高应山

(西山煤电(集团)有限责任公司杜儿坪矿，山西 太原 030022)

·技术经验·

杜儿坪矿地质力学测试与分析

高应山

(西山煤电(集团)有限责任公司杜儿坪矿，山西 太原 030022)

针对杜儿坪矿巷道支护基础参数不足的问题，采用了井下单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法对杜儿坪矿2#煤和3#煤进行了巷道围岩地质力学测试。测试内容包括:地应力、围岩强度和围岩结构的观测，初步掌握了杜儿坪矿2#煤和3#煤地应力分布的基本规律，以及巷道围岩强度和围岩结构的基本特征，从而为巷道布置及支护设计提供了基础数据。

采矿工程;地质力学测试;地应力;围岩强度;围岩结构

杜儿坪矿是隶属于西山煤电集团公司的主力矿井，年产原煤超过500万t，近年来，随着煤矿开采强度的不断增大，巷道支护难度不断加大，矿压显现比较明显，复杂困难巷道明显增多。2#、3#煤层是矿井目前主采煤层之一，2#煤和3#煤层间距较小，属于近距离煤层群，煤炭资源储量丰富，前期没有开展巷道围岩地质力学测试的相关工作，因此，在杜儿坪矿开展井下巷道的地质力学测试和分析，了解矿井地质力学基础参数，对杜儿坪矿井的总体布置，巷道和采场支护设计参数选取，保证矿井安全、高效生产，具有一定的现实意义。

1 巷道地质力学测试及其作用

巷道围岩是一个极其复杂的地质体，巷道围岩的地质力学特性主要包括地应力、围岩强度和围岩结构三要素。

1.1 地应力

地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力或原岩应力。地应力是由构造运动形成的应力场与重力应力场叠加的结果，具有一定的时间和空间效应。地应力是引起煤矿开采等地下工程围岩变形和破坏的根本驱动力，是矿井设计以及煤矿巷道支护动态信息设计法重要的基础参数，对煤矿开采过程中围岩稳定性分析及合理的巷道设计有较大的参考价值。

1.2 围岩强度

围岩强度是围岩分类的关键指标，通过地质力学测试，掌握开采煤层围岩强度，对开采煤层围岩进行确切的围岩分类，不同类型的围岩采用的支护方案存在很大差别，对指导巷道设计有重要作用。同时，采用数值计算进行巷道支护，开采煤层围岩强度也是主要的参数，对数值计算的准确有很大影响。

1.3 围岩结构

巷道围岩内部分布着广泛的原生节理和裂隙，其发育程度直接决定开挖后巷道的稳定性。掌握节理和裂隙的分布特征，以及发育程度是进行巷道支护设计的重要环节。同时，通过掌握的节理和裂隙的分布范围，能够为锚杆(索)参数设计提供依据。

此次测试采用的是由煤炭科学研究总院北京开采设计研究分院所研发的井下单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试系统，该套系统采用小孔径水压致裂地应力测量仪、井下巷道围岩强度原位测定装置，以及数字全景钻孔窥视仪，能够快速、准确地获得地应力、围岩强度和围岩结构等地质力学参数，在一个钻孔中就能够完成地应力、强度与结构及其相互耦合关系测试，而且整个测试流程工艺简单，适合煤矿的使用特点，目前，在我国煤矿地质力学测量中得到了广泛的应用。

2 巷道地质力学测试结果及分析

本次在杜儿坪矿2#煤和3#煤共进行了4个测点的地应力测量、8个钻孔的围岩强度测试，以及4个顶板钻孔的围岩结构窥视。

2.1 地应力测量结果

地应力测量装置采用的是SYY－56型小孔径水压致裂地应力测试仪。测量在井下巷道中进行，钻孔在巷道顶板中部垂直向上布置，用以测量水平面上的最大与最小水平主应力的大小和方向。钻孔采用小孔径56 mm，钻孔长度为20～25 m。每个钻孔中进行3～4次水力压裂，然后在对应的压裂位置进行印模定向，对测量结果进行分析比较，确定比较合理、可靠的数据作为该钻孔的地应力值。

4个测点的地应力测试，测点选取远离采煤工作面、大型地质构造、巷道交叉点以及硐室群，以避开采动应力影响。同时，为了消除巷道周围应力重新分布区域的影响，测点到巷道顶板表面有一定的距离，根据围岩窥视的结果，选择在均质、稳定、完整的岩层中进行水力压裂。具体测量结果见表1。

表1 杜儿坪矿2#煤和3#煤地应力测试结果

表1中H为巷道埋深，测点深度在巷道顶板上方12～20 m;σV为垂直主应力，由上覆岩层质量计算得出;σH为最大水平主应力;σh为最小水平主应力。

1)矿井应力场类型。

4个测点应力场的类型主要有σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh两种，所占比例分别是25%和75%。这说明杜儿坪矿地应力场分布相对复杂，存在不同的分布特征，局部区域存在着构造应力较大的情况，但应力场的类型2#煤和3#煤层在整体上以重力应力场为主，属于自重应力场类型，并且所有测点最小水平主应力均为最小主应力。

2)矿井主应力量级。

对4个测点的地应力测试结果进行统计，最大水平主应力最大值为16.72 MPa，垂直应力最大值为16.13 MPa。根据相关判定标准: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。因此，虽然杜儿坪矿2#煤和3#煤埋深较大，在528～654 m，已经接近进入深部开采的范畴，但是地应力整体在量级上属于中等地应力值区域。

3)水平主应力方向分布特征。

杜儿坪矿的最大水平应力和最小水平应力比值较不稳定，比值在1.91～2.86，且显示出一定的方向性，集中在 N47.5°W ～ N9.4°E 范围内。这说明了杜儿坪煤矿所测区域主压应力作用方向主要集中在NNW方向附近，这主要是由于构造运动所形成。因此，矿井的生产布置时巷道的轴线方向有较大选择性时，要避免巷道与上述方向呈现过大的夹角，使巷道的维护相对容易。这也是井下巷道支护中两帮变形不一致，巷道一帮变形破坏明显要比另一帮严重的主要原因，这是由于巷道的布置方向和最大水平主应力的方向存在一定角度，巷道两帮受力情况不一致所导致的结果。

2.2 围岩强度测试结果

巷道围岩强度测量采用WQCZ－56型小孔径煤岩体强度测定装置，该装置由围岩强度测定仪、探头、手摇泵、高压管、延长杆等部件组成。测试采用钻孔触探法对钻孔内表面岩壁的强度进行原位测试，避免了在软弱破碎煤岩体中钻探岩芯采取率比较低，很难、甚至无法采用岩芯试验确定围岩强度的缺陷，测试速度快和测量结果也比较准确，见表2。

表2 杜儿坪矿2#煤和3#煤围岩强度测试结果

2.3 巷道围岩结构窥视结果

巷道围岩强度测量采用KDBC－56型数字全景钻孔窥视仪，采用数字全景技术，可对钻孔结构参数定量测量，裂缝分辨率0.1 mm，可提供平面展开图及虚拟钻孔岩芯图。该仪器由柔性光导纤维、观察镜、目镜、照相机接头及矿灯光源接头等部件组成。在井下巷道中打好钻孔后，利用钻孔窥视的连接杆慢慢将探头往孔深处抬送，有裂隙和结构处放慢速度，并观察和记录，结束后对窥视结果记录在表格中，并对其进行处理和分析。

钻孔窥视结果表明，2#煤层顶板主要有以下特征:

1)2#煤层顶板10 m范围主要由砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩组成，其中夹有1#煤层，且各个岩性的岩层分布不均匀，和矿方已有的钻孔柱状图存在较大的区别。

2)钻孔结构图片显示，2#煤层顶板结构主要以水平层理为主，纵向裂隙不发育，局部层位有明显弱面分布。

3)总体上来讲，巷道围岩比较完整，稳定性较好，巷道稳定性主要受顶板弱面的影响比较大，防止顶板由薄弱面离层冒顶。

3 结论

1)杜儿坪矿的地应力分布主要以重力应力为主，属于中等应力场，最大水平应力方向主要在NNW方向上，巷道布置的走向尽可能地保持与最大主应力的方向一致。

2)围岩强度测试获取了2#煤和3#煤煤层和顶板各个岩层的力学性质，为巷道支护设计进行理论计算以及数值模拟提供了基础数据。

3)围岩结构观察清晰地显示了杜儿坪矿2#煤和3#煤不同层位岩层节理裂隙的分布，以及岩层的离层现象，为巷道支护设计参数选取提供了较好的参考价值。

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［4］ 徐光亮，康红普，颜立新.煤巷围岩强度现场测定及数据处理［J］.煤矿开采，2004，9(1):4－6.

Geological Mechanics Testing and Analyzing in Du＇erping Coal Mine

Gao Yin－shan

According to the lacking of the roadway support parameters in the Du＇erping coal mine，by using a single hole，multiple parameters，coupled geomechanics in situ rapid test method on roadway surrounding rock of 2#and 3#coal in Du＇erping coal mine carries out geomechanics testing，includes the test of in － situ stress，observation of rock strength and rock structure.Preliminary master the basic law of ground stress distribution of 2#and 3#coal in Du＇erping coal mine，as well as the basic characteristics of the strength and structure of surrounding rock of roadway，thus for roadway layout and support design provides basic data.

Mining engineering;Geological mechanics testing;In－situ stress;Surrounding rock strength;Surrounding rock structure

TD326

A

1672－0652(2012)08－0021－03

2012－07－08

高应山(1963—)，男，山西大同人，1988年毕业于阜新矿业学院，工程师，主要从事煤矿开采的相关研究工作(E －mail)dk6203117@163.com