巷道围岩地质力学测试与分析

薛历伟

（晋能控股集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037000）

1 引言

伴随着煤矿开采深度和强度的不断增加，地应力对围岩变形和损坏影响更加突出[1-3]，以地质力学测试结果为基础，结合掘进过程中顶板岩层结构变化规律，从而提出快速合理的支护方式及参数[4-5]。充分运用现有工程条件，针对试验矿井进行相关地质力学测试，选用小孔径地质力学测试系统开展测站的地质力学测试，包括顶板钻孔地应力测试、顶板钻孔和巷帮钻孔的围岩强度测试，以及对顶板钻孔的围岩结构进行观察。通过分析东周窑煤矿巷道围岩所处原岩应力分布特征、围岩的强度及节理裂隙发育程度，为巷道快速掘进与支护工艺及参数选取提供了依据。因此，巷道围岩地质力学测试与分析对巷道安全快速掘进具有重要意义。

2 工程概况及试验设计

2.1 试验巷道工程地质情况

（1）工作面基本概况

8704 工作面位于东周窑煤矿一采区，地面标高是1423～1567 m，工作面的标高是970～1016 m，埋深约500 m。5704 巷道在全煤区域掘进，该巷道设计长2570 m，沿4 煤顶板掘进。

（2）煤层顶底板条件

4 煤属于比较稳定型煤层，煤厚平均2.67 m，其中间存在1～2 层大约0.3 m 泥岩夹矸，煤层倾角平均2°，煤层节理、层理发育，煤层倾向NW。煤层顶底板的岩性特征：老顶为中砂岩，厚度2.5～6.2 m，呈现灰白色、钙质胶结，石英、长石为主要成分；直接顶为砂质泥岩，厚度1.5～4.3 m，呈现灰黑色，块状构造；直接底为砂质泥岩，厚度2.5～6.4 m，呈现灰黑色。

2.2 巷道围岩地质力学测试方案

选取地质力学测站的过程中尽量要躲开大构造带、采空区、交叉处和巷道比较错综复杂的区域范围，其中巷道围岩地质力学测试的观测站三处，每一个测点布置两处钻孔。测点常布置在煤巷道里，地应力与顶板岩体的强度测试是在巷道的顶部钻孔进行的，煤体的强度是在巷帮钻孔里进行的。钻孔有以下要求：（1）钻孔直径。孔径是56±2 mm，钻进选用Ф56 mm 标准的钻头。（2）钻孔位置。铅垂布置顶部钻孔的中心线，近水平布置巷帮的钻孔，要保证3°～5°仰角，便于打钻时水能方便从钻孔中排掉。（3）钻孔深度。顶部的钻孔深度是20～25 m，巷帮的钻孔深度约是10 m。

针对该煤矿进行了三组巷道围岩综合地质力学测试，具体的测点位置如图1。选用煤矿本安型钻孔电视对围岩结构进行观测。井下原位测量进行后，用公式Rc=2.07Pm+5.35 计算围岩抗压强度，式中：Rc为围岩单轴抗压强度，MPa；Pm为所测试岩层层位的平均临界载荷，MPa。选用配套钻孔直径56 mm 的水压致裂设备进行地应力测量。

图1 地质力学测试测点位置示意图

3 巷道围岩地质力学特性分析

煤岩体地质力学参数大致分为三大类，包含煤岩体的应力参数、煤岩体的变形和强度参数与煤岩体的结构参数。巷道围岩地质力学特性包含巷道围岩结构、巷道围岩强度和地应力三个方面，对巷道的支护效果影响较为显著。因此，对巷道的这三方面地质力学特性进行研究。

3.1 围岩结构观测及分析

图2 为第一观测点钻孔观测的结果。分析可知，该测点顶板上方0～3.4 m 是砂质泥岩，呈灰黑色，泥砂质结构。0.5～3.4 m 岩层较完整。3.4～4.5 m 是4-1 号煤层，黑色，半暗半亮型煤。其中4.1 m 位置处是泥岩夹矸，这段煤层中含有少量的裂隙。4.5～11.8 m 为细砂岩，呈深灰色，坚硬致密，细砂粒状结构。其4.8 m 位置处出现较为明显的横向裂隙，4.9～7.9 m 岩层比较完整，8.0 m 位置处是煤线，9.5 m 位置处出现微裂隙，9.7～11.8 m 岩层相对完整，11.6 m 是夹层。11.8～13.5 m 位置是中粒砂岩，呈灰白色，主要以石英为主，钙质胶结，这段岩层比较完整。13.6～16.7 m 是砂质泥岩，呈灰黑色，泥质胶结，其中14.0～15.3 m 是复合性的岩层。16.8～19.2 m 是细砂岩，呈深灰色，钙质胶结，岩层相对较完整。同理可对第二观测点和第三观测点钻孔观测结果进行分析。

图2 第一测点顶板岩层结构观测结果

3.2 围岩强度测试及分析

对巷道顶板上方、巷道帮10 m 范围之内用围岩强度测试装置进行了测试，通过数据分析可以得出测点对应岩层强度的分布情况，详细如图3 至图5 所示，巷道帮岩层强度测量数据如图6。

图3 第一测点顶板岩石强度曲线

图5 第三测点顶板岩石强度曲线

图6 巷道帮强度测量数据

通过煤岩体强度原位测试，并对测试数据结果整理、分析可知：第一、二、三测点顶板上方的岩层强度均值分别为77.55 MPa、76.65 MPa、81.20 MPa；三个测点对应位置处的巷帮孔煤体强度均值分别为13.71 MPa、14.71 MPa、15.57 MPa。

综合以上测试结果整理分析可得出：4 号煤层原位强度的均值是14.67 MPa，说明该煤层的强度相对比较高，所以巷道布置在4 号煤层中，对以后巷道帮的形变及采取措施进行控制相对很有益。围岩强度测试结果表明，测试区域4 号煤层直接顶砂质泥岩的平均原位强度在巷道浅处可达约70 MPa，表明砂质泥岩强度相对较高，有利于巷道后期维护，直接顶的围岩具有相对较好的稳定性。

3.3 地应力测试及分析

一采区4 号煤层的地应力情况见表1。

表1 一采区地应力情况

通过对地应力结果整理、分析可知：

（1）4 号煤层布置3 个测点所测区域最大水平应力均大于13 MPa，垂直应力均大于10 MPa，由地应力量级判断的标准可知所测区域应力场在量值上属中等地应力场。

（2）由测试结果分析可知，2 个测点中的地应力大小分布规律相同，应力场类型是σH＞σV＞σh型应力场，则所测试区域地应力是以垂直水平应力为主的。

（3）由最大水平主应力方向分析，其方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范围内。

图4 第二测点顶板岩石强度曲线

巷道顶、底板的变形与稳定性主要的影响因素是水平应力，结合测试结果分析可知，测试区域的地应力在量值上属中等应力场，在巷道附近的围岩所处应力起作用的量值上会相对较低，围岩的变形与压力显现不会出现很大的情况，但应力场类型呈现出的是构造应力场为主。如图7 所示，5704 回风顺槽的位置处在北偏西73°，最大水平主应力的方向为北偏西33.3°与北偏东34.2°范围，这表明5704 顺槽巷道根据地应力的角度来解释，该顺槽巷布置的方向与最大水平方向之间的夹角在40°～74°范围，这时的最大水平应力对顺槽巷的稳定性会产生一定的影响，但是影响程度相对有限，因为最大水平应力处在中等偏低的范畴，对顺槽巷的围岩稳定性不能够有十分显著影响。

图7 巷道轴向和最大水平主应力布置关系

4 结论

（1）通过测试分析，得出第一、二、三测点的顶板上方岩性，并测得岩层强度均值分别为70.51 MPa、77.55 MPa 和81.20 MPa。第 二 测 点 顶 板 以上0～3.6 m 为砂质泥岩，岩层强度平均值为69.00 MPa；3.6～4.7 m 为4-1#煤层，煤体强度平均值为33.43 MPa；4.7～10.0 m 为细砂岩，致密坚硬，岩层强度平均值为76.65 MPa。第三测点的顶板上方3.0～4.2 m 是4-1#煤层，煤体强度平均值38.99 MPa。

（2）4 号煤层原位强度的均值是14.67 MPa，体现该煤层的强度相对比较高，所以巷道布置在4号煤层中，对以后巷道帮的形变及采取措施进行控制相对很有益。围岩强度测试结果表明，测试区域4 号煤层直接顶砂质泥岩的平均原位强度在巷道浅处可达约70 MPa，表明砂质泥岩强度相对较高，有利于巷道后期维护，直接顶的围岩具有相对较好的稳定性。

（3）三个观测点所在的测试区域最大水平应力都超过13 MPa，垂直应力都超过10 MPa，所测试的区域应力场属于中等地应力场。两个测点中的地应力大小分布规律相同，应力场类型是σH＞σV＞σh型应力场，则所测试区域地应力是以垂直水平应力为主的。最大水平主应力的方向集中在N33.3°W～N34.2°E 范围内。