王夢(mèng)東

(西山煤電集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西 太原 030053)

為了對(duì)采礦工程進(jìn)行科學(xué)合理的開挖設(shè)計(jì)和施工，就必須對(duì)影響工程穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行充分調(diào)查。在諸多的影響巖體開挖工程穩(wěn)定性的因素中，地應(yīng)力狀態(tài)是最重要最根本的因素之一。尤其是巷道圍巖是極其復(fù)雜的地質(zhì)體，巷道布置、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)等都離不開對(duì)圍巖地質(zhì)力學(xué)的測(cè)試研究。

近幾年來(lái)，隨著煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展，作為該技術(shù)中的關(guān)鍵內(nèi)容之一，巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試也逐步得到重視，測(cè)試結(jié)果應(yīng)用于支護(hù)設(shè)計(jì)，顯著提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，提高了工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性與可靠性，確保了工程安全。

1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試內(nèi)容

地應(yīng)力對(duì)巷道支護(hù)的影響涉及到地質(zhì)力學(xué)測(cè)試內(nèi)容。具體的測(cè)試內(nèi)容包括地應(yīng)力測(cè)量、煤巖體強(qiáng)度測(cè)量以及煤巖體結(jié)構(gòu)觀察。每個(gè)測(cè)站需要進(jìn)行測(cè)試鉆孔的施工，施工量包括頂板以上20 m的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試孔一個(gè)、煤幫10 m的煤體強(qiáng)度測(cè)試孔一個(gè)以及頂板10 m范圍內(nèi)煤巖體取芯，進(jìn)行煤巖體物理參數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表1。

本次在西山煤電集團(tuán)官地礦進(jìn)行的地應(yīng)力測(cè)量，采用水壓致裂的測(cè)量方法。布置4個(gè)測(cè)站，在頂板向上打一垂直孔，頂板垂直孔深度20 m;在煤幫近水平打一水平孔，孔深10 m;鉆孔直徑56 mm，見(jiàn)圖1。

表1 西山煤電官地礦地質(zhì)力學(xué)測(cè)試內(nèi)容表

圖1 地應(yīng)力測(cè)試鉆孔布置示意圖

鉆孔有以下要求:1)鉆孔直徑:鉆孔直徑為56±2 mm，采用d56 mm的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭鉆進(jìn)。2)鉆孔位置:頂孔中心線鉛垂布置，幫孔中心線水平布置。3)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試完成后，進(jìn)行取芯施工，取芯采用d89 mm的取芯鉆頭。

本次測(cè)試由于官地礦礦區(qū)面積較大，主采煤層較多，需要對(duì)各代表性煤層及區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試具體布置位置為:2#煤中六采區(qū)北翼、3#煤北采區(qū)、6#煤南五采區(qū)和9#煤的南十二采區(qū)。

2 圍巖結(jié)構(gòu)觀察

煤巖體結(jié)構(gòu)觀察的方法有很多種。除在巖體被揭露的地方，通過(guò)肉眼直接進(jìn)行觀察和描述外，還可采用鉆孔裂縫壓印法、完整巖芯采取法、鉆孔壁觀察法。這三種圍巖結(jié)構(gòu)觀察方法中，鉆孔裂隙壓印法需要打孔、印痕、提取、分析解釋、繪圖等程序;完整巖芯采取法包括大小孔、安裝錨桿、注黏合劑、鉆取巖芯、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與分析等過(guò)程。這兩種方法測(cè)量過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，時(shí)間也比較長(zhǎng)，作為研究圍巖結(jié)構(gòu)的手段是可行的，但在井下大面積使用存在較大困難。相反，采用鉆孔窺視儀進(jìn)行鉆孔壁觀察，可借助錨桿、錨索孔進(jìn)行，方便、快速、成本低，適合于煤礦井下巷道圍巖結(jié)構(gòu)大面積、快速觀察。

3 測(cè)試方法

在井下巷道中打好鉆孔后，就可以進(jìn)行圍巖強(qiáng)度測(cè)定。探頭及連接的液壓管，應(yīng)先在井上用68號(hào)液壓油充滿，在觀測(cè)地點(diǎn)將液壓管與手搖泵相連接，把電纜的另一頭與圍巖強(qiáng)度測(cè)定儀上的傳感器插座相連接，最后，用安裝桿將探頭裝入待測(cè)鉆孔并送至孔底開始測(cè)定工作。

先將手搖泵手輪擰到加壓位置，啟動(dòng)手搖泵，油壓通過(guò)液壓管傳入探頭內(nèi)腔，探頭活塞動(dòng)作，探針外伸直到與孔壁接觸，從探針位移指示儀上可讀出探針外伸量。手搖泵繼續(xù)加壓，當(dāng)壓力達(dá)到觀測(cè)地點(diǎn)巖石臨界強(qiáng)度時(shí)，可觀察到探針位移指示儀指針突然跳躍，并且壓力表讀數(shù)稍有下降，該現(xiàn)象表明被測(cè)地點(diǎn)孔壁的巖石遭到破壞。同時(shí)，讀取壓力表，記錄臨界壓力值，則該點(diǎn)測(cè)定完畢。

為了測(cè)定整個(gè)鉆孔軸線方向上巖層的抗壓強(qiáng)度，每隔100～300 mm取一個(gè)測(cè)試剖面，由安裝桿的刻度進(jìn)行指示。在每一個(gè)剖面上需測(cè)定3點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)之間等周長(zhǎng)，通過(guò)圍繞鉆孔軸心轉(zhuǎn)動(dòng)120°實(shí)現(xiàn)。每個(gè)剖面3點(diǎn)臨界壓力值的算術(shù)平均值作為該剖面位置巖石的臨界壓力。全部測(cè)點(diǎn)測(cè)試完畢后，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的單軸抗壓強(qiáng)度，并繪制強(qiáng)度沿鉆孔深度的分布曲線。

4 測(cè)試結(jié)果分析

1)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，官地礦所測(cè)區(qū)域8個(gè)測(cè)點(diǎn)最大水平應(yīng)力最大為13.99 MPa，最小為5.04 MPa;最小水平主應(yīng)力最大為7.17 MPa，最小為3.24 MPa;垂直主應(yīng)力最大為 15.90 MPa，最小為 8.08 MPa，最大主應(yīng)力超過(guò)10 MPa的測(cè)點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)。官地礦所測(cè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等偏低應(yīng)力區(qū)域。最大主應(yīng)力大體上隨測(cè)點(diǎn)埋深的增加而增大。所測(cè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)類型分別為:σH＞σV＞σh和σV＞σH＞σh，初步判斷礦區(qū)最大主應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，但不排除由于礦井地質(zhì)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力。

3)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向集中在N33.3°W～ N89.7°W之間，超過(guò) N45°W的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為7個(gè)。由此初步判斷所測(cè)區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹WW－SEE，在進(jìn)行巷道布置和分析巷道變形破壞原因時(shí)，考慮最大主應(yīng)力值的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合最大水平主應(yīng)力的方向進(jìn)行分析。

4)通過(guò)對(duì)收集到的地質(zhì)資料進(jìn)行分析可知，官地礦井上地表起伏較大，高差相對(duì)較為懸殊。地形地貌的差異性會(huì)導(dǎo)致井下地應(yīng)力產(chǎn)生異常變化，同一巷道會(huì)由此產(chǎn)生不同的變形和破壞。

5)同一鉆孔同一巖性巖層的強(qiáng)度值波動(dòng)范圍很大，說(shuō)明巖層的完整性和均質(zhì)性差，巖層中普遍存在較為明顯的裂隙和破壞，局部存在非常明顯的破碎及空洞區(qū)。弱面的存在對(duì)巖層的整體強(qiáng)度有很大的負(fù)面影響，在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)給予考慮。

6)8煤層強(qiáng)度平均值為14.67 MPa，6煤層強(qiáng)度平均值為 13.24 MPa，2#煤層強(qiáng)度平均值為 16.73 MPa。煤幫淺部強(qiáng)度普遍低于深部強(qiáng)度，主要原因是受開挖影響煤幫淺部產(chǎn)生塑性破壞所致，另外也說(shuō)明煤幫支護(hù)強(qiáng)度較低，沒(méi)有有效控制煤幫的變形破壞。各煤層完整性普遍較差，煤體中普遍存在夾矸。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)官地礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)、圍巖強(qiáng)度測(cè)試及地應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和分析，可以得到如下結(jié)論:

1)區(qū)域地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的獲取，特別是構(gòu)造區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)特征以及其它地質(zhì)力學(xué)參數(shù)應(yīng)做更詳盡的了解和掌握，需要系統(tǒng)的進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試工作，在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、地質(zhì)學(xué)和數(shù)值模擬等方面的綜合分析。官地礦礦區(qū)面積較大，所布測(cè)點(diǎn)較少，建議在今后的生產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)開采水平以及地質(zhì)條件的變化，不斷進(jìn)行補(bǔ)測(cè)工作。

2)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所測(cè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等偏低應(yīng)力區(qū)域。

3)根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，分析官地礦現(xiàn)有巷道支護(hù)系統(tǒng)，并對(duì)今后支護(hù)方案提出意見(jiàn)及建議，以提高煤礦的安全系數(shù)。