倾斜煤层巷道围岩地质力学性质研究

倾斜煤层巷道围岩地质力学性质研究

邵帅钦1, 孙赑2, 常山2, 鲁宁宁3

(1.四川川煤华荣能源有限责任公司, 四川 成都 610091;2.安徽科技学院建筑学院, 安徽 蚌埠 233030;3. 山东省煤田地质局第三勘探队, 山东 泰安 271002.)

摘要：为开展倾斜煤层巷道围岩地质力学性质研究，本文综合确定了某矿回采巷道位置、顶底板取芯位置、窥视探查地点等；开展了所属矿井回采巷道顶底板岩芯钻取、煤样制备、顶板钻孔窥视探查等现场测试工作；完成室内实验室岩石力学基础参数测定，巷道围岩地质力学评估分析。

关键词：倾斜煤层、巷道围岩、地质力学

1. 倾斜煤层巷道工程

1.1 巷道概况

某矿-244采区为K26、K27煤层联合布置采区。采区走向长2450m，倾向长453m，倾角28°~31°，平均29°。其中K26煤层厚0~1.66m，可采范围平均1.26m，倾角27°~32°，平均30°；K27煤层厚0~1.39m，可采范围平均0.83m，倾角26°~32°，平均29°，煤层间距0.7~2.29m，平均1.93m。

该采区-2445风巷相对应的标高较大为+536m（位于工作面风巷中段），较小标高为+326m（位于工作面机巷最南端），地貌为中~低山、深丘、深切剥蚀地貌，中部高两端低，总体来说大致向南倾斜，除局部局域（冲沟两侧）较陡外，总体地势较平缓（大约15°~38°）。

1.2 支护方案

-2445风巷顶板上采用锚杆+钢筋梯+锚索+钢丝网支护顶板，每排布置5根Φ20mm、长2000mm的螺纹钢锚杆，锚杆之间采用钢筋梯顺巷道轮廓线连接，间距800mm，排距800mm。巷道两帮各施工两根长度为1.5m的管缝式锚杆，间距为1000mm，排距为800mm。顶板及巷帮必须铺设钢丝网，巷道下帮钢丝网铺设至腰线上，钢丝网必须铺设在钢筋梯与巷道围岩之间，并拉紧敷平紧贴岩面，锚网外边沿距锚杆的距离不得大于200mm。巷道顶板横断面上每3m施工一组（每组2根）长为5.2m的锚索，锚索间距1200mm，排距3000mm，锚索施工在巷道中心线两侧600mm位置。

1.3 巷道围岩地质构造

巷道附近断层中有部分断层落差较大，在回采过程中，断层附近顶板管理难度较大，工作面过断层应补充专项措施。除此之外，工作面附近区域内未发现其他较大褶曲、陷落柱等影响煤层完整性、稳定性的地质构造。工作面含煤地层沿走向、倾向的产状变化不大，没有受岩浆岩的影响，地质构造对采区的采煤工作面的连续推进有影响，工作面地质构造复杂程度划分为中等。

1.4 水文地质条件

巷道揭露未见淋、滴水，上部采空区无积水，工作面对应地表仅有一季节性小溪沟，工作面距离地表垂高444m以上，区域内无大于30m的断裂构造，地表水对其无影响。煤层顶板含水层厚度为6.69m左右，富水性弱。导水裂隙带高度为28.1m，导通含水层，对回采充水影响较小。工作面不受离层水、陷落柱水、岩溶水等影响。

2 巷道围岩岩性与强度

2.1 巷道围岩地质状况

巷道上方依次为K26煤层直接底，其岩性为灰色砂质泥岩，含植物化石碎片，显水平层理，普氏硬度系数f=3~4，坚固程度为（Ⅴ类）中硬岩石；其次为K26煤层，平均厚度1.26m，平均倾角30°，黑色，油脂光泽，半亮型；再上方为K26煤层与K27煤层间隔岩层，岩性为炭质泥岩，厚度0.66m，黑色，含镜煤条带；再上方为K27煤层，平均厚度0.83m，平均倾角29°，黑色，半暗型，层状构造，含少量方解石脉；再上方为K27煤层直接顶，岩性为泥岩、粉砂质泥岩，厚度8.4m，含植物化石碎片，普氏硬度系数f=3~4，坚固程度为（Ⅴ类）中硬岩石；最后为K27煤层基本顶，岩性为粉砂岩，厚度4.45m，灰色，下部为细粒砂岩，普氏硬度系数f=5~6，坚固程度为（Ⅳ类）相当硬的岩石。

2.2 巷道围岩物理力学参数

岩石力学性能测试实验主要包括岩石单轴抗压及压缩变形实验、劈裂（抗拉）实验、剪切实验及点荷载强度试验。本次进行岩石力学参数测定的仪器为深圳万测液压式万能材料试验机与点荷载测试仪。用游标卡尺对试件尺寸、破坏尺寸进行测量。进行点荷载测试的仪器为PLT-2W无线数字式岩石点荷载测试系统，其最大施加载荷为600kN，可自动记录试件破坏峰值。

2.3煤岩试样采集与试样制备

本次岩石试验取样包括K26、K27煤层及其顶底板。每一宏观类型分层内所采取块样进行的试验视分层的煤岩成分和结构特点而定。当分层内岩体成分分布较均匀、结构简单时，可现场钻取岩芯至岩样加工室，利用岩石切割机、磨石机制备规格为Φ50mm×H100mm、Φ50 mm×H50mm和Φ50mm×H25 mm标准试件各18个，进行单轴抗压及压缩变形、劈裂（抗拉）、抗剪实验；当该层煤岩成分分布不均匀、结构复杂，难以取出完整岩芯时，掘取大块岩样，岩样尺寸至少200×200×200mm，确保能够钻取18个标准试样，同时采下块体进行点荷载强度试验，个别层位采不到块样时，可采取该层位的分层煤样代替或用相邻同一层位、具有相同宏观煤岩类型和结构的块样代替。采取的样品应有编号，编号包括煤矿、巷道名称、种类（基本顶、直接顶、煤层、底板）、岩性及层位。采得的煤岩岩芯应在井下采样点立即用保鲜膜包好，并附不易磨损和污染的标签，标明煤、岩的编号及特征，外边用宽胶带将其捆扎紧，防止样品氧化、干裂。

2.4 测试结果

（1）煤岩样单轴压缩实验

由于柏林煤矿煤岩层成分布不均匀、结构复杂，钻孔取芯难以取出长度大于10cm的煤样，煤样单轴抗压强度需通过点载荷实验测得。故关于单轴压缩实验的测试包含K26直接底、K27直接顶、K27基本顶3组岩样。

K26煤层直接底以砂质泥岩为主，平均单轴抗压强度19.53MPa，弹性模量3.79GPa，泊松比0.12；K27煤层直接顶以泥岩为主，平均单轴抗压强度22.8MPa，弹性模量5.69GPa，泊松比0.12；K27煤层基本顶以粉砂岩、细粒砂岩为主，平均单轴抗压强度40.63MPa，弹性模量8.69GPa，泊松比0.13。两个煤层基本顶脆性较高，实验时呈现较为强烈的崩裂破坏现象。

（2）煤岩剪切测试

与单轴压缩实验一致，剪切实验包含、K26直接底、K27直接顶、K27基本顶3组岩样。K26煤层直接底内聚力为10.85MPa，内摩擦角为14.94°；K27煤层直接顶内聚力为9.19MPa，内摩擦角为10.44°；K27煤层基本顶内聚力为10.76 MPa，内摩擦角为15.1°。

（3）煤岩劈裂实验测试

通过对煤岩试样的劈裂测试实验，可得K26煤层直接底平均抗拉强度为1.73MPa；K27煤层直接顶平均抗拉强度为2.90MPa；；K27煤层基本顶平均抗拉强度为3.87MPa。

（4）点载荷测试实验

选取K26、K27煤层的煤样进行点荷载测试，计算得到煤体岩样的强度指标及抗压强度实验结果，其中K26煤层平均强度指标0.01MPa，平均抗压强度0.17MPa；K27煤层平均强度指标0.01MPa，平均抗压强度0.15MPa。

4 巷道围岩结构探测

本次采用管易通高清工业管道内窥镜防水检测探测器进行煤岩体结构观察。探测器采用1200万像素全景摄像、成像仪技术，其图像高保真。整套仪器具有高集成性、可靠性、便携性等特点。特别适合在无法取得实际岩芯的破碎地层，可清晰的观测到地应力测试钻孔中的夹层、裂隙、离层和岩脉等特殊地段。

在井下巷道中打好钻孔后，就可以进行钻孔结构观察。首先将钻孔窥视仪插入钻孔中。利用钻孔窥视的连接杆慢慢将探头往孔深处抬送，有裂隙和结构处放慢速度，必要情况下观察和记录特殊孔段围岩结构状况，结束后对窥视结果记录在表格中，并对其进行处理和分析。测点钻孔位于巷道顶板，并垂直于岩层，钻孔直径32mm。

钻孔窥视结果如下：风巷顶板岩性以炭质泥岩、泥岩、粉砂岩和细粒砂岩岩性为主，其中K26煤层直接顶厚度为 1.0 m 左右，以炭质泥岩为主，下部分布有少部分砂质泥岩，其围岩破碎带分布明显，整体稳定性较差；K26煤层直接顶上部为K27煤层，裂隙发育明显，破碎程度较高；K27煤层直接顶厚度为6.0m左右，以泥岩为主，夹杂有粉砂质泥岩，围岩局部有破碎带及裂隙发育，整体稳定性较差；K27煤层基本顶岩性以粉砂岩为主，下部为细粒砂岩，局部存在少量破碎区，围岩整体稳定性较好。

5 结论

（1）-2445风巷地质构造复杂程度为“中等”，水文地质条件简单。K26直接顶以炭质泥岩为主，破碎带分布明显，难以取样，整体稳定性极差；K27直接顶局部有破碎带及裂隙发育，单轴抗压强度22.80MPa，抗拉强度2.90MPa，内聚力9.19MPa，完整性相对较差；K27基本顶以粉砂岩为主，下部为细粒砂岩，局部存在少量破碎区，整体稳定性较好，单轴抗压强度40.63MPa，抗拉强度3.87MPa，内聚力10.76MPa。

（2）巷道围岩探测结果显示K27煤层裂隙发育明显，破碎程度较高，完整性极差，点载荷实验测得K26、K27煤层抗压强度分别为0.17 MPa、0.15 MPa，属极软煤层。

（3）巷道底板以砂质泥岩为主，含植物化石碎片，单轴抗压强度19.53MPa，抗拉强度1.73MPa，内聚力10.85MPa，岩石完整性相对一般。