西铭煤矿煤巷围岩物理力学参数测试

刘云鹤

（山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

煤岩体作为极其复杂的地质体，主要具备两大特点，一是煤岩体内部存在着节理及裂隙等不连续面，大大改变了煤岩体的强度特性及变形特征；二是煤岩体内部存在应力，地应力场的大小和方向都显著影响着煤岩体的变形和破坏[1-3]。因此，针对井下工作面开采，了解其范围内的煤岩体力学参数是基础的研究工作，具有重要作用，尤其对于巷道支护及工作面围岩控制，围岩力学测试显得尤为重要。

1 工程概况

西铭煤矿位于山西太原市，是核定生产能力3.6 Mt/a的特大型现代化矿井，井田面积56.45 km2，主要回采2#、3#、8#、9#煤层。针对近年来西山矿区煤炭产量逐年递增的大趋势，巷道掘进工程量显著增加。尽管煤巷锚杆支护技术在西山矿区得到了广泛应用，积累了丰富的实践经验；但目前西山矿区西铭煤矿巷道支护依然沿用工程类比法和经验法进行设计，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基础参数均无实测数据，提出的支护设计缺乏理论依据。对于受力较为复杂的巷道，现有的工程经验法设计巷道支护无法控制围岩变形破坏，巷道断面收缩率较大，需要大量维修甚至返修，造成巷道掘进综合成本增加，掘进巷道利用效率低下，煤矿安全也受到了极大的威胁。

因此，西铭煤矿目前的巷道支护尚未形成科学系统的成套支护技术，非常有必要针对西铭煤矿进行全面、系统的煤岩体地质力学测试研究，为巷道支护设计提供科学数据，改善巷道支护状况，减少巷道维护成本，提高其使用效率，为矿井实现安全高效开采奠定坚实基础。

2 围岩物理力学参数测试

2.1 测点布置

为了保证测试结果的准确性，测点选择在顶板完整的地段。测点分开一定距离布置，每个测点布置2 个测孔，钻孔Φ56 mm，顶板孔深度25 m，竖直方向布置； 煤帮孔深度10 m，要求与水平方向有3°～5°夹角，使水能顺利流出，避免水的润湿作用影响煤体强度的测试结果。顶板钻孔施工完毕，用水把孔壁冲洗干净，避免残留岩屑对测试段选取的影响。根据实际应用需求，同时尽量减小钻孔施工及测试对煤矿生产的影响，研究决定在已掘巷道中分别针对2#、3#、9#煤有选择性的选取6 个测点。本文选取针对2#煤的第五、六测站进行分析。

第五、第六测点位于西十二集中胶轮车巷170 m和70 m 处。该巷道断面呈矩形，沿2#煤煤层顶板掘进，巷高3.1 m，宽4.5 m，2 个测点的埋深分别为346 m 和386 m。该巷道2#煤煤层结构简单，局部节理发育； 煤层厚度1.60～2.10 m，平均厚度1.80 m。采用锚网钢带与锚索联合支护。其测点位置见图1。

图1 围岩应力第五、第六测点位置

2.2 顶板岩层分布及结构观测

采用电子钻孔窥视仪进行观测，结果如下：

通过第五测点的钻孔观测结果可得，顶板以上0～4.0 m 为泥质砂岩，岩层完整较好。4.0～4.6 m为1#煤，煤层完整。4.6～7.1 m 为细砂岩，其中4.8 m 为泥岩夹层，5.1 为煤线。7.1～7.8 m 为03#煤，岩层呈黑色，完整。7.8～10.3 m 为砂质泥岩，该段岩层中有少量的微裂隙。10.3～14.8 m 为细砂岩，该段岩层完整性较好。14.8～20.4 m 为泥质砂岩，其中14.8～19 m 岩层完整，19.2～19.8 m 裂隙发育，19.8～20.4 m 岩层完整。据观测结果，顶板以上18.0～19.0 m 岩层相对较为完整，岩层单一，适合进行水力压裂。

通过第六测点的钻孔观测结果可得，第六测点顶板以上0～2.3 m 为泥质砂岩，岩层完整较好。2.3～3.0 m 为1#煤，煤层完整。3.0～5.2 m 为细砂岩，其中4.3 m 处为明显裂隙。5.2～5.9 m 为03#煤，黑色完整。5.9～8.6 m 为泥质砂岩该段孔壁完整。8.6～11.0 m 为细砂岩，9.3 m 和11.0 m有明显裂隙。11.0～13.6 m 为泥质砂岩，完整。13.6～13.8 m 为泥岩，较松破碎。13.8～17.4 m 为泥质砂岩，13.9～14.9 m 裂隙比较发育，15.0～17.4 m 岩层完整。17.4～20.7 m 为泥质砂岩，岩层比较完整。据观测结果，顶板以上15.0～17.4 m 岩层相对较为完整，岩层单一，适合进行水力压裂。

2.3 地应力测试

通过顶板岩层观测，将适合水压致裂的测量段进行标示，采用SYY-56 型水压致裂地应力测量仪对其进行压裂，得到每个测点的水力压裂曲线，根据曲线可得破裂压力、重张压力和瞬时关闭压力；进一步处理可以得到数据最大水平主应力、最小水平主应力和垂直应力值。

（1）第五测点地应力测试结果：（巷道高度3.2 m，距孔口18.6 m）。

图2 第五测点水力压裂曲线

根据曲线可得第五测点位置处，破裂压力Pb为13.82 MPa、重张压力Pr为7.77 MPa、瞬时关闭压力Pz为6.62 MPa。测点处巷道高度3.2 m，测试段距孔口18.6 m，测点钻孔开孔处距地表埋深约386 m，由此可得，测试段埋深约为367.4 m，可以进一步处理数据得出：最大水平主应力σH为11.65 MPa、最小水平主应力σh为6.40 MPa，垂直主应力σv为9.19 MPa。

图3 第五测点定向结果（最大水平主应力方向北偏西56.2°）

（2）第六测点地应力测试结果：（巷道高度3.1 m，距孔口16.9 m）

图4 第六测点水力压裂曲线

根据曲线可得第六测点位置处，破裂压力Pb为10.92 MPa、重张压力Pr为6.86 MPa、瞬时关闭压力Pz为6.05 MPa。测点处巷道高度3.1 m，测试段距孔口16.9 m，测点钻孔开孔处距地表埋深约346 m，由此可得，测试段埋深约为329.1 m，可以进一步处理数据得出：最大水平主应力σH为10.89 MPa、最小水平主应力σh为5.85 MPa，垂直主应力σv为8.23 MPa。

图5 第六测点定向结果（最大水平主应力方向北偏西53.4°）

根据判断标准大于30 MPa 为超高应力区、18～30 MPa 为高应力区、10～18 MPa 为中等应力区、0～10 MPa 为低应力区，可以得到本次测试区域西十二采区属于中等应力区。从测试结果来看，最大水平主应力均大于垂直应力。判断测试区域应力场受构造影响较大，水平应力在区域内占优势。西十二采区应力场类型为σH＞σv＞σh型应力场。水平主应力对巷道顶底板的影响大于对巷道两帮的影响，垂直应力主要影响巷道的两帮受力和变形。

从最大水平主应力定向结果可得，西十二采区测点最大水平主应力方向分别为N56.2°W、N53.4°W，总体为NWW方向。从最大水平主应力区域方向的差异可判断井下应力场受区域构造影响较大。

2.4 围岩强度测试

地应力测试结束后，采用WQCZ-56 型围岩强度测试装置对顶板及巷帮10 m 范围内煤岩体进行强度测试，得到结果见图6。

图6 第五测点顶板岩体及巷帮煤体强度测试结果

图7 第六测点顶板岩体及巷帮煤体强度测试结果

通过对第五、六测点进行岩体强度原位测试，对测试结果进行整理和计算可得：

第五测点顶板以上0～4.0 m 为泥质砂岩，呈灰黑色，砂质胶结，岩层强度平均值为67.51 MPa。4.0～4.6 m 为1#煤，黑色，岩层强度平均值为29.10 MPa。4.6～7.1 m 为细砂岩，岩层呈深灰色，砂质胶结，岩层强度平均值为92.58 MPa。7.1～7.8 m 为03#煤，岩层呈黑色，岩层强度平均值为26.18 MPa。7.8～10.3 m 为砂质泥岩，岩层呈灰黑色，泥质胶结，岩层强度平均值为57.08 MPa。

第六测点顶板以上0～2.3 m 为泥质砂岩，呈灰黑色，岩层强度平均值为73.07 MPa。2.3～3.0 m为1#煤，黑色，煤体强度平均值为27.95 MPa。3.0～5.2 m 为细砂岩，岩层呈深灰色，岩层强度平均值为86.6 MPa。5.2～5.9 m 为03#煤，煤体强度平均值为26.18 MPa。5.9～8.6 m 为泥质砂岩，岩层强度平均值为60.20 MPa。8.6～10.0 m 为细砂岩，岩层呈深灰色，岩层强度平均值为89.09 MPa。

通过第五和第六测点的2#煤层煤体强度测试结果，可得2#煤层煤体强度为14.41 MPa。

3 结论

通过对西铭煤矿第五、六测点进行现场地质力学测试，并对测试数据进行总结、整理和分析可以得到如下结论：

1）顶板钻孔围岩结构观测结果表明，2#煤层顶板以上20 m 范围内以泥质砂岩和细砂岩为主，各岩层赋存稳定，层厚有偏差。层间存在少量微裂隙和夹层，整体完整性较好。

2）西十二采区测试范围内井下应力场在量值上属于中等偏低应力值区域。从测试结果来看，最大水平主应力均大于垂直应力。判断测试区域应力场受构造影响较大，水平应力在区域内占优势。从最大水平主应力定向结果可以得到，西十二区域测点最大水平主应力方向总体为NWW方向。从最大水平主应力区域方向的差异可判断井下应力场受区域构造影响较大。

3）围岩强度测试结果综合计算可得，2#煤层顶板以上10 m 范围内泥质砂岩岩层强度平均值为64.45 MPa，细砂岩强度平均值为89.47 MPa，岩层间探针触点强度间较大波动主要是受层间夹层影响，2#煤层煤体强度为14.41 MPa。

通过对2#煤层煤体强度及围岩应力场的测试结果，对工作面围岩结构进行评价，为下一步的巷道支护设计提供科学依据，实现安全高效开采。