葫芦素井田深部巷道原位地质力学测试

李永元，邓文彬

(新疆大学建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

在煤矿开采过程中，地应力对井巷工程设计、施工、稳定性评价等具有重要的意义[1]。为满足工程需求，世界上各国科研工作者提出的地应力测试及估算方法有数10种，并在大量的工程实践过程中得到有效检验[2-5]。现阶段，水压致裂法被广大学者普遍认为是较为通用的地应力检测方法[6]。其具有设备简单、环境适应性强、测试周期短、测试深度深、不需弹性参数参与计算等突出优点，是当前学界公认和普遍推介的方法之一[7-9]。为探明葫芦素煤矿的地应力分布情况，为井巷工程施工方法的选择以及工作面巷道的稳定性分析和支护设计提供依据，在东翼辅助运输大巷、永久避难硐室、西翼回风巷和21102工作面副回风巷等位置开展了4个钻孔的水压致裂法地应力测试工作。

1 地质概况

葫芦素井田地理位置归属乌审旗，按照东胜煤田发展方向，其属于东胜煤田西南边界的延伸，具体位置在旗东北方向，紧邻伊旗南部边界。总体构造形态为一向北西倾斜的并发育有次一级波状起伏的单斜构造。区内地形总体趋势是东南部较高，西北部较低。地面标高为+1 341.20 m；最低点位于井田西部边缘，海拔标高为+1 304.50 m。最大地形高差为36.7 m。

井田内含煤地层为侏罗系中统延安组，该组地层平均厚度282.66 m。其中含可采煤层8层，次地应力测试针对2-1煤层和2-2煤层如图1所示。

图1 矿井煤层综合柱状

2 测试方法与原理

2.1 水压致裂法地应力测量

σh=Ps-γwh(最小水平主应力)

σv=γH(垂直应力)

σH=3Ps-Pr-2γwh(最大水平主应力)

水压致裂应力原理，如图2所示。

图2 水压致裂应力原理

2.2 钻孔触探法围岩强度测量

通常情况下，检测围岩强度是在实体巷道中施工围岩钻孔后实施的[10]。具体实施过程是：通过安装杆和升降器将检测探头装入钻孔当中，通过手动油泵对探头进行加压，使其内部探针在油压驱动下发生位移，同时这一位移量由探针位移计进行实时记录。通过不断的加压，通过探针传递给钻孔围岩的压力达到临界破坏强度，之后发生钻孔壁岩体破坏。这一过程中压力表会记录下临界破坏强度时压力读数临界破坏压力值Pm。之后通过换算，便可以计算出该孔位围岩的单轴抗压强度值。水压致裂地应力测量及WQCZ-56围岩强度测定如图3、4所示。

图3 水压致裂地应力测量示意

图4 WQCZ-56围岩强度测定原理示意

3 现场测试与结果分析

3.1 测点布置

根据实际应用需求，同时尽量减小钻孔施工及测试对煤矿生产的影响，研究决定在矿井已掘巷道选取有代表性的测点共4组，分别布置在矿井2-1和2-2煤层中。第一测点位于2-2煤层东翼辅助运输大巷中，距永久避难硐室50 m处；第二测点位于井下永久避难硐室中，巷道断面呈半圆拱形，为半煤岩巷道，全长74.8 m；第三测点位于2-1煤层西翼回风大巷中，位于风井井筒以南，以270°方位角向西沿2-1煤层顶板布置，东侧为风井临时煤仓及2-1煤层东翼回风大巷；第四测点位于21102工作面副回风巷中，距2-1煤东翼辅助运输斜巷口10 m，测点处埋深634.8 m。测点位置如图5所示。

图5 第一、第二测点位置示意

3.2 顶板岩层分布及结构观测

第一测点钻孔结构观测：测点位于2-2煤层东翼辅助运输大巷。

第二测点钻孔结构观测：测点位于井下永久避难硐室。

第三测点钻孔结构观测：测点位于2-1煤西翼回风大巷中。

第四测点钻孔结构观测：测点位于21102工作面副回风巷。

图6 第一测点顶板岩层结构观测结果

通过观测分析得：①通过第一测点的钻孔观测结果，综合分析可以得到，顶板以上13.9～15.3 m岩层较为完整，适合进行水力压裂试验。②通过第二测点的钻孔观测结果，综合分析可以得到，顶板以上12.4～13.1 m岩层相对较为完整，适合进行水力压裂试验。③通过第三测点的钻孔观测结果，综合分析可以得到，顶板以上13.9～15.2 m岩层相对较为完整，岩性单一，适合进行水力压裂试验。④通过第四测点的钻孔观测结果，综合分析可以得到，顶板以上15.0～15.8 mm岩层相对较为完整，岩性单一，适合进行水力压裂试验。

3.3 地应力测试与分析

通过软件统计计算，得出以上测点水压曲线数据处理结果见表1。

综上统计分析得：

第一测点最大水平主应力为17.69 MPa，最小水平主应力为9.17 MPa，垂直应力为16.21 MPa；第二测点最大水平主应力为24.74 MPa，最小水平主应力为13.36 MPa，垂直应力为16.31 MPa；第三测点最大水平主应力为22.33 MPa，最小水平主应力为11.41 MPa，垂直应力为15.35 MPa；第四测点最大水平主应力为18.52 MPa，最小水平主应力为9.39 MPa，垂直应力为15.49 MPa。据相关判断标准：0～10 MPa为低应力区，10～18 MPa为中等应力区，18～30 MPa为高应力区；大于30 MPa为超高应力区[11-12]。由此，判断测试区域地应力场在量值上属于中等偏高-高应力值区域。

表1数据处理分析结果表明，葫芦素井田所属测试区域应力场为σH>σv>σh型，区域构造应力占优势。

表1 水力压裂曲线经水压致裂数据处理计算结果

定向结果显示4个测点σH分别为：N29.9°W、N33.7°W、N20.4°W、N38.5°W，故可得出该区域最大水平主应力方向为NNW。

3.4 围岩强度测试与分析

利用WQCZ-56型围岩强度测试装置对地应力测试钻孔所属巷道顶板及帮部10 m区域内岩体进行探测并通过计算法辅助系统进行测试数据的记录模拟和统计计算，最后分析得到葫芦素煤矿顶板和两帮岩体强度分布状况图，如图7所示。

图7 第一测点顶板/帮岩体强度测试结果

通过分析得：

第一测点巷道顶板以上0～0.6 m为2-2煤层，煤体强度平均值为27.75 MPa。 0.6～2.6 m为砂质泥岩，该段岩层比较完整，岩层强度平均值为43.83 MPa。2.6～6.1 m为细粒砂岩，岩层强度平均值为45.85 MPa。6.1～6.2 m为煤线，黑色。6.2～8.2 m为砂质泥岩，岩层强度平均值为41.19 MPa。8.2～10.0 m为细粒砂岩，岩层强度平均值为47.79 MPa。

第二测点顶板以上0～8.3 m为砂质泥岩，岩层呈深灰色，强度平均值为44.32 MPa。8.3～10.0 m为细砂岩，岩层呈灰白色，砂质胶结，岩层强度平均值为52.34 MPa。

第三测点顶板以上0～4.1 m为泥质砂岩，岩层呈灰黑色，该段岩层比较完整，强度平均值为38.58 MPa。4.1～5.5 m为细砂岩，砂质胶结，该段岩层完整，强度平均值为42.51 MPa。5.5～7.0 m为泥质砂岩，6.4 m处为明显横向裂隙，出水，岩层强度平均值为29.13 MPa。7.0～7.2 m为夹煤，有水流出。7.2～13.9 m为中砂岩，岩层强度平均值为58.39 MPa。

第四测点顶板以上0～2.9 m为泥质砂岩，岩层强度平均值为38.19 MPa。2.9～5.8 m为细砂岩，岩层强度平均值为40.28 MPa。5.8～8.0 m为泥质砂岩，岩层强度平均值为33.04 MPa。8.0～8.5 m为夹煤，强度平均值为19.89 MPa。8.5～15.8 m为中砂岩，岩层呈灰白色，岩层强度平均值为47.42 MPa。

葫芦素煤矿第一测点帮部钻孔为砂质泥岩，巷帮岩层围岩强度平均值为20.16 MPa；第二测点帮部钻孔布置在2-2煤层中，2-2煤体强度平均值为15.54 MPa。第三和第四测点帮部钻孔均布置在2-1煤层中，2-1煤体强度平均值为12.81 MPa。由此可见，葫芦素煤矿2-1及2-2煤层强度普遍偏低。同时，从煤体强度测试曲线来看，最低值仅有5～8 MPa，说明局部煤体强度较低。另外，强度曲线波动范围普遍较大，说明煤体的完整性不稳定，局部含有显著的裂隙。

4 结论

(1)葫芦素煤矿4个测点原位测试数值分析，该井田所属应力场属于中等-高应力值区域，应力场类型全部为σH>σv>σh，4个测点σH方向一致性好，均为NNW方向，角度集中在N20.4°～38.5°W之间。

(2)顶板围岩结构观测结果显示：矿井2-1煤层与2-2煤层顶板多以砂质泥岩、泥质砂岩、细砂岩、中砂岩为主，局部含有少量横向裂隙、煤线或炭质泥岩夹层，没有发现大面积的破碎带或者空洞。

(3)矿井煤层顶板砂岩普遍含水，出水点一般集中在顶板以上6～11 m之间。

(4)围岩强度原位测试结果显示，2-2煤层顶板以上10 m范围内主要岩层为砂质泥岩和细粒砂岩为主，围岩强度值变化幅度不大，强度曲线相对稳定。这证明了该段岩层的完整性普遍较好，不存在明显的裂隙和弱面。

(5)葫芦素煤矿2-1及2-2煤层强度普遍偏低，因此在巷道布置及掘进施工组织设计过程中，应当充分考虑这一客观因素存在，在支护强度和刚度上给予合理计算，确保施工质量可靠有效。

(6)现场测试发现，矿井2-1、2-2煤层顶板无明显的伪顶，煤层以上为结构相对完整的砂质泥岩、细砂岩和中砂岩。但是，顶板砂岩普遍含水。在顶板钻孔出水量较大时，可通过适当减小顶板锚索长度、增加锚固剂数量等方式，减小水对锚固效果和围岩强度的弱化作用。建议在工作面回采期间，对留巷的顺槽巷道进行围岩结构观测，以判断受采动影响前后围岩结构的变化状况，为留巷巷道掘进时合理支护强度的选取提供依据。