新元矿9#煤层地应力及围岩力学参数实测与分析

韩纪周

（新元煤炭有限责任公司，山西 寿阳 045499）

煤岩体作为一种极其复杂的地质体，其具有两大特点： 其一为煤岩体内部含有各种各样的不连续面，这些不连续面的存在会显著改变岩体的强度和变形特征；其二为煤岩体内含有地应力，地应力的大小和方向都会显著影响围岩的变形和破坏，因此在巷道支护方案设计前，通过煤岩体的地质力学测试掌握其地应力分布及围岩强度特征，能够提高工程设计的科学性、 合理性和安全可靠性[1-4]。 目前煤矿地应力测试常采用的方法主要为应力解除法和水压致裂法。 由于水压致裂法测试地应力时工序简单，测试数据准确度高，应用较为广泛，如刘云鹤采用水力压裂法在西铭矿进行围岩物理力学测试得出围岩的力学参数[4]，坪上煤矿通过水力压裂法测试地应力，基于测试结果设计优化了支护参数[5]。 基于国内外众多工程经验[6-7]，结合新元矿9#煤层特征，确定采用水力致裂法进行地应力测试；巷道围岩强度测试采用测试仪器在现场进行原位测试。

1 工程概况

9#煤层为新元煤矿主采煤层，煤层平均埋深为620 m，煤层均厚为3.40 m，平均倾角2°，煤层普氏硬度在1.5 以下，属于松软煤层。 煤层顶板岩层为砂质泥岩、8#煤层和细粒砂岩，底板岩层为砂质泥岩、细粒砂岩，煤层及顶底板赋存情况如图1 所示。 9#煤层回采巷道沿煤层顶板掘进，回采巷道的成巷高度为5.5 m，回采巷道属超高巷道。

图1 9#煤层顶底板岩层特征

本次开展9#煤层地应力及围岩强度的测试分析，主要是为后续回采巷道支护方案的设计及优化提供基础参考。 采用小孔径水压致裂法在9#煤9105 进风巷集中辅助运输大巷现场进行原位测量，测试内容包括地应力、围岩结构和围岩强度。本次测试共布置3 个测点，第一测点、第二测点分别位于9#煤9105 进风巷200 处与310 m 处，测点所在巷道沿8#煤层顶板掘进，测点埋深为640 m；第三测点位于9#煤集中辅助运输大巷2 300 m 处，测点所在巷道沿8#煤层顶板掘进，测点埋深为645 m，如图2 所示。

图2 测点布置平面

2 水力压裂法地应力测试

进行地应力测试前，采用钻孔窥视仪进行顶板结构观测。 通过钻孔窥视对压裂地段进行标定，再通过SYY-56 型水压致裂地应力测量仪对测点位置处的压裂时间和压力进行有效监测；通过监测数据能够得出水力压裂曲线图，进而通过分析软件能够计算得出测点处岩体的破裂压力、 重张压力和瞬时关闭压力；进一步结合水力压裂地应力测试的相关研究结论能够计算得出最大、 最小水平主应力和垂直应力值[4-6]。 应力方向通过压裂部位的印模和定向获取水压裂缝的走向，进而获取印模基线和压裂裂缝之间的夹角，最终能够确定出测点各个应力的方向。

将现场测定数据输入分析软件计算得出的破裂压力Pb、重张压力Pr、瞬时关闭压力Ps值的数据如表1 所示。

表1 测点位置信息及测定数据

图3 不同测点处水力压裂曲线

根据现场数据可知，第一测点测试段岩性为泥岩，平均强度值为48.07 MPa，测试段埋深约628.5 m；第二测点测试段岩性为砂质泥岩，平均强度值为56.81 MPa，测试段埋深为624.5 m；第三测点测试段岩性为砂质泥岩，平均强度值为53.70 MPa，测试段埋深约631.5 m。 将现场测定数据输入分析软件计算可得各测点的应力数值如表2 所示。

表2 不同测点处应力数值

具体三个测点的地应力分布情况如图4 所示。

图5 地应力测试结果

通过对测试结果分析可以得到：

（1）根据相关判断标准：地应力区划分为四个等级，分别为低应力区、中等应力区和高应力区和超高应力区，划分范围分别为0～10 MPa、10～18 MPa、18～30 MPa、大于30 MPa[7-8]，结合三个测点的地应力测试数据能够得出9#煤层测试区域地应力场属于中高等应力值区域。

（2）9#煤层以自重应力场为主，垂直应力占优势。 巷道支护设计和施工过程中，分析巷道围岩变形破坏原因时应给予区别。

（3）最大水平主应力方向一致性较好，大部分集中在主导优势方向N60°E～N80°E 之间，所测区域最大水平主应力优势方向为NEE向，近东西向。

3 巷道围岩强度测试

各个测点地应力测试完毕后，分别在地应力测试钻孔内部采用WQCZ-56 型围岩强度测试装置进行围岩强度的测试分析。 围岩强度测试主要对顶板和煤体强度进行测试，顶板测试主要对巷道顶板以上10 m 范围，煤体强度测试通过在煤帮打设钻孔的方式进行，顶板及煤体强度测试均属于岩体原位强度测试。

测试结果如图6 所示。

图6 围岩强度测试结果曲线

第一测点顶板以上0～2.5 m、2.5～10.0 m分别为炭质泥岩和砂质泥岩，强度平均值分别为25.45 MPa 和53.68 MPa；第二测点顶板以上0～3.0 m、3.0～10.0 m 分别为炭质泥岩和砂质泥岩，强度平均值分别为23.53 MPa 和53.79 MPa；第三测点顶板以上0～3.0 m、3.0～10.0 m 分别为碳质泥岩和砂质泥岩，强度平均值分别为23.53 MPa 和53.79 MPa。

基于巷帮煤体强度的原位测试结果得出：9#煤强度平均值为13.87 MPa。

综合上述分析可知，9#煤层顶板以上10 m范围内岩层岩性主要为炭质泥岩和砂质泥岩，炭质泥岩中夹小煤，胶结疏松，强度平均值为23.37 MPa，砂质泥岩强度平均值为53.51 MPa。9#煤体强度平均值为13.87 MPa。 总体来看，9#煤顶板强度低，裂隙发育，煤层强度相对偏低。

4 结论

1）9#煤测试区域地应力场在量值上属于中高等应力值区域；9#煤测点最大水平主应力为17.40 MPa，最小水平主应力最大值为10.04 MPa，其应力场类型以σv＞σH＞σh型应力场为主，测区内垂直应力占优势。 最大水平主应力方向主导方向为NEE 方向。

2）9#煤层顶板以上10 m 范围内岩层岩性主要为炭质泥岩和砂质泥岩，炭质泥岩强度平均值为23.37 MPa，砂质泥岩强度平均值为53.51 MPa。 9#煤体强度平均值为13.87 MPa。煤层顶板强度低，裂隙发育，煤层强度相对偏低。

3）根据地应力测试结果可知，水平主应力对巷道顶底板的影响作用大于对巷道两帮的影响，垂直应力主要影响巷道两帮煤岩体的受力和变形，建议在进行巷道支护设计和施工时分区域考虑；根据9#煤层煤体松软的特点，建议应加强对巷帮煤岩体的控制，抑制由于巷帮围岩变形对巷道顶底板围岩产生的挤压破坏。