辰通矿巷道围岩地质力学参数测量分析

＊张延德

（山西阳泉盂县辰通煤业有限公司 山西 045100）

1.前言

煤岩体的地质力学参数是煤矿井下巷道施工的基础，对煤矿安全开采有着不可替代的作用。在煤矿开采前，煤矿企业应该开展煤岩体的地质力学参数测量工作。测试可以分为实验室测量和煤矿井下测量。在实验室进行测量时，只能测得岩块的强度，很难获得真实的岩体状态。因此，必须需要现场测量煤岩体的地质力学参数，主要包括岩体的强度、岩体的应力分布状况。

2.地质力学测试内容及方法简绍

(1)地应力测量

水力压裂法是测量地应力的一种常用的方法，其主要是通过对煤矿井下一定长度的钻孔进行水力裂，根据压裂过程中压力和流量随时间的变化规律来确定主应力。

在进行测量时，首先将预定位置的钻孔进行封孔，并采用高压泵注入高压水直至围岩破裂。围岩破裂的方向即为主应力的方向，破裂时的压力即为主应力的值。从水力压裂过程中各回次的压力曲线，就可以得到钻孔的破裂压力Pb、瞬时关闭压力Ps、重张压力Pr。根据这样参数进行计算，即可算出最大水平主应力σH及最小水平主应力σh、岩石抗张强度T。

(2)巷道围岩强度测试

针对实验室测试时只能测得岩块的物理力学参数，难以反映岩体的真实情况，为此采用钻孔触探法来测试围岩强度。在测试时，岩体的强度测试是在钻孔中进行的，在达到钻孔的临界破坏压力之前，探针保持不动。一旦达到临界破坏压力，探针会发生一定的偏转，此时压力表的读数即为该测点处岩体的临界强度（Pm）。将此临界强度按照公式进行换算，即可得到岩体的单轴抗压强度。此外，为了获得整个钻孔长度上的岩体抗压强度，在钻孔上每隔300～500m选取一个测试面，并按照各测点的强度值绘制钻孔强度分布曲线。

(3)围岩结构观测

在岩体工程施工中，不仅要获得岩体的强度参数，还需要了解岩体内部的结构状况。为了解岩体内部的结构分布，可以采用光纤窥视仪直接观测钻孔内部岩层的分布状况。光纤窥视仪的原理如图1所示。在观测时，通过探头上自带的拍照录像功能，可以清晰地观测到岩层内部的结构分布状况。在遇到结构和裂隙的位置处，一定要放慢钻孔探头的移动速度。

图1 光纤窥视仪的工作原理图

3.现场测试结果与分析

在进行测试时，选择的测点应该具有代表性。应该遵循以下几个原则：（1）选择测点时应避开地质构造带和巷道连接处；（2）测点所在的位置顶板应该相对完整：（3）测点所在位置应该便于观测钻孔的施工。

(1)测点位置

第一、第二测点分别位于西轨道大巷1050m和1200m处。第三测点15110运输顺槽60m处。第四测点位于轨道大巷500m处。第五测点位于15108回风顺槽200m处。第六测点15108运输顺槽150m处。测点位置如图2所示。

图2 测点的位置示意图

(2)顶板岩层分布及结构观测

测试的目的主要有两个，一个是获得顶板一定厚度范围内岩层分布情况，另一个是获得巷道所处岩体的地应力分布状况。

第一测点钻孔观测结果为：测点顶板以上0-1.2m岩层完整；1.2-5.6m无明显裂隙发育，岩层完整性好；5.6-7.3m岩层内生裂隙发育，完整性较差；7.3-12.7m岩层完整性好，13.5m处为横向裂隙，煤层内15.8m处为横向裂隙，完整性一般。16.7-17.4m岩层较为完整，l7.7m、18.1m处为横向裂隙。通过观测结果，该测点顶板以上11.9-12.9m为中粒砂岩，岩层完整，致密，适合进行水力压裂。

第二测点钻孔观测结果为：测点顶板以上0.7-5.8m微裂隙发育，5.7m处为横向裂隙，岩层较完整；5.8-7.4m有纵向裂隙贯穿，7.4-12.9m无明显裂隙发育，岩层完整；13.8m处有横向裂隙发育。该测点顶板12.2-12.9m为中粒砂岩，岩层完整，适合进行水力压裂。

第三测点钻孔观测结果为：测点顶板以上0-7.3m岩层较完整，9.0m处有微裂隙存在，该岩相对比较完整，9.4-10.4m岩层较为完整，11.7-13.3m岩层完整性较好，13.3m处比较破碎，15.6m处微裂隙发育，17.2m处为明显的横向裂隙，17.3-19.1m岩层完整。通过观测结果，该测点顶板以上17.3-18.3m为粗粒砂岩，岩层完整，致密，适合进行水力压裂。

第四测点钻孔观测结果为：测点顶板以上0-1.3m裂隙发育，离层明显，岩层完整性差，1.3-6.0m和6.0-11.2m岩层完整性较好，6.0m处为横向裂隙，11.2-12.1m和13.2-14.4m为纵向裂隙发育，14.4-18.8m裂隙发育，岩层完整性差，顶板12.0-13.0m岩层致密完整性较好，适合进行水力压裂。

第五测点钻孔观测结果为：14.6m处为横向裂隙，岩层较完整，15.9-17.0m裂隙发育，17.0-19.2m岩层较完整。该测点顶板以上13.4-14.4m岩层完整性较好，适合进行水力压裂。

第六测点钻孔观测结果为：10.7-11.7m岩层较完整。11.7-20.3m为细粒砂岩，泥质胶结，中厚层状，11.7-17.6m裂隙发育、富含植物化石条带，16.2m处为离层，17.7-18.6m岩层完整性较好，18.7-20.3m裂隙发育，岩层完整性较差。通过观测结果，该测点顶板以上17.7-18.6m岩层完整性较好，适合进行水力压裂。

通过水力压裂法对各个测点处钻孔的地应力进行测量，得到了测点处的地应力分布情况，如表1所示。

表1 辰通煤矿地应力测量结果

(3)地应力测试

由表1可知，辰通煤矿的最大水平主应力在5-12MPa之间。地质力学观点认为0-10MPa为低应力区，10-18MPa为中等应力区，18-30MPa为高应力区。根据这个标准，辰通矿的地应力场属于中等应力区。6个测点的最大主应力方向比较一致，这表明没有发生主应力偏转。从另一方面也说明了区域构造较为简单，最大水平主应力方向为NNW方向。在巷道支护设计和分析巷道变形破坏原因是可以将该方向作为参数依据。

(4)围岩强度测试

在地应力测量结束后，可以采用钻孔触探法获得辰通矿煤岩体的强度分布状况。

通过对辰通煤矿6个测点进行煤岩体强度原位测试，并对测试结果进行整理和计算可以得到：第一测点煤帮15#煤煤体强度平均值为17.77MPa，第二测点煤帮15#煤煤体平均强度为23.46MPa，第三测点煤帮孔所测15#煤煤体强度平均值为26.06MPa，第四测点煤帮孔所测15#煤煤体强度平均值为18.24MPa，第五测点煤帮孔所测13#煤煤体强度平均值为19.13MPa，第六测点煤帮孔所测13#煤煤体强度平均值为16.74MPa。

4.结论

在辰通煤矿布置测点进行现场地质力学测试发现，辰通煤矿应力场属于中等应力区域。测试区域15#煤体强度平均值为18.82MPa；13#煤体强度平均值为19.78MPa。区域应力场及相关地质力学参数受井下地质构造的影响较大，煤层赋存状态的变化及采掘现状也对地质力学参数产生影响。