经坊煤矿井下巷道煤岩体地质力学技术测试原理及应用

文/景晨曦

经坊煤矿井下巷道煤岩体地质力学技术测试原理及应用

文/景晨曦

长治经坊煤业有限公司随着矿井开采深度的增加、开采强度增大，以及综合机械化程度的提高，煤岩体的应力环境、变形与破坏特征都发生了显著变化。为掌握八采区3号煤层的围岩结构、地应力、围岩强度等力学参数，经坊煤矿对八采区进行了全面、系统的煤岩体地质力学测试，为巷道支护及开采提供科学、合理的基础数据，确保煤矿实现安全高效发展。

一、煤岩体地质力学技术测试原理

1.围岩结构观测原理

采用矿用小孔径全景电子窥视仪观测孔壁上的不连续面分布情况，其便捷的操作、直观的输出效果从根本上克服钻孔取芯方法存在的诸多不足。测试过程将深度与图像一致结合，达到图像与结果显示“所见即所得模式”，同时显示输出平面展开图和立体柱状图，灵活直观，特别适合在无法取得实际岩芯的破碎地层。

2.地应力测量原理

将一对橡胶封隔器送到钻孔指定位置，注入高压水，使得两个封隔器之间的岩孔封闭，再对封隔器之间岩孔进行高压注水，直到将孔壁压裂，压裂的方向即为最大水平应力方向。压裂后进行印模。根据水压致裂测量原理，破裂方位就是最大主应力的方位。

3.岩体强度原位测量测试原理

用手动泵对探头内加压，探针压向孔壁，随着压力增加，探针在孔壁上的压力达到孔壁所能承受的临界压力时，孔壁被压裂。此时压力表的最高压力读数即为该点孔壁的极限强度，经换算便可得出该点岩石单轴抗压强度。岩体强度的测定原理如图1所示。

图1 围岩强度测定原理示意图

二、现场测试

1.测点布置

经坊煤矿结合井下实际情况，于八采区布置三个测点，第一测点位于八采区运输巷南段，第二测点位于八采区轨道巷中段，第三测点位于八采区回风巷北段。

每个测点布置两个测孔，分别为顶孔和煤帮孔，钻孔直径均为56mm。其中，顶孔深度20m左右，要求铅垂布置；煤帮孔深度10m左右，近水平布置，有一个小的仰角，以便打钻过程中的水能从帮孔中顺利排出。

2.煤岩体地质力学测试方法

2.1地应力测试

根据顶板结构观测，对测试钻孔进行标定，然后对每个测点进行压裂，并对压裂过程中的压力和时间进行实时采集，得到各个测点的水力压裂曲线。

压裂完成后，对孔壁进行印模和定向，取得水压裂缝走向，结合指南针北向与印模器基线夹角，印模基线和压裂裂缝之间的夹角，经计算便可得到每个测点各个应力的方向。

通过对3号煤层八采区进行井下地应力测试，并对测试结果进行整理、计算和分析可以得出：

（1）三个测点最大水平主应力分 别 为 13.39MPa、14.88MPa和20.97MPa；最小水平主应力分别为7.03MPa、8.01MPa和11.79MPa；垂直应力分别为12.43MPa、11.34MPa和11.85MPa。根据专业的判断标准，可判断出八采区应力场从量级上划分属于中等应力值区域。测点间最大水平主应力值相差较大，表明八采区井下应力场受构造影响较大。

（2）三个测点最大水平主应力均大于垂直应力，应力场类型为σH＞σV＞σh型应力场。在该类型应力场中，σ1=σHmax、σ2=σV、σ3=σHmix。巷道轴线方向与最大水平主应力的夹角为时，为巷道最佳布置方向。

（3）三个测点最大水平主应力方向分别为 N44.1°E、N16.3°E和N36.8°E，最大水平主应力方向大致为NNE-SSW向。

2.2围岩强度测试

通过对经坊煤矿八采区3号煤层三个测点顶孔和帮孔进行原位强度测定，并对测试数据进行收集、整理、计算和分析可以得出：

（1）3号煤层顶板岩层赋存状况不稳定，区域变化较大。

（2）第一测点顶板以上0～2.0m为泥质砂岩，灰黑色，夹石英砂岩，泥质胶结，裂隙发育，探针触点强度值在50～80MPa之间，强度平均值为65.77MPa。2.0～7.2m为粗砂岩，灰白色，砂质胶结，层状结构，离层较多，岩层完整性较差，探针触点强度值在6～110MPa之间，波动范围非常明显，经计算该岩层强度值为77.62MPa。7.2～8.7m为泥岩，泥质胶结，水平纹理，裂隙发育，强度平均值为44.54MPa。8.7～13.0为泥质砂岩，强度平均值为69.62MPa。

（3）第二测点顶板以上0～2.0m为泥岩，黑色，泥质胶结，破碎严重，岩层不完整，强度平均值为37.26MPa。2.0～4.5m为泥质砂岩，加粗砂岩条带，横向裂隙发育，离层较多，探针触点强度值集中在20～60MPa， 强度平均值为47.07MPa。4.5～9.1m为细砂岩，砂质胶结，有泥岩夹层，水平纹理，岩层完整性相对较好，探针触点强度平均值为94.56MPa。

（4）第三测点顶板以上0～1.2m为泥质砂岩， 强度为45.18MPa。1.2～8.0m为泥质砂岩，层状结构，强度平均值为73.79MPa。8.0～12.5m为粉-细砂岩，强度平均值为82.76MPa。

（5）三个测点3号煤层煤体强度大部分集中在10～20MPa，煤体中裂隙较为发育，完整性较差，导致煤体强度测试曲线波动范围相对较大。经计算，3号煤层煤体强度平均值为16.33MPa。

三、结论

通过对经坊煤矿八采区3号煤层进行现场围岩结构观测、地应力测试及围岩强度测试，并对测试数据进行整理、计算和分析，可以得到如下结论：

1.钻孔围岩结构观测结果表明，3号煤层直接顶板为泥岩、砂质泥岩和细砂岩，浅部岩层层状结构明显。测点所在巷道顶板浅部至深部岩层不同程度存在离层、裂隙和破碎情况，浅部岩层尤为明显。

2.三个测点最大水平主应力最大值为20.97MPa，最小水平主应力最大值为11.79MPa，垂直应力最大值为12.43MP。应力场从量级上划分属于中等应力值区域。测点间最大水平主应力值相差较大，八采区井下应力场受构造影响较大。最大水平主应力方向大致为NNESSW向。应力场类型为σH＞σV＞σh，从地应力的角度考虑巷道布置时，巷道轴线方向与最大水平主应力的夹角为时，为巷道最佳布置方向。

3.八采区3号煤层顶板岩层赋存状况不稳定，区域变化较大。

(作者单位：山西长治市煤炭工业局)

(责任编辑：周琼)