西山官地矿地应力测试技术研究

王梦东

(西山煤电集团公司技术中心，山西 太原 030053)

为了对采矿工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查。在诸多的影响岩体开挖工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要最根本的因素之一。尤其是巷道围岩是极其复杂的地质体，巷道布置、锚杆支护设计等都离不开对围岩地质力学的测试研究。

近几年来，随着煤巷锚杆支护技术的迅速发展，作为该技术中的关键内容之一，巷道围岩地质力学测试也逐步得到重视，测试结果应用于支护设计，显著提高了支护设计的合理性和可靠性，提高了工程设计的科学性、合理性与可靠性，确保了工程安全。

1 地质力学测试内容

地应力对巷道支护的影响涉及到地质力学测试内容。具体的测试内容包括地应力测量、煤岩体强度测量以及煤岩体结构观察。每个测站需要进行测试钻孔的施工，施工量包括顶板以上20 m的地质力学测试孔一个、煤帮10 m的煤体强度测试孔一个以及顶板10 m范围内煤岩体取芯，进行煤岩体物理参数测定的实验，见表1。

本次在西山煤电集团官地矿进行的地应力测量，采用水压致裂的测量方法。布置4个测站，在顶板向上打一垂直孔，顶板垂直孔深度20 m;在煤帮近水平打一水平孔，孔深10 m;钻孔直径56 mm，见图1。

表1 西山煤电官地矿地质力学测试内容表

图1 地应力测试钻孔布置示意图

钻孔有以下要求:1)钻孔直径:钻孔直径为56±2 mm，采用d56 mm的标准钻头钻进。2)钻孔位置:顶孔中心线铅垂布置，帮孔中心线水平布置。3)地质力学测试完成后，进行取芯施工，取芯采用d89 mm的取芯钻头。

本次测试由于官地矿矿区面积较大，主采煤层较多，需要对各代表性煤层及区域进行测试，测试具体布置位置为:2#煤中六采区北翼、3#煤北采区、6#煤南五采区和9#煤的南十二采区。

2 围岩结构观察

煤岩体结构观察的方法有很多种。除在岩体被揭露的地方，通过肉眼直接进行观察和描述外，还可采用钻孔裂缝压印法、完整岩芯采取法、钻孔壁观察法。这三种围岩结构观察方法中，钻孔裂隙压印法需要打孔、印痕、提取、分析解释、绘图等程序;完整岩芯采取法包括大小孔、安装锚杆、注黏合剂、钻取岩芯、实验室试验与分析等过程。这两种方法测量过程相对复杂，时间也比较长，作为研究围岩结构的手段是可行的，但在井下大面积使用存在较大困难。相反，采用钻孔窥视仪进行钻孔壁观察，可借助锚杆、锚索孔进行，方便、快速、成本低，适合于煤矿井下巷道围岩结构大面积、快速观察。

3 测试方法

在井下巷道中打好钻孔后，就可以进行围岩强度测定。探头及连接的液压管，应先在井上用68号液压油充满，在观测地点将液压管与手摇泵相连接，把电缆的另一头与围岩强度测定仪上的传感器插座相连接，最后，用安装杆将探头装入待测钻孔并送至孔底开始测定工作。

先将手摇泵手轮拧到加压位置，启动手摇泵，油压通过液压管传入探头内腔，探头活塞动作，探针外伸直到与孔壁接触，从探针位移指示仪上可读出探针外伸量。手摇泵继续加压，当压力达到观测地点岩石临界强度时，可观察到探针位移指示仪指针突然跳跃，并且压力表读数稍有下降，该现象表明被测地点孔壁的岩石遭到破坏。同时，读取压力表，记录临界压力值，则该点测定完毕。

为了测定整个钻孔轴线方向上岩层的抗压强度，每隔100～300 mm取一个测试剖面，由安装杆的刻度进行指示。在每一个剖面上需测定3点，测点之间等周长，通过围绕钻孔轴心转动120°实现。每个剖面3点临界压力值的算术平均值作为该剖面位置岩石的临界压力。全部测点测试完毕后，根据相关公式计算出各测点的单轴抗压强度，并绘制强度沿钻孔深度的分布曲线。

4 测试结果分析

1)地应力实测结果表明，官地矿所测区域8个测点最大水平应力最大为13.99 MPa，最小为5.04 MPa;最小水平主应力最大为7.17 MPa，最小为3.24 MPa;垂直主应力最大为 15.90 MPa，最小为 8.08 MPa，最大主应力超过10 MPa的测点数量为3个。官地矿所测区域应力场在量值上属于中等偏低应力区域。最大主应力大体上随测点埋深的增加而增大。所测区域应力场类型分别为:σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh，初步判断矿区最大主应力以自重应力为主，但不排除由于矿井地质条件的复杂性导致最大水平主应力为最大主应力。

3)测点最大水平主应力方向集中在N33.3°W～ N89.7°W之间，超过 N45°W的测点个数为7个。由此初步判断所测区域最大水平主应力方向为NWW－SEE，在进行巷道布置和分析巷道变形破坏原因时，考虑最大主应力值的同时，应结合最大水平主应力的方向进行分析。

4)通过对收集到的地质资料进行分析可知，官地矿井上地表起伏较大，高差相对较为悬殊。地形地貌的差异性会导致井下地应力产生异常变化，同一巷道会由此产生不同的变形和破坏。

5)同一钻孔同一岩性岩层的强度值波动范围很大，说明岩层的完整性和均质性差，岩层中普遍存在较为明显的裂隙和破坏，局部存在非常明显的破碎及空洞区。弱面的存在对岩层的整体强度有很大的负面影响，在巷道支护设计的过程中应给予考虑。

6)8煤层强度平均值为14.67 MPa，6煤层强度平均值为 13.24 MPa，2#煤层强度平均值为 16.73 MPa。煤帮浅部强度普遍低于深部强度，主要原因是受开挖影响煤帮浅部产生塑性破坏所致，另外也说明煤帮支护强度较低，没有有效控制煤帮的变形破坏。各煤层完整性普遍较差，煤体中普遍存在夹矸。

5 结语

通过对官地矿进行现场围岩结构观测、围岩强度测试及地应力测试，并对测试数据进行整理、计算和分析，可以得到如下结论:

1)区域地质力学参数的获取，特别是构造区域的应力场特征以及其它地质力学参数应做更详尽的了解和掌握，需要系统的进行地质力学测试工作，在大量实测数据的基础上进行数学、统计学、地质学和数值模拟等方面的综合分析。官地矿矿区面积较大，所布测点较少，建议在今后的生产过程中针对开采水平以及地质条件的变化，不断进行补测工作。

2)地应力实测结果表明，所测区域应力场在量值上属于中等偏低应力区域。

3)根据地质力学测试结果，分析官地矿现有巷道支护系统，并对今后支护方案提出意见及建议，以提高煤矿的安全系数。