朱云山

（山西寧武大運華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

地應力也被稱為是原巖應力，在礦井采掘活動的影響下會產(chǎn)生采動應力場，從而引起礦井下巷道的破壞及變形[1]。因此制定合理地應力測量的技術(shù)方案，是獲得工程巖體力學性質(zhì)、進行巷道圍巖穩(wěn)定與控制的重要先決技術(shù)條件[2]。煤巖體地質(zhì)力學測試的一件十分繁瑣的測試工作，傳統(tǒng)的地測法常常會因為缺乏相配套的儀器工具，在實踐中需要耗費大量人力和物力去彌補，對礦井的正常銜接生產(chǎn)有一定影響。鑒于此，我國很多礦區(qū)普遍沒有對煤巖體地質(zhì)力學進行過全面系統(tǒng)的測試工作，而因基礎參數(shù)獲取不足，導致難以對圍巖支護設計形成助力，煤礦頂?shù)装迨鹿蕰r有發(fā)生。

1 小孔徑水力壓力地測法

1.1 小孔徑水力壓力地測法原理

小孔徑水壓致裂地應力測量技術(shù)，依靠開發(fā)研制出小孔徑水壓致裂地應力測量儀、井下煤巖體強度測定裝置，以及礦用電子鉆孔窺視儀，形成了一套煤巖體地質(zhì)力學快速測試系統(tǒng)。首先確定測量深度，使用橡膠封隔器封隔一段裸露的巖孔，然后進行鉆孔增壓，對鉆孔圍巖造成變形并且不可逆。在此過程中對壓力和流量，時間進度進行記錄，并由設備進行主應力的計算。如圖1 所示，兩個相互垂直的水平應力和σ1和σ2，在實驗水壓致裂的每個橫截面中，水平應力施加在一個帶圓孔的無限大的平面中，A、B 兩點的應力計算表達式如下：σA=3σ2-σ1；σB=3σ1-σ2。

圖1 水壓致裂應力原理圖

1.2 小孔徑水力壓力地測法優(yōu)點

在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，小孔徑水壓致裂法有以下優(yōu)點[4]：

1）不需要套芯等精密復雜的井下儀器，省時、操作簡潔容易上手、實驗完成率高；

2）巖石的彈性模量可以忽略，在測試中不屬于主要參數(shù)；

3）適用于采深較大、范圍較廣的空間，抗局部干擾能力強。因此水壓致裂法可以看做是一種很有發(fā)展前途的地應力測試方法，有著良好的應用前景。

2 現(xiàn)場測試

2.1 莊旺煤礦地質(zhì)條件概況

山西寧武大運華盛莊旺煤業(yè)有限公司（全文簡稱莊旺煤業(yè)）坐落于山西寧武，在歷經(jīng)了自然界多次地質(zhì)構(gòu)造改變后，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)井下可采掘揭露斷層31 條。在對莊旺煤礦地應力的測量中，規(guī)定鉆孔觸探法進行頂板以上10 m 范圍內(nèi)和對應的煤幫10 m 范圍內(nèi)的進行煤巖體強度測試。

2.2 測點布置

為了保證測試的準確和有代表性，測點布置的選擇需要避開大的構(gòu)造帶和巷道群（只有特殊情況下才將測點布置在構(gòu)造帶附近用來解構(gòu)造帶附近的地質(zhì)力學狀況）。

本礦區(qū)設置2 個檢測點，如下頁圖2 所示。每個檢測點設置2 個鉆孔，2 個檢測點共計4 個測孔，鉆孔直徑均為58 mm。頂孔距離地表20 m 左右，鉛垂布置；煤幫孔深度10 m 左右，因為需要保證水順利下流，測孔設置與水平方向有3°～5°仰角，避免水影響測孔處的煤體強度，同時及時清理測孔內(nèi)的殘留巖屑。

圖2 測點布置示意圖

1）測點1。位于201 軌道上山400.0 m處，該巷道位于井田中部，西鄰2 號煤層軌道下山，東鄰2 號煤層回風及運輸大巷，沿煤層底板掘進，設計長度：930.0 m，采用錨噴支護，巷道高度為3.8 m，寬度為4.3 m。

2）測點2。位于20106 回風順槽40.0 m 處，該巷道位于井田中部，沿煤層底板掘進，設計長度694.0 m，采用錨網(wǎng)支護，巷道高度為3.4 m，寬度為4.1 m。

2.3 地應力測試

通過對每個測孔測量段進行加注，并使用地應力測量儀采集壓裂過程中相關數(shù)據(jù)，繪制水力壓裂曲線；然后使用軟件分析得到主應力計算的相關參數(shù)，如破裂壓力、重張壓力和瞬時關閉壓力。

壓裂完成后，水壓裂縫的方向通過壓裂部位的印模和定向得出，水壓致裂地應力測量結(jié)果匯總見表1。

表1 莊旺煤礦水壓致裂地應力測量結(jié)果

第一測點與第二測點的地應力測試結(jié)果如圖3，根據(jù)埋深，采用公式（1）分別可以計算出主應力各值：

式中：pr為重張壓力、ps為封閉壓力、pb為破裂壓力，MPa；σmax為最大水平主應力、σmin為最小水平主應力、σc為垂直主應力，MPa；γw為水的容重，9.8 kN/m3；h 為測點到讀數(shù)儀的垂直距離，測點1、2 均為16.1 m；γ為上覆巖層容重巖石，25 kN/m3；H 為埋深，測點1 取156.28 m，測點2 取211.37 m。

如圖3-1 測點1：破裂壓力pb=10.49 MPa；重張壓力pr=7.24 MPa；瞬時關閉壓力ps=5.50 MPa。測試段埋深約為156.28 m。根據(jù)公式（1）計算得最大水平主應力σmax=8.99 MPa；最小水平主應力σmin=5.34 MPa；垂直主應力σc=3.91 MPa，基線方向北偏東10.2°破裂方向北偏西52.3。

圖3 測點水力壓裂曲線圖

如圖3-2 測點2：破裂壓力pb=15.36 MPa；重張壓力pr=7.13 MPa；瞬時關閉壓力ps=5.73 MPa。測試段埋深約為211.37 m。根據(jù)公式（1）分別可以計算出最大水平主應力σmax=9.67MPa；最小水平主應力σmin=5.54MPa；垂直主應力σc=5.28 MPa，基線方向北偏東37.4°破裂方向北偏西49.6°

3 結(jié)果分析

綜合兩組測點所取得的壓裂曲線和應力數(shù)值，基本判斷結(jié)果具有較高的可靠性：

1）根據(jù)對測點1 和測點2 水平應力和垂直應力的數(shù)據(jù)分析，判定該區(qū)域?qū)儆诘蛻χ祬^(qū)域。

2）所測區(qū)域應力場類型為σmax＞σmin＞σc型。在工程實踐中也證明，巷道頂?shù)装逯饕芩街鲬Φ挠∠蟪怯绊懀锏纼蓭椭饕艽怪睉Φ挠绊憽?/p>

3）測點1 最大水平主應力方向為N52.3°W，測點2 最大水平主應力方向為N49.6°W，測試結(jié)果具有較強的一致性。

4 結(jié)語

在煤巖體地質(zhì)力學中，小孔徑水壓致裂地應力測量技術(shù)是一種簡捷和容易操作的測試系統(tǒng)，依靠直徑58 mm 的鉆孔可以省去套芯等精密儀器的使用，對目標巖體進行直接測量。通過對莊旺煤礦的實際測量結(jié)果，建議礦井在生產(chǎn)過程中應當持續(xù)開展地質(zhì)力學的測試工作，提前測量和準備完整的地質(zhì)資料，作為礦井提高安全性及生產(chǎn)高效性的基石。