鑫顺煤矿瓦斯尾巷地质力学评价研究

王桂生 高 杰 纪明男

(1.山西煤炭进出口集团，山西 太原 030006； 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)



鑫顺煤矿瓦斯尾巷地质力学评价研究

王桂生1高 杰2纪明男2

(1.山西煤炭进出口集团，山西 太原 030006； 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

介绍了鑫顺煤矿的基本情况，测试了煤矿围岩的力学参数以及地应力，并对测试结果进行了分析，为煤矿巷道提供了基本的地质力学参数，有利于加快巷道的掘进速度、降低其支护成本。

煤矿，巷道，围岩，力学参数，地应力

1 工程概况

鑫顺煤矿为山西整合改扩建矿井，具有煤层赋存条件复杂，次生构造、断层多、存在陷落柱等，围岩基本力学性质及地质力学评价数据不清楚，巷道支护不合理等问题。鑫顺煤矿15号煤层15102瓦斯尾巷，其北面为尚未开拓的实体煤，南面为南回风下山及矿区边界线，西面也为尚未开拓的实体煤，东面与15102轨道顺槽和15101胶带顺槽依次相接。15102瓦斯尾巷掘进是为解决15102回采工作面上偶角瓦斯积聚的问题。巷道施工方面，15102瓦斯尾巷是沿15号煤层顶板(距15号煤层顶板向上2 m左右的层位)以29°方位继续向前掘进。瓦斯尾巷埋深近400 m,设计长度1 635 m，断面形状为矩形，宽3.5 m、高2.5 m。15102瓦斯尾巷在掘进期间，底臌现象明显，巷道矿压显现十分强烈，巷道掘进速度缓慢、支护难度大、支护成本高，对鑫顺煤矿的经济效益产生了重大影响。为加快巷道掘进速度、优化巷道支护参数、节约支护成本，弄清巷道地质力学条件非常重要。

2 围岩物理力学参数测试

当巷道开挖后，巷道围岩由原来的三向应力状态向二向应力状态转化，应力场发生扰动，巷道周边围岩将会产生应力集中现象，围岩承受应力逐渐增大，当其承受载荷大于其自身的极限强度，将会产生破坏现象，因此，巷道围岩物理力学性质直接决定了巷道的稳定性，测试意义重大[1，2]。

2.1 试样采集与制作

15102瓦斯尾巷的顶板主要以砂质泥岩、细砂岩为主，底板主要以泥岩为主，其具体的顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板情况表

根据15102瓦斯尾巷顶底板情况，本试验试样取自其老顶、直接顶、巷道及底板。采样时由于缺少相应的取芯设备，故在现场按国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法第一部分：采样基本规定》规定采集力学性质均匀、块度适中的完整块状试样，带回实验室后加工成标准试件，尺寸分别为φ50 mm×100 mm和φ50 mm×25 mm，进行单轴抗压强度测试、三轴抗压强度测试和劈裂测试，每种岩样每组测试取5个试件。加工成形的部分试件示意图如图1所示。

2.2 试验主要仪器

物理力学参数测试试验的主要仪器有用于加工试验试件的钻石机、切石机、磨石机和砂轮机；用于做密度试验的游标卡尺和艾德姆PGC-753e电子天平；用于做单轴、三轴和劈裂试验的引伸计与XTYE-2000型液压式压力试验机。

2.3 试验测试内容

测试围岩块体密度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、三轴抗压强度、粘聚力和内摩擦角。

2.4 试验结果

1)试件密度。通过测量试件的质量、高度与直径可计算得出各试件的密度，其具体实验结果见表2。2)试件单轴抗压强度、弹性模量、泊松比。部分试件的全应力应变曲线如图2所示，测试结果如表2所示。3)试件单轴抗拉强度。部分试件的试验应力—竖向位移曲线如图3所示，测试结果如表2所示。4)试件三轴抗压强度、内摩擦角、粘聚力。各个层位围岩莫尔应力圆如图4所示，测试结果如表2所示。

表2 15102瓦斯尾巷围岩试样的物理力学参数

岩性位置单轴抗压强度σc/MPa单轴抗拉强度σt/MPa弹性模量E/GPa泊松比μ密度ρkg/m3内摩擦角ϕ/(°)粘聚力cMPa泥岩底板20.482.246.570.242.613E+0329.29.7泥岩巷道37.495.037.850.192.598E+0347.86.0砂质泥岩直接顶66.547.5612.250.262.669E+0350.027.9细砂岩老顶88.185.0515.310.272.616E+0357.116.0

3 地应力测试

3.1 地应力测试目的与意义

地应力是地壳中未受工程扰动的最原始应力。地下工程中，巷道开挖后围岩变形的根本原因就是地应力的影响。大量地下工程的生产实践证明，地应力不仅会破坏围岩与支护体，也是产生瓦斯突出与冲击地压等动力现象的根本原因。所以说，地应力是决定巷道围岩稳定性的关键因素。对矿井的巷道布置、巷道断面形状与支护形式的确定均起到了重大的作用。考虑到鑫顺煤矿15102瓦斯尾巷地质条件及围岩稳定性情况，采用应力解除法对15102瓦斯尾巷进行地应力测试[3]。

3.2 测试地点选择

为获得较为准确的地应力数据，考虑到15102瓦斯尾巷围岩较软，将影响到测试结果的可靠性。故将地应力测试地点确定在南集中回风下山巷道，并在该巷道选取了三个测点，三个测点位置相差100 m左右。

3.3 测试所需仪器

应力解除法地应力测试所需主要仪器为空心包体应变计、水平定向仪、传感器围压率定机、直径130 mm钻头、直径36 mm钻头等。

3.4 测试步骤

1)打大孔：在选好的地应力测点进行打孔工作，设计孔深12 m，直径130 mm。钻孔上倾角至少保持3°～5°。2)打安装小孔：打完大孔后，选用磨平钻头打孔底10 cm左右，使孔底基本为圆滑平面，再用锥形钻头打孔底，打出大孔向小孔线性过渡的锥台状孔，再用小钻头打安装孔，使大孔小孔基本处于同心状态，打20 cm左右，小孔打好后，用水冲洗干净，再用酒精或丙酮擦洗。3)安装应力计。将配好的粘结剂倒入包体应力计的空腔内，用销钉固定好以防止胶体外流，然后安装到定向器端部。缓慢地将其推送至大孔里，此时要注意记录长度，清晰包体在大孔内的具体位置。当通过计算包体应力计端部即将进入小孔时，要更加缓慢地进行包体应力计的推进。当固定销被剪断后再推进20 cm，保证包体应力计成功安装到小孔里。此时应通过定向仪测定包体应力计的转角。4)包体成功安装1 d后，包体应力计成功与孔壁胶结在一起，小心缓慢地将定向仪与安装杆从大孔中拔出，将包体的导线端依次从取芯钻头、取芯套筒以及钻杆中穿出，再将取芯钻头与钻杆推送到大孔底部。记录好位置，以便推算取芯推进深度，将包体应力计的导线与应变仪接通，观察应变仪显示值，待其读数稳定后，开动钻机进行取芯解除钻进，此时进行分级解除，即每钻进3 cm时停止钻进，待应变仪示数稳定后，再进行下个3 cm的钻进解除，直至包体应力计整个被解除后，示数一直保持稳定时，则表示整个包体已被完全解除，最后将整个包含包体的岩芯取出，测试工作结束，现场测试完毕。5)将取出的岩芯用保险鲜膜包裹，运至地面立即用率定仪对岩芯的弹性模量及泊松比进行测量。

3.5 鑫顺煤矿地应力测试结果及分析

通过对三组地应力测试结果分析可得，最大的主应力大小为11.81 MPa～11.96 MPa，方位角为190.0°～212.9°，仰角为62.5°～69.0°，偏于垂直方向，并可知南集中回风巷道最大主应力方向分布在N10.0°E～N32.9°E方向，中间主应力的大小为11.07 MPa～11.58 MPa，方位角为53.5°～60.5°，仰角为19.4°～24.8°，偏于水平方向；最小主应力为9.62 MPa～9.98 MPa，方位角为137.3°～147.7°，仰角为7.8°～16.7°，基本为水平方向。南集中回风巷道三个测点的埋深为412 m，根据海姆净水压力理论计算垂直应力应该为10.3 MPa，实际测量垂直应力平均值为11.72 MPa，结果略大于理论值。三个测点的垂直应力都大于偏水平方向主应力，最大偏水平方向主应力，最小偏水平方向水平应力，垂直应力以及三者之间的关系见表3。表3中，σhmax为最大偏水平方向主应力，σhmin为最小偏水平方向水平应力，σv为垂直应力。

表3 原岩应力测量部分结果

4 结语

通过对鑫顺煤矿15102瓦斯尾巷进行围岩物理力学参数和地应力测试得出：

1)15102瓦斯尾巷围岩的力学特性，底板泥岩的单轴抗压强度均值是20.48 MPa，单轴抗拉强度是2.24 MPa，弹性模量为6.57 GPa，泊松比是0.24，巷道帮部泥岩夹细砂岩的单轴抗压强度均值是37.49 MPa，单轴抗拉强度是5.03 MPa，弹性模量为7.85 GPa，泊松比是0.19，直接顶砂质泥岩的单轴抗压强度均值是66.54 MPa，单轴抗拉强度是7.56 MPa，弹性模量为12.25 GPa，泊松比是0.26，老顶细砂岩的单轴抗压强度均值是88.18 MPa，单轴抗拉强度是5.05 MPa，弹性模量为15.31 GPa，泊松比是0.27。2)15102瓦斯尾巷最大的主应力大小约为11.9 MPa，方位角为190.0°～212.9°，仰角为62.5°～69.0°，偏于垂直方向，最大主应力方向分布在N10.0°E～N32.9°E方向，为减小地应力对巷道围岩稳定性的影响，巷道走向布置最好与最大水平主应力平行，且两帮会受到水平应力的明显作用。3)鑫顺煤矿同时存在着自重应力场和构造应力场，且自重应力略占优势，自重应力对井下岩层的变形破坏方式及矿压显现规律会有较大的影响。

[1] 李国彪，张新蛮.三交河煤矿巷道围岩物理力学性质测试研究[J].中国矿业，2012，21(5):84-87.

[2] 杨仁树，薛华俊，郭东明，等.复杂岩层大断面硐室群围岩破坏机理及控制[J].煤炭学报，2015，40(10):2234-2242.

[3] 杨仁树，陈 骏，薛华俊，等.应力解除法测量煤矿地应力精度的影响因素研究[J].中国矿业，2014，23(8):136-139.

Geomechanical evaluation of gas tail roadway in Xinshun coal mine

Wang Guisheng1Gao Jie2Ji Mingnan2

(1.ShanxiCoalImport&ExportGroupCo.,Ltd,Taiyuan030006,China; 2.SchoolofMechanics&CivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

The paper introduces the circumstances of Xinshun coal mine, tests the mechanic parameter and crustal stress of the surrounding rock at coal mines, analyzes the test results, and provides some basic geological mechanic parameter at the roadways of coal mines, so as to accelerate the advance rate of the roadways and lower the support cost.

coal mine, roadway, surrounding rock, dynamic parameter, crustal stress

1009-6825(2016)05-0076-03

2015-12-01

王桂生(1963- )，男，工程硕士； 高 杰(1993- )，男，在读硕士； 纪明男(1989- )，男，硕士

P641

A