平朔井工三矿9 煤巷道围岩地质力学参数原位测试与分析

高志超

（中煤平朔集团有限公司井工三矿，山西 朔州 036006）

煤岩体地质力学参数是煤矿巷道支护设计的基本参数[1-2]，在井下巷道支护初始设计或优化设计时，需要对煤岩体强度、结构及地应力等参数进行测试[3-5]。强度测试一般分为实验室测试与原位测试；地应力测试多采用钻孔应力解除法和水压致裂法；巷道围岩结构则主要用窥视仪直接观测。平朔井工三矿9 煤赋存条件相对较差、地质构造条件复杂，因此获取9 煤巷道围岩地质力学参数对煤层巷道锚杆支护作业的进行具有重要意义。本文选用钻孔窥视仪、SYY-56 型水压致裂地应力测量仪、WQCZ-56型围岩强度测试装置对井工三矿9 煤巷道围岩进行原位测试和分析，为井工三矿9 煤巷道支护工作提供设计参数和技术保障。

1 现场测试方案

1.1 现场测试原则

为减小客观因素对观测成果的影响，现场观测应遵循以下原则：确定测站位置时，应避开大的巷道群和构造带；尽量使测站顶板保持完整；确保巷道高、宽均满足施工作业要求；水、电、通风及运输系统必须完备；测站之间应保持一定距离。每个测站设置两个钻孔，分别为顶孔和煤帮孔，直径均为56 mm。顶孔铅垂布置，深度约20 m；煤帮孔深度约10 m，近水平布置，但需要略微倾斜，避免因积水不能顺利排出而影响测试结果。

1.2 测站位置

在9 煤二采区已掘巷道中选取三个测站进行地质力学测试，其中第1 测站位于9 煤二采区39204辅运巷内320 m 处，该测站实际巷宽5.2 m，巷高3.5 m；第2 测站位于39204 主运巷480 m 处，该测站实际巷宽5.2 m，巷高3.4 m；第3 测站位于39204 主运巷50 m 处，该测站巷高3.5 m，巷宽5.2 m。各测站具体位置如图1 所示。

图1 测站位置示意图

2 现场测试结果

2.1 顶板岩层分布及结构

对岩层结构的观测选用电子钻孔窥视仪直接观测。综合分析窥视仪图像、水样记录和相关地质资料后，得到各个测站顶孔观测结果。

第1 测站观测结果：顶板以上0～12.8 m 以黑色暗煤为主，离层较多且伴有少量裂隙和数层夹矸；9.1～9.7 m 处夹矸较多，煤体离层内有大量黄泥渗出，煤壁破碎，煤体完整性一般；12.8～17.2 m 为灰色中粗砂岩，砂质胶结，层状结构伴有少量裂隙，13.1 m 处有0.1 m 左右泥岩夹层，岩层完整性很差且薄夹层较多；17.2～20.4 m 为黑色层状砂质泥岩，泥质胶结伴有少量离层裂隙，间有多层夹层，岩层较为完整。该测站顶部岩层结构观测图如下页图2 所示。根据观测结果，将测试段定于测距孔口15.9 m 处，该处岩层完整性较好，适合进行水力压裂。

图2 测站1 顶部岩层结构观测图

第2 测站观测结果：顶板以上0～9.6 m 为黑色半暗型煤，多层夹矸，离层较多，破碎严重，内生裂隙发育，煤体不完整；9.6～11.1 m 为灰白色中粗砂岩，砂质胶结，但胶结度低，内生裂隙较发育，浅部夹少量砾石，岩层完整性较差；11.1～20.4 m 为粗砂岩，中间为泥岩夹层并伴有一定数量的原生裂隙，局部存在较为明显的破碎带。根据测试结果，将测试段定于顶板以上14.8 m 处，该处岩层为中粗砂岩，岩层结构满足要求，适合进行水力压裂。

第3 测站观测结果：顶板以上0～11.2 m 为黑色半暗型煤，煤壁破碎，大量离层伴有少量夹石，并有多层夹矸，10.0～10.3 m 处夹矸较厚，局部有氧化空洞现象，煤体不完整；11.2～16 m 为灰白色中粗砂岩，砂质胶结，但胶结程度较低，伴有大量离层裂隙，岩层完整性较差；16～20.4 m 为粗砂岩，灰色，砂质胶结，17.3～17.5 m 处为泥岩夹层，离层较多，局部砂岩含砾，岩层不完整。水力压裂测试位置定于距孔口15.9 m处，该岩层完整性相对较好，适合进行水力压裂。

2.2 地应力测试结果分析

通过对测站顶板结构进行观测、测量段进行标定和压裂，再选用SYY-56 型水压致裂地应力测量仪来获取水力压裂曲线。通过软件对曲线进行分析得出重张压力、瞬时关闭压力及破裂压力数据，进一步计算得到垂直应力值和水平主应力的最大值及最小值。完成孔壁岩石的压裂后，对压裂部位进行印模和定向。结合印模基线和裂缝的夹角与印模器基线和指南针北向的夹角，计算得到各个测站不同应力的方向。各测站的数据计算结果如表1 所示。

表1 地应力测试试验结果

对现场测试的成果进行分析，结论如下：三个测站的垂直应力最大值为4.98 MPa，最大水平主应力最大值为6.41 MPa，最小水平主应力最大值为3.56 MPa。应力区区间划分的判断依据如表2 所示。由此可判断9 煤地应力在量值上整体属于低应力场。三个测站最大水平主应力方向主要集中在N25.70°W～N62.60°W 之间。分析认为，测点处埋深较浅、区域构造和地形地貌的影响是造成最大水平主应力方向间存在偏差的主要原因。

表2 应力区划分区间

2.3 围岩强度测试结果分析

地应力测试结束后，再分别对顶板和巷道煤帮孔以上10 m 范围内的岩石和煤体进行原位测试。对测试数据进行整理和计算后得到各测站煤帮和顶板强度结果，具体如表3 所示。

表3 巷道围岩强度测试结果

第1 测站测试结果：煤帮10 m 范围内大部分的煤体强度在10～25 MPa 之间，且煤体强度曲线在5.3～6.3 m 段波动较大，说明该段存在较为明显的裂隙。经计算：煤帮10 m 范围内煤体强度平均值为19.83 MPa，煤体强度较高。

第2 测站测试结果：测试范围内大部分煤体强度在10～25 MPa 之间，煤帮孔5.5～10.0 m 范围内存在较为明显的裂隙，经计算，煤帮10 m 范围内煤体强度平均值为18.82 MPa，煤体强度较高。

第3 测站测试结果：测试范围内大部分煤体强度在15～25 MPa 之间，煤体较完整，经计算煤帮10 m 范围内煤体强度平均值为20.36 MPa，煤体坚硬。

通过上述强度测试，对测试成果进行计算和分析后可得：9 煤巷道顶煤强度大多集中在20 MPa 左右，煤体中含有夹矸和破碎带，这也是造成顶板强度测试曲线波动较为明显的主要原因。煤帮强度大多集中在15～25 MPa 的范围内。经计算，煤帮强度平均值为19.34 MPa，强度较高。

3 结论

1）9 煤巷道顶煤裂隙发育和普遍存在夹矸是导致顶煤完整性较差的主要原因，严重降低了煤体整体强度。老顶砂岩离层现象明显，内生裂隙较为发育，普遍存在泥岩夹层且岩层较为破碎，顶部可能发生突发性破坏，应加强巷道变形监测。

2）地应力测试中，垂直应力最大值为4.98 MPa；最大水平主应力方向集中在N25.70°W～N62.60°W 之间，最大值为6.41 MPa，最小水平主应力最大值为3.56 MPa，9 煤巷道所受地应力在量值上整体属于低地应力场。

3）9 煤巷道顶煤处大部分煤体强度集中在20 MPa 左右；煤帮处大部分煤体强度集中在15～25 MPa之间，煤体强度平均值为19.34 MPa，煤体较坚硬。