西铭矿水压致裂法地应力测试应用

姚鸿业

(山西焦煤西山煤电西铭矿,山西 太原 030052)

煤岩体是一个极其复杂的地质体,其内部地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏,为有效指导现场工程施工应用,优化工程设计准确性,开展煤岩体地质参数测试至关重要[1-2]。伴随着煤矿地质条件愈发复杂,由于矿井地质力学基本参数的缺失,巷道掘进支护方式只能依靠经验进行设计,无法确保工程安全性[3-6]。当前西铭矿巷道支护主要依据过去经验进行设计,巷道支护设计所需的地应力、围岩力学指标和围岩结构类型等参数严重匮乏,为改变巷道支护状况,本文以西铭矿地质条件为背景,采用水压致裂法测试地应力,为矿井工程设计提供依据。

1 工程背景

西铭矿当前主采煤层为2号、3号、8号、9号煤,矿区位于西山煤田东北部的中奥陶统峰峰组、中石炭统本溪组、上太原组、下二叠统山西组、下石河子组、上石河子组和石千峰组新近系、第四系,井田总体为西北走向、西南倾向的单斜井田,井田构造较复杂,发育有较多褶曲、断层和陷落柱。伴随着巷道掘进条件复杂化,掘进困难巷道所占比重越来越高,仅靠工程类比法和经验法已无法完全指导巷道工程支护设计,特别是对于困难复杂巷道支护尚未形成系统的巷道支护成套技术,但目前矿井基础参数严重匮乏,有必要开展地应力等地质力学参数研究。

现有地质力学参数测试方法中,应力解除法与水压致裂法是井下实测可行的方法。由于水压致裂法无需测定岩体弹性模量,并且测量空间大、受影响程度小、测速快、成功率高,因此采用水压致裂法对西铭矿区地应力进行测试。

2 测试位置选择

为了保证测试的准确性和代表性,测试地点在西铭煤矿已掘巷道中有选择性地布置6个测点,每个测点布置两个测孔,钻孔直径均为56 mm,其中顶孔深度为25 m,垂直顶板布置;巷帮钻孔深度为10 m,与水平方向夹角呈3°～5°。为减小水流对煤体强度的干扰,确保水流的通畅性,在钻孔施工结束后,用水冲洗钻孔内的泥渣,减少残留物。此外,为避免影响矿井生产,在矿井2号、3号、9号煤中已掘进的巷道内挑选6个测点进行测试。测试工作从2014年6月开始,到2014年9月结束。

第一测点在西十一采区,位于43106工作面3号煤集中轨道巷640 m处硐室中。该处巷道沿3号煤顶板掘进,断面为4.5 m×2.8 m,埋深320 m.43106工作面井下位于西十一采区右翼,东为实煤区,南邻设计3号煤集中胶带巷,西部为设计43104工作面,北为西铭矿矿界,测点位置示意图如图1(a)所示。该测点处巷道采用锚杆、锚索加钢带联合支护,顶锚杆直径为20 mm,长度2 200 mm,帮锚杆直径为20 mm,长度为2 200 mm,顶板补强锚索直径为17.8 mm,长度为5 400 mm.3号煤层结构复杂,上部夹1～2层0～0.5 m的页岩或炭质页岩,较破碎,煤层厚度变化较大,平均厚度2.25 m.局部地段煤层有分叉、变薄现象。

图1 测点位置示意

第二、第三、第四测点在西六采区,分别位于井下49409工作面转运巷230 m、150 m、60 m处。巷道断面呈正梯形,上宽3.1 m,下宽4.22 m,高3.2 m,沿9号煤顶板掘进,3个测点埋深分别为336 m、346 m、356 m.49409工作面位于南四采区,回采9号煤,上覆8号煤,8号与9号煤层间距1.2～2.9 m,测点位置示意图如图1(b)所示。9号煤内部条件复杂,煤层厚度平均为2.9 m,含有1～2层夹矸,夹矸约为0.2 m,岩性为炭质页岩。49409工作面胶带巷、轨道巷、绞车硐室采用架棚支护,棚梁、棚腿均采用矿用11号工字钢。

第五、第六测点位于西十二集中胶轮车巷170 m和70 m处,测点位置示意图如图1(c)所示。

巷道沿2号煤煤层顶板掘进,断面为矩形,大小为4.5 m×3.1 m,两个测点的埋深分别为346 m和386 m.2号煤煤层条件简单,内部无夹矸,厚度平均为1.8 m,采用螺纹钢锚杆、W型钢带、锚索、金属网联合支护。顶锚杆直径为20 mm,长度为2 200 mm,帮锚杆直径为20 mm,长度为1 800 mm.补强锚索直径为17.8 mm,长度为5 400 mm.

3 现场实测

水压致裂法是当前一种高效、可靠的地应力测试方法,通过在选定的岩体钻孔内注入高压水流,使岩体碎裂,期间记录水流压力、流量等随时间的变化情况,从而计算出主应力的大小与方向。

选定矿井内测点位置后,采用水压致裂法对地应力场进行测试,并对压裂过程中的压力和时间进行采集,得到各测点水力压裂曲线,如图2所示。

图2 各测点水力压裂曲线图

如图2所示,第一测点最大水平主应力为8.11 MPa,最小水平主应力为4.87 MPa,垂直应力为7.63 MPa,最大水平主应力方向北偏西54.0°;第二测点最大水平主应力为17.20 MPa,最小水平主应力为8.89 MPa,垂直应力为8.04 MPa,最大水平主应力方向北偏东55.6°;第三测点最大水平主应力为17.43 MPa,最小水平主应力为8.99 MPa,垂直应力为8.07 MPa,最大水平主应力方向北偏东62.7°;第四测点最大水平主应力为15.73 MPa,最小水平主应力为8.97 MPa,垂直应力为8.55 MPa,最大水平主应力方向北偏东51.3°;第五测点最大水平主应力为11.65 MPa,最小水平主应力为6.40 MPa,垂直应力为9.19 MPa,最大水平主应力方向北偏西56.2°;第六测点最大水平主应力为10.89 MPa,最小水平主应力为5.85 MPa,垂直应力为8.23 MPa,最大水平主应力方向北偏西53.4°.

σh、σH为原地应力场中的最小和最大水平主应力,σV为垂直应力,根据该测试结果,西铭矿西十一和西十二采区应力场在量值上属于中等偏低应力值区域,西六采区应力场属于中等偏高应力值区域。应力场类型也有典型的区域性,西十一和西十二采区为σH>σV>σh型应力场,西六采区为σH>σh>σV型应力场,根据最大水平主应力方向,巷道受区域构造影响较大。

4 结 语

本文采用水压致裂法对西铭矿进行了地应力测试,根据矿井西六采区、西十一采区、西十二采区6个测点的测试结果,西铭矿测试区域地应力场存在明显的区域特征,西十一和西十二采区测试区域地应力场在量值上中等偏低,为σH>σV>σh型应力场。西六采区测试区域地应力场在量值上中等偏高,为σH>σh>σV型应力场。测试区域应力场受区域构造影响较大,以构造应力场为主,最大水平主应力为最大主应力,该测试结果可为矿井后续的巷道支护设计优化提供理论参考。