皇后煤矿15号煤层围岩地质力学分析研究.pdf

图 115 号煤 15108 进风顺槽 38 m 处附近钻孔柱状图皇后煤矿 15 号煤层围岩地质力学分析研究冀峰1，陈玉龙2（1.山西煤炭运销集团盂县恒泰皇后煤业有限公司，山西阳泉045100；2.晋能控股山西科学技术研究院（太原）科技公司，山西太原030000）摘要：为了对皇后煤矿 15 号煤层巷道掘进期间围岩支护设计及优化提供准确的地质力学参数依据，进一步提高围岩控制效果，通过技术研究，决定对井田 15 号煤层进行围岩物理力学参数测定、围岩结构观察、原岩应力测定以及矿压监测，并结合前期取得的井下地质力学原位测试成果、矿压观测成果，对相关数据进行整理、综合和分析。研究结果表明：15 号煤层顶板 09.69 m 范围内裂隙发育，顶板存在伪顶，平均抗压强度为 20.1 MPa；直接顶为石灰岩，平均抗压强度为 82.1 MPa，围岩稳定性好，有利于提升锚杆（索）支护效果。关键词：煤矿；围岩；力学参数；围岩结构；分析研究中图分类号：TD311文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0055-031皇后煤矿概述皇后煤矿井田位于盂县城东南约 12.5 km 处路家村镇刘家村附近，行政区划属盂县路家村镇管辖。开采方式为地下开采，生产规模为 90 万 t/a，矿区面积 3.028 4 km2，开采深度由 979.97 m 标高至 779.97标高。井田内批采煤层为 815 号煤层，井田可采煤层为 8 号、9 号、9 号下、15 号煤层。15 号煤层俗称丈八煤，旧编号为 T1，位于太原组下部，上距 9 下号煤层74.2079.50 m，平均距离为 76.35 m。煤层结构较为简单，含 03 层夹矸，煤层厚度 6.308.41 m，平均厚7.51 m。煤层的可采性指数 Km为 1，煤层厚度变异系数 酌 为 6.70%。根据井田内钻孔分布情况可知，该煤层为全井田稳定可采煤层，直接顶板为石灰岩，伪顶为泥岩或砂质泥岩，底板为泥岩或砂质泥岩1-3。15 号煤层为一个采区，井田以矿界保护煤柱为界，东、南、西、北均为井田边界，东南部为工业场地，如图 1 所示。皇后煤矿采用斜井开拓，根据初步设计变更井田开拓方案，共布置主斜井、副斜井、进风行人斜井和回风立井四个井筒，四个井筒均落底于 15 号煤层4。15 号煤层在井田中部沿刘家村最西边界的村庄保护煤柱布置 1 组井田南北向开拓巷道，其北端截止于井田北部 K40 陷落柱附近，其集中轨道运输大巷以北分别为轨道运输上山、胶带运输上山和回风上山，集中轨道运输大巷以南分别为轨道运输下山、胶带运输下山和回风下山，巷道平行布置，间距 30 m。矿井在这组开拓巷道两侧布置长壁回采工作面，实现井田东西两翼开采5。2围岩力学参数测定及围岩结构观测15 号煤层煤岩样取芯位置位于 15108 进风顺槽 38 m 处。钻孔从 15 号煤层开始向顶板方向垂直向上钻取 20 m 的岩芯，向 15 号煤层底板方向垂直向下钻取 5 m 的岩芯，取芯规格为 300 mm300 mm300 mm，钻孔柱状图如图 1 所示。力学性质：15 号煤层伪顶为薄层泥岩，抗压强度17.721.8MPa，平均 20.1MPa，抗拉强度 1.761.97MPa，平均 1.85 MPa，属较软岩石；直接顶石灰岩抗压强度78.186.0MPa，平均 82.1MPa，抗拉强度 4.254.92MPa，平均 4.58 MPa，属坚硬岩石，岩体稳定性较好；石灰岩内磨擦角为 3610，凝聚力 10.4 MPa，弹性模量10.2 GPa，泊松比 0.12，具体参数如表 1 所示。物理性质：15 号煤层伪顶为薄层泥岩，含水率2.18%，吸水率 4.58%，视密度 2.563 g/cm3，真密度2.619 g/cm3，孔隙率 2.14%；直接顶石灰岩含水率0.48%，吸水率 0.93%，视密度 2.680 g/cm3，真密度收稿日期：2022-11-10第一作者简介：冀 峰（1981），男，山西阳泉人，毕业于东北大学采矿工程专业，本科，助理工程师，现为山西煤炭运销集团恒泰皇后煤业有限公司生产技术部部长，主要从事煤矿生产技术管理工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.021试（实）验研究岩煤层厚度/m地层单位系统组柱状图1500煤层岩石名称岩性描述石炭系C上统C3太原组C3t中段C3t2下段C3t18.6510.35砂质泥岩 灰黑色，裂隙发育，含植物化石9.511.1513.25K212.2石灰岩深灰色，质较纯，裂隙发育，充填方解石脉，含丰富的动物化石，中夹 3 层砂质泥岩0.30.5泥岩灰黑色，含植物化石0.46.308.4115黑色，光亮型为主，少量半光亮型7.51煤和暗淡型，结构简单，常含 03 层夹石，厚度大灰黑色，高含植物化石及黄铁矿结核1.92.32.1砂质泥岩山西冶金E-mail:第 46 卷表 115 号煤层及其顶底板岩层标准试件力学参数测试结果汇总2.751 g/cm3，孔隙率 2.58%。对巷道围岩结构的观测采用武汉天宸伟业物探科技有限公司研发生产的专门用于井下钻孔观测、窥视测井的 ZKXG100 矿用钻孔成像轨迹检测装置，其分为仪器硬件和软件两部分，其中仪器硬件由钻孔成像仪主机、探头、深度计数器、推杆及连接线组成；分析软件采用武汉天宸伟业科技有限公司研发的TSC2013 高清晰智能钻孔成像仪分析评价系统。1）考虑到皇后煤矿 15 号煤层为一个采区，并且为东西双翼开采布置，且有在掘巷道，故本次对围岩结构的观测选择多点进行，力求能够覆盖整个采区。本次共选择 2 个观测点，分别位于 15108 进风顺槽 38 m处（1 号测点）、15109 回风顺槽 480 m 处（2 号测点）。2）1 号测点钻孔孔径 89 mm，深度 22.2 m；2 号测点钻孔孔径 32 mm，孔深 9.6 m，所有钻孔垂直顶板布置。根据巷道围岩结构观测结果发现：在窥视位置、窥视效果及岩性分析方面，测点 2 基本上具有 15 号煤层顶板代表性。通过该测点进行顶板钻孔观测，可以看出顶板 05.11 m 为煤，呈灰黑色，光泽度高，裂隙发育，0.750.91 m 处有纵向裂隙，1.77 m 处有环状裂隙，2.552.70 m 处有纵向裂隙；5.119.60 m 为砂质泥岩-灰岩互层，裂隙发育，岩层呈深灰色-灰黑色，中间有白色方解石填充，7.65 m、8.31 m 处有环状裂隙，8.969.09 m、9.489.69 m 处有纵向裂隙，其余岩层完整，如图 2 所示。3原岩应力测定在 15108 回风顺槽 250 m 处打设 1 个地应力钻孔，采用水压致裂法对测试点的地应力进行了测试。采用水压致裂法对钻孔中的应力进行测量时，主要采用 1 对封孔器对特定一段钻孔进行封堵，形成环形封堵空间，然后对封堵空间进行高压注水，随着水压持续增大，孔壁岩体出现破裂现象，继续增加压力直至孔壁岩体出现破裂扩张现象，在水力致裂过程中实时记录水压、流量等随时间变化情况，绘制变化曲线，即可计算出围岩主应力大小，具体实施过程如下：1）确定致裂钻孔区段：水力致裂区段围岩在试验前必须具有很好的完整性，钻孔施工完后可通过窥视仪进行观察选取，但是为了避免采掘巷道过程中承应力对孔壁围岩稳定性的影响，一般选取的致裂孔位应距巷道巷宽的 2.5 倍以上。2）注水管泄露试验：为了保证水力致裂效果，采用的高压注水管外部必须用钢丝包裹，在试验前应对注水管进行加压泄露测试，试验注水压力为致裂最大压力的 1.5 倍。3）水力致裂试验：待所有准备工作完成后，将 2个封孔器安装在指定位置并使之膨胀封堵，确保封堵空间的密封性，然后将注水管与高压水泵进行连接，开泵注水直至使孔壁围岩出现破裂，关闭注水泵。4）重张试验：待孔壁岩体致裂且致裂区压力完全回零后，即可进行重张试验，即再次开启注水泵注水，使孔壁裂缝重新张开，在重张试验过程中的压力变化曲线表现为偏离线性关系，然后关闭水泵，记录压力随时间的衰减曲线。5）印模：采用专用印模器对致裂区进行印模，印模前将印模器空气排净，然后在印模器胶筒上均匀涂抹四氢呋喃，最后采用注水管将印模器送至致裂段。6）裂纹方向确定：印模完成后，取下印模器，采用透明薄膜描出印模胶筒上的基线和裂纹迹线，从而测量出裂纹与基线的夹角，并及时标注上下端。7）测试数据处理与分析：通过水力致裂过程中记录的曲线图可得出孔壁围岩破裂压力、瞬时关闭压送样编号岩石名称顶板1砂质泥岩36.41.854.5538583.610.70.17顶板2K2 灰岩82.14.588.56361010.410.20.12顶板3泥岩20.10.911.9838571.57.40.1515 号煤煤14.30.410.58底板1砂质泥岩39.21.683.1139373.410.80.13抗压强度/MPa抗拉强度/MPa抗剪强度/MPa内摩擦角凝聚力/MPa弹性模量/GPa泊松比图 2煤层顶板围岩结构观察成像柱状图0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0N ESWNm2.02.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.13.23.33.43.53.63.73.83.94.0N ESWNm4.04.14.24.34.44.54.64.74.84.95.05.15.25.35.45.55.65.75.85.95.0N ESWNm6.06.16.26.36.46.56.66.76.86.97.07.17.27.37.47.57.67.77.87.98.0N ESWNm8.08.18.28.38.48.58.68.78.88.99.09.19.29.39.49.59.6N ESWNm56窑窑2023 年第 9 期力、重张压力等参数，然后根据公式可计算出围岩最大水平主应力、最小水平主应力以及围岩抗压强度等。1）15108 回风顺槽顶板钻孔围岩致裂期间压力记录曲线如图 3 所示。利用水压致裂数据处理软件对该曲线分析计算得出：破裂压力 pb=7.00 MPa，重张压力 pr=3.85 MPa，瞬时关闭压力 ps=3.42 MPa；测点处巷道高 3.1 m，测试段距孔口 15.4 m，测点处巷道底板距地表埋深约 195 m，由此可得，测试段埋深约 176.5 m，根据埋深可以计算出最大水平主应力滓h，max=6.04 MPa，最小水平主应力 滓h，min=3.24 MPa，垂直主应力 滓v=4.41 MPa。2）原岩应力测量结果表明：所测区域最大水平主应力值为 6.04 MPa，最小水平主应力值为 3.24 MPa，垂直应力值为 4.41 MPa，测试区域地应力场在量值上属于低应力值区域，井下地应力场类型为 滓h，max滓v滓h，min型应力场，地应力场最大水平主应力方向为 NEE方向。4结论及建议1）确定了 15 号煤层直接顶为稳定岩体，稳定性好，岩体平均单轴抗压强度为 82.1 MPa，有利于螺纹锚杆进行围岩支护控制；顶板围岩 10 m 范围出现局部裂隙发育，后期再采掘施工时需对裂隙区采取锚索加固。2）根据应力测试结果来看，15 号煤层围岩处于低应力场区，为后期工作面小煤柱或者无煤柱回采提供了理论依据。3）15 号煤层顶板伪顶为薄层泥岩，直接顶为石灰岩与砂质泥岩互层结构，石灰岩中有分解石脉充填，层理发育，且顺槽掘进巷道多为托顶煤掘进，因此要加强锚杆、锚索施工质量的管理。参考文献1闫永林.贺西煤矿巷道围岩地质力学测量与分析J.煤炭技术，2021（4）：115-117.2刘云鹤.西铭煤矿煤巷围岩物理力学参数测试J.江西煤炭科技，2021（2）：55-57.3于可伟.煤矿井下巷道围岩地质力学测试试验研究J.煤炭科学技术，2019（12）：62-67.4刘敏丽.煤矿巷道围岩力学性能测定研究J.内蒙古煤炭经济，2015（22）：92-94.5李国彪.三交河煤矿巷道围岩物理力学性质测试研究J.中国矿业，2012（5）：19-22.（编辑：武倩倩）图 315108 回风顺槽顶板钻孔围岩致裂应力变化曲线图Geomechanical Analysis of Surrounding Rock of 15#Coal Seam in Queens Coal MineJi Feng1,Cheng Yulong2（1.Shanxi Coal Transportation and Marketing Group Hengtai Queen Coal Industry Co.,Ltd.,YangquanShanxi 045100,China；2.Jinneng Holding Shanxi Science and Technology Research Institute(Taiyuan)Science and Technology Company,Taiyuan Shanxi 030000,China）Abstract:In order to provide accurate geological and mechanical parameters for the design and optimization of surrounding rock supportduring the excavation of the 15th coal seam roadway in Queen Coal Mine,and further improve the effectiveness of surrounding rock control,through technical research,it has been decided to measure the physical and mechanical parameters of the surrounding rock,observe thestructure of the surrounding rock,measure the original rock stress,and monitor the rock pressure of the 15th coal seam in the mine field.Combined with the results of in-situ testing of underground geological mechanics and observation of rock pressure obtained in the previousstage,this paper oganizes,synthesizes,and analyzes relevant data.The research results indicate that cracks are developed within the range of09.69 meters on the roof of coal seam 15,and there is a false roof on the roof,with an average compressive strength of 20.1 MPa.The directroof is made of limestone,with an average compressive strength of 82.1 MPa.The stability of the surrounding rock is good,which isconducive to improving the effectiveness of anchor rod(cable)support.Key words:coal mine;surrounding rock;mechanical parameters;surrounding rock structure;analytical research冀峰，等：皇后煤矿 15 号煤层围岩地质力学分析研究欢迎投稿 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