我国巷道围岩地质力学测试技术新进展.pdf

第2 9 卷 第7 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 1 年7 月 我国巷道围岩地质力学测试技术新进展 康红普，林健 煤炭科学研究总院 北京开采研究所，北京1 0 0 0 1 3 】 摘要 介绍了我国新近开发 的、与煤巷锚杆支护相配套 的快速地质力学测试 系统，涉及测量方 法、测量仪器及数据处理方法，以及该套系统在潞安矿区的应用情况。 关键词巷道围岩；地质力学测试 ；测量仪器 中圈分类号 T D 3 1 1 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 1 0 7 0 0 2 70 4 Ne w d e v e l o p me nt i n g e o me c ha ni c s me a s u r e me n t a nd t e s t t e c h no l o g y o f m i ne r o a d wa y s u r r o u n di ng r o o k KANG Ho n g - p u ．Li n J i a n B e lj i n gR e e a r c h I n s t i t u t e C o a l Mi n i n g C e n t r a l C o a l I n s t i t u te， B 1 0 0 0 1 3 C h i n a A b s t r a c t Th e p a p e r in t r o d u c e d a n e w d e v e l o p me n t o f t e s t i n g a n d mcr i n g s y s t e m o f g e c n e c h a n i c s wh i c h f o r m a c o mp l e t e s e t wi t h a b o l t s u p p o r t n I c o a lroa d wa y．in v o l v e d ame t h o d o ft est ，n a e a s ．a i ng d e v i c e a n dI r 1 咀r I s o f d a t aWo e e s s i ng Th e p a p e r h a s a s u 咖ma a p p l i c a t i o n o f t h e s yst em i n L u’a n Mi n i n g Ar e a ． Ke y w l s s u r r o u n d [ ng r o c k o f mi n e r o a d wa y；me a s u r e me ta t a I 1 d t 幅t 。 f g e o me c h a n i c s me a s u r i ng d e v i ce 巷道围岩是一个极其复杂的地质体，与其它工 程材料相比．它具有两大特点其一是岩体内部含 有各种各样的不连续面， 如节理、 裂隙等，这些不 连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特 征， 致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体 含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响着 围岩的变形和破坏。因此，一切与围岩有关 的工 作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是锚杆支护 设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。 煤炭科学研究总院北京开采研究所通过引进和 自行 开发 ，形成了一套与煤巷锚杆支护技术相配套 的巷道围岩地质力学快速测试系统 ，可快速 、准确 地获得围岩各种地质力学参数。该系统成功地应用 于潞安、晋城等矿区，为锚杆支护设计提供了可靠 的保证 1 巷道围岩地质力学测试系统 地质力学测试 系统主要包括井下地应力 测量 、 巷道围岩强度测定 、围岩结构观察等内容。 1 1 地应力测量 1 地应力测量方法。本系统的地应力测量采 用水压致裂测量方法。与应力解除法相比，水压致 裂法有以下优点① 能测量较深处的绝对应力状 态； ② 它是最直接的测量方法，无需了解和测定 岩石的弹性模量，甚至连岩石的抗张强度也可以用 水压曲线求出，最小主应力值完全与岩石力学参数 无关 ；③ 与套芯应力解 除法相 比，水压致裂测量 应力的空间范围较大， 受局部因素的影响较小； 不需 要套芯工序，可利用其它工程的勘探孔进行压裂。 2 地应力测量仪器。地应力测量仪器为北京 开采所 自行开发 的 S YY一5 6型水压致裂地应 力测 量装置。该装置是目前国内唯一的一台小孔径水压 致裂地应力测量仪。采用小孔径钻孔 9 5 6 r f lr f 1 ， 可 在井下进行快速、大面积地应力测量。同一钻孔还 可以用于巷道围岩强度测量 图 1 该仪器由分隔 器、印模器、定位器 、 手动泵、储能器、隔爆油泵 及记录仪等部件组成。轻便灵巧，性能稳定，非常 适合井下快速测量工作 。 3 测量方法及数据处理。一般情况下 ，在测 量时选择岩芯比较完整的孔段进行测量。在各种仪 器 、设备运转正常的情况下 ，将封隔器送到某一预 选的孔段，用手动泵给封隔器注压，并保持在某一 2 7 维普资讯 第 2 9 卷 第7 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 1 年7 月 高压泵 图 1 水压 致裂地应力测量 示意 压力下 压力的高低视各方面条件决定 ，然后接 通高压油泵，向压裂段注压，直到岩石破裂后关泵 停止加压，待压力稳定后，使压裂管道的压力与大 气接通，第一个回次的试验完毕。待压裂管道内的 压力完全回零后，即可开始第二个回次的试验，直 到第一次产生的破裂缝重新张开， 其实时曲线表现 为偏离线性关系， 然后关泵， 再继续记录一段压力 随时闻的衰减曲线后，将压裂管道与大气接通，使 压力回零 ，一般情况下 ，重张试验需重复 3 ～4次。 将带有定向装置的印模胶筒送到已经产生压裂 缝的孔段， 加压并保持一段时间后将其取出孔外； 再将印模胶筒上的裂隙痕迹描在专用薄膜上，以备 室内整理。地应力测量数据采用开采所自行开发的 水压致裂地应力测量数据处理软件进行处理。 1 2 巷道 围岩强度测试 1 测试仪器。采用 B H S 一5 6型围岩强度测 定装置进行围岩强度测试 图 2 。该装置是原 WQC ZI型围岩强度测定装置的改进型 ，由围岩 强度测定仪、 探头、手动泵 、 高压管 、 延长杆等部 件组成 ，其 中手动泵为美 国进 口泵 ，轻便灵巧，性 图 2围岩强度测定示意 能稳定。探头由原来的 0 8 9 11 1 1 1 1 改为 0 5 6 m m。非 常适合井下快速测量工作。 2 测试原理。岩体强度的测定在现场的巷道 围岩钻孔中进行。探头内的活塞在高压油的驱动下 发生移动， 使端部顶针压向钻孔孔壁。顶针的位移 由围岩强度测定仪微安表头显示。在顶针作用下的 钻孔孔壁达到临界破坏压力之前 ，顶针静止不动 ， 随着压力的增加，顶针作用在钻孔孔壁上的压力一 旦达到其临界压力 ，孔壁岩体便被压坏 ，围岩强度 测定仪的微安表头指针突然跳动，此时手动泵的压 力表所记录的最高压力值读数即为测得的该点孔壁 岩体的临界强度。经过简单计算 ，便可得到该点的 岩体单轴抗压强度。 3 测试方法。为了测定整个钻孔长度内岩层 的抗压强度 ，每隔 2 0 0 --3 0 0 mm取一个测试剖面 ， 由延长杆的刻度进行指示。在每一个剖面上需测定 3 点，3 个测点均布在圆周上。每个剖面 3点临界 压力值的算术平均值作为该剖面位置岩石的l临 界压 力 。 1 ． 3 巷道 围岩结构观察 1 测试仪器。采用美国 F S 7 5 2 0型钻孔窥 视仪进行钻孔观察。该仪器由柔性光导纤维、 观察 镜、 目镜、 照相机接头及矿灯光源接头等部件组成。 2 观察方法。井下巷道中打好钻孔后，即可 以进行钻孔观察 图 3 。首先将钻孔窥视仪插人钻 孔中至最大窥视深度， 然后接上矿灯， 从 目镜中观察 钻孔形态。边观察，边慢慢转动和抽出窥视仪 图3 钻孔窥视仪示意 ●■0 另外，在钻孔时应尽量采取岩芯。根据岩芯采 取率及岩芯的破碎状态 ，可详细了解巷道围岩的节 理、层理及裂隙情况 特别是巷道顶板6 m以上的 岩石情况 。 2 巷道围岩地质力学测试系统的应用 采用巷道围岩地质力学测试系统在潞安矿区成 功地进行 了 9个 测点 的巷道 围岩地质 力学测 试工 维普资讯 第2 9 卷 第7 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 1 年 7 月 作 测试结果达到了预期的效果 ，也为巷道围岩地 质力学快速测试系统 的改进积累了宝贵的经验 。 2 ． 1 地应力测量 1 测量结果。图 4是常村矿一测点 的压裂 曲 线，印模结果见图 5 。经水压致裂数据处理软件分 析就可得出主应力的大小和方向。全矿区地应力测 量结果见表 1 。 1 2 9 幽 3 } j i 数据 采集时问 图4 常村 胜带 下山地应 力剥量压裂 曲线 N 之 N3 5 7 围5 常村 ％胜带下山地应力印横 衰 1 潞安矿区地应力测■结果 蝴称 V I Pa ／ wi ] ， m 胜 2 地应力测试结果分析。 地应力测试结果表 明， 潞安矿区主要有 2种地应力场① G V G h ，共 7个 测 站 ，a H 最 小 为 1 ． 0 3 ，最 大 为 1 ． 8 4 。 钾 铂 ，共 2个测 站 ，钾 1 ． 2 9 ～ 1 ． 7 5 。可见，潞安矿区地应力总体上以水平应力 为主。最大水平主应力方向主要集中在 N l 1 ． 8 。 W ～ N5 5 ． 0 ’ W 。 从矿区中各矿地应力情况来看，王庄矿煤层埋 深最浅，所测地应力数值是各矿中最小的；其次是 石圪节矿和漳村矿；常村矿和五阳矿所测地应力数 值最大，其中最大水平主应力达到 l 5 ． 1 6 MP a 。实 测资料表明地应力随深度呈线性变化。因此，将整 个矿区内各测试点的主应力值进行线性回归，结果 如 图 6 。 地皮力 ／ MP - 田6 游安矿区地应力值随耀度的变化 2 ． 2 巷道围岩强度测试结果及分析 本次巷道围岩强度测试主要测试巷道顶板 1 0 m范围内的岩层和煤体强度。从整个矿区的围岩强 度测试结果来看，3 号煤层的单轴抗压强度各矿存 在一定的差别。其中，王庄煤矿煤层强度最大，平 均单轴抗压强度为 l 8 ． 3 MP a ， 且煤层的完整性较 好；其次是常村煤矿和石圪节煤矿，煤层平均单轴 抗压强度分别为 1 5 ． 1 MP a 和 l 3 ． 5 MP a 。不同的 是，石圪节矿的煤体比较完整，而常村煤矿的煤体 节理裂隙比较发育，煤体完整性差；五阳煤矿和漳 村矿煤层强度最小，平均值分别为 9 ． 9 3 MP a和 9． 6 0 MP a ，其 中，五阳矿 5 1采区和漳村矿二水平 节理裂隙比较发育，煤体完整性差。 从煤层顶板来看，各矿3 号煤层直接顶的硬度 相差 比 较悬殊。其中，直接顶强度最大的是石圪节 和常村 煤矿 ，均在 4 0 MP a以上 ；其次为 王庄矿 ， 直接顶强度在 3 1 ～3 5 MP a ；直接顶条件较差的是 五阳矿 ， 强度在 1 9 4 5 ． 5 MP a ；条件最差的矿为 漳村煤矿，强度在 1 3 ～2 2 MP a ，并且在此之上还 有一层强度约 6 ． 7 5 Me a的小煤。 2 3 窥视结果分析 本次潞安矿区各矿钻孔窥视的巷道，支护形式 2 9 维普资讯 第2 9 卷 第7 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 1 年7 月 有锚杆支护和型钢支护两大类。通过钻孔窥视可以 看出，由于型钢支护属于被动支护方式 ，巷道的顶 板出现大面积的离层、裂隙和破碎， 一旦上覆岩石 的质量和应力超过型钢的极限承载能力，造成型钢 变形破坏，将会给巷道维修带来很大的困难，同时 也使巷道的维护费用大大增加。 通过对锚杆支护巷道的窥视发现 ，顶板的维护 状态要好于型钢支护巷道。其中，常村矿 一 1 胶 带巷未发现有离层及破坏现象，巷道支护状态良 好；五阳矿 7 5 1 6 放水巷除顶板表面有轻微离层外 0 ． 2 4 m处 ，上部煤体 和岩层 维护 良好；王庄矿 窥视的两条巷道中，5 2北轨发现在缝管式锚杆的 顶部有破碎带出现 ，说 明锚杆的支护强度不够。矿 方在巷道掘进完成后，正在对该巷道进行高强锚杆 和锚索加固。4 3 3 下山采用锚喷支护，在窥视中发 现在顶板 4 ． 0 0 m处有一条小的破碎带，估计不会 对巷道的安全造成很大的威胁 。 总之，锚杆支护属于主动支护方式，通过加固 岩体而达到支承自身质量和周围岩石传递的应力。 在锚杆支护的巷道中，应尽量控制上覆岩体产生离 层破坏，维持其结构稳定性，达到安全支护巷道的 目的。 3 结 论 性、系统性和成套性强，能够快速完成地质力学测 试工作 ， 为锚杆支护设计提供可靠的基础参数。本 系统的广泛应用对推动我国煤巷锚杆支护技术的发 展，提高巷道支护效果和安全程度具有很大作用。 2 潞安矿区完成地质力学测试工作后 ， 查清 了全矿区地应力分布特征和主应力方向，围岩强度 大小和变化范围，顶板岩层结构和离层情况，为该 矿区大面积推广应用锚杆支护奠定了坚实的基础。 3 根据地质力学测试结果在潞安矿区进行了 4 条锚杆支护示范巷道的设计和施工，从支护状况 来看，设计显示出其合理性、经济性和科学性，巷 道安全性得到明显提高，地质力学测试完全达到了 预期的 目的。 参考文献 [ 1 ] 康红普软岩回采巷道锚杆支护技术的发展 A] ．世纪之 变软岩工程技术现状与展望论文集 [ c 北京煤炭工业 出版社．1 9 9 9 [ 2 ]C o l e W J ，F a b kM W D i A p p r o a c ht o A C o d M／ h e R o a d w a y a b i i v y and S u p p o R e q u L r e a l e a t [ J 田A ． u l i a n 1 、 mn d I i 】 】 g C o n f E r e n c e ， 1 9 9 3 [ 3 ] 苏恺之地应力测量方法 [ M] 北京地震出版社，1 9 8 5 煮 曼 之 差 苎 詈 氅 孽 应 收 稿 期 2 0 0 0 - 1 2 - 0 8 ； 责 任 编 辑 杜 乐 清 量 、井下巷道围岩强度测试和钻孔结构观察，全面 ⋯’ ’ ⋯ 。 ’ 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 上接第 3 3页 石脆性破坏过程中的临界损伤破坏行为，采用重整 化标度变换，得出了具有指示性质的岩石损伤破坏 的临界概率，为预测岩石工程失稳提供了新方法。 参考文献 [ 1 ] 凄建明，孙均脂性岩石的细观裂纹损伤及其时教特征 [ J ] ． 岩石力学与工程学报，1 9 9 3 4 ． [ 2 ] 张晓春，杨挺青，缪协 岩石裂纹演化及其动力学特性的 研究进展 [ J ] 力学进展，1 9 9 9 1 [ 3 ]T a r c o t t e D L F r a e t a ls a n df g Ⅱ l 目 n 趾 1 [ J ] ． J o ,ml a t o f G e o - p h y s i R e s e a r c h 1 9 8 6 。9 1 丑 2 上接第 4 1页 蓄电池的使用寿命， 还可实现全 自 动充电，大大减 轻了充电人员的劳动强度，深受现场欢迎。 参 考文献 [ 1 ] 李敬兆，王清灵．鲍鸣 等 一种新型隔爆晶闸管充电装 置 [ 】 ] 煤矿自动化 1 9 9 5 增刊 [ 2 ] 李序藻． 壶 【 永建电力电子器件及其应用 [ M] 北京 机械 工业出版杜 1 9 9 6 [ 3 ] 诸静． 模栅控耐原理及应用 [ M] 北京 机械工业出版 杜 ． 1 9 9 8 作者筒介李教兆 1 9 6 3 一 ，男，安徽淮南人，副教授， 硕 士生导师，现任淮南工业学院电气工程系列副主任并在台胞工业大 学攻读博士学位。 收稿 日期2 0 0 0 0 7 1 7 ；责任编辑李军涛 收稿 日期2 0 0 01 2 0 8 ；责任编辑王宗禹 维普资讯