾角70°，无陷落柱及岩浆岩侵入。

1.2 测量装置

水峪煤矿地质力学测试设备采用小孔径煤岩体地质力学成套装置在井下进行，该测量装置可在1个直径为φ56 mm的小孔径钻孔独立完成地应力、强度及结构等3个地质力学基础参数的现场测量[5]，其中地应力和围岩强度测量原理见图1。

图1 地质力学测试原理

1.3 测点布置

水峪煤矿井下巷道进行了6个综合测站的地应力、围岩强度与围岩结构测试，测点布置见图2。

第1测点位于十采区集中轨道巷2号车场，测点处埋深509 m；第2测点位于十采区轨道巷1 130 m处，埋深为635.7 m。第三测点位于10211材料巷1号钻场160 m处，埋深为626 m，第四测点位于10211材料巷8号钻场480 m处，埋深为646.6 m；第五、第六测点分别位于十采区皮带巷1 140 m和1 660 m处，埋深分别为655 m和634 m。

图2 水峪煤矿地质力学测站布置

2 地应力测试与分析

水峪煤矿6个测点均布置于十采区，见图2所示，地应力测量结果见表1，典型主应力破裂方向印模曲线见图3。

表1 水峪煤矿水压致裂地应力测量结果

由表1和图3，水峪煤矿6组测点均取得了理想的压裂曲线和印模结果，数据可靠。根据相关判断标准：0 MPa～10 MPa为低应力区，10 MPa～18 MPa为中等应力区，18 MPa～30 MPa为高应力区；大于30 MPa为超高应力区。根据相关地应力量级标准，水峪煤矿十采区为中等水平，为σV＞σH＞σh型应力场，以自重应力为主。第1和2测点最大水平主应力方向为N9.8°E～N2.5°E，优势方向为NNE方向；第三至六测点最大水平主应力方向为N4.9°W～N70.1°W，为NNW-NWW方向。

3 围岩结构观测与分析

利用地应力测量钻孔，水峪煤矿完成了12个测点的围岩结构钻孔窥视，典型围岩钻孔成像见图4。由图4，顶板0 m～1.7 m为泥岩，呈灰黑色，岩层较为完整，裂隙发育程度低，无明显裂隙；7 m～5.8 m为泥质砂岩，呈深灰黑色，泥质胶结，其中1.7 m～4.8 m岩层完整；4.9 m有微裂隙，4.9 m～5.8 m岩层完整；顶板5.8 m～6.5 m为泥岩，黑色，泥质胶结，无明显裂隙，岩层较为完整。钻孔成像结果表明顶板6 m范围内无明显裂隙发育，完整性好，非常有利于锚杆锚索锚固质量和控制围岩效果[7]。煤帮孔沿轴向0 m～1.7 m煤体完整性较好，无明显裂隙，1.8 m～4.3 m煤体裂隙发育完整性差，4.3 m～6.7 m煤体完整性好，6.7 m～8.3 m煤体比较破碎，8.3 m后帮孔塌孔无法继续窥视。帮部煤体在1.8 m～4.3 m、6.7 m～8.3 m较为破碎。

水峪煤矿围岩结构测量表明，巷道顶板锚杆锚索控制范围煤岩体结构相对完整，节理裂隙等软弱结构面不发育，对于锚杆锚索树脂锚固提供了良好的围岩环境，有利于发挥锚杆和锚索控制围岩的作用。

图4 围岩结构钻孔成像图

4 围岩强度测试与分析

水峪煤矿利用地应力测试钻孔测量了围岩强度，典型钻孔围岩强度测量结果见图5。由图5(a)，顶板0 m～1.7 m为泥岩，平均强度为29.78 MPa，普氏系数为2.9；1.7m～5.8 m范围为泥质砂岩，平均强度达48.94 MPa，且强度变化幅度不大，说明岩层均匀性高、完整性高，这对于保持自身稳定性具有重要的作用，泥质砂岩强度较高，有利于锚杆、锚索的锚固；5.8 m～6.5 m为泥岩，平均强度为26.74 MPa，岩层的强度低；6.5 m～10 m为泥质砂岩，平均强度达46.58 MPa，强度变化幅度不大，岩层完整性好。由图5(b)，煤体强度平均值为13.70 MPa，普氏系数为1.3，煤层的强度低，并且可以看出煤帮的的波动幅度大，反映出煤帮的完整性较差，同结构窥视图对应性强，煤帮的强度低，必须测试帮部煤体的锚固力，强化对帮部的控制。

图5 围岩强度测试结果

5 结论

(1)水峪煤矿十采区地应力量级为中等水平，且以自重应力为主，地应力场为σV＞σH＞σh型重力场，最大水平主应力方向为N9.8°E～N2.5°E，优势方向为NNE方向，以及N4.9° W～N70.1° W，优势方位为NNW-NWW方向。

(2)水峪煤矿十采区巷道顶板10 m范围内由泥岩和砂质泥岩组成，泥岩平均强度为29.78 MPa，泥质砂岩平均强度达48.94 MPa，煤体强度平均值为13.70 MPa。

(3)巷道顶板锚杆锚索支护范围煤岩体结构完整，无明显的节理裂隙等软弱结构面，为安装锚杆锚索提供了良好的围岩环境，有利于树脂锚杆锚索控制围岩。

(4)水峪煤矿开展了地应力、围岩强度和围岩结构等基础地质力学参数现场测试，为矿井采煤设计和巷道支护参数选择提供了基础数据和理论依据。