汾西矿区地质力学参数测试及煤岩性分析研究

项目所属科学技术领域、主要内容、特点及应用推广情况：

汾西矿区地质力学参数测试及煤岩性分析研究项目属矿山工程技术领域。

《汾西矿区地质力学参数测试与煤岩性分析研究》课题的主要研究内容和特点如下：

(1) 煤矿井下支护状况取决于两个主要因素—岩层和作用于岩层上的地应力场。由于岩层本身结构与力学性质的复杂性以及作用于岩层的地应力场的多变性，在实验室内进行各种测试的结果很难保证同现场实际情况一致。只有巷道围岩地质力学现场测试才是支护设计前必不可少的基础工作。巷道围岩地质力学测试主要包括地应力测量、围岩强度测量和围岩结构观察。

(2) 现场岩体地质力学参数测试技术一直是国内外工程界研究的重要课题之一，本课题通过对国内外原岩应力、岩体强度、节理裂隙观察的各种手段和方法的分析，最终确定采用水压致裂地应力测量方法、井下钻孔岩体强度测试法和钻孔窥视法作为巷道围岩地质力学现场测试手段。

(3) 地应力测量目前在国内外应用比较广泛的有应力解除法和水压致裂法。由于应力解除法在测量应力的过程中，其测量不仅受应变片的可靠性影响，而且也受弹性模量和泊松比测量可靠性的影响。特别是在煤矿井下测量地应力时，由于沉积地层中存在含水层，测量还要受到温度和潮湿环境的影响。因此，应力解除法在煤矿井下受到的限制比较大，测量精度难以保证。水压致裂法对环境的要求比较宽松，测量时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，测试时最小主应力值完全与岩石力学参数无关；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。为此，本课题拟采用水压致裂法进行地应力测量。

(4) 在对水压致裂地应力测量的原理、测试方法及技术关键进行详细研究的基础上，提出了提高测量精度的方法，并对测试仪器进行了改进。

(5) 采用实验室试验来确定岩石的物理性质，所取得的物理参数由于是在小试块的基础上获得，没有考虑到岩体的结构面对岩石物理性质的影响，因此，这些物理参数对于工程来讲一般是偏大的，应用于工程实践中将使工程施工偏于危险，安全状况得不到保障。同时，大多数岩体都具有弱面或软弱夹层。而且在煤系地层中也经常遇到强度很低的岩石，如粘土岩、炭质页岩、煤等，都不易制备成岩石试件。显然，最好的办法是在现场测量岩体的各种指标，用以比较精确地描述岩体的性质。与在实验室进行岩样强度测试相比，通过采用钻孔触探仪进行岩体强度测试，不仅测试结果更接近实际，而且可以减少大量测试费用。低成本测试技术可以允许进行大规模的数据采集，为工程技术人员提供更好的限定条件，同时提高设计的可靠性。

(6) 岩体是经受过变形、遭受过破坏，有一定的岩石成分组成，具有一定结构和赋存于一定地质环境中的地质体。岩石在结构面的控制下形成有自己独特的不连续结构。岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构对岩体力学的控制作用远远大于岩石材料的控制作用。光导纤维钻孔窥视仪用于观察巷道顶板岩性变化及节理裂隙发育程度，观察顶板离层的发生情况，具有轻便灵活的特点，测试地点可任意选取，不受电源等因素的影响，尤其适用于煤矿井下。

(7) 通过数值模拟详细分析和研究了原岩应力的大小和方向、煤岩体强度、节理裂隙等对巷道围岩变形破坏的影响程度，并指出在原岩应力中，垂直应力对巷道两帮煤层的位移和破坏影响最为明显，而水平应力是决定巷道顶板、底板岩层变形和破坏的关键因素。同时层理、节理密度、强度和刚度，以及分布，严重影响着岩层的变形和破坏方式。其影响程度在很多情况下超过任何其他因素。因此，弄清岩层中不连续面的分布、强度和刚度，对分析巷道变形机理，进行支护设计具有重要意义。

(8) 通过现场测试，获得了汾西矿区大量的围岩强度，岩层层理、节理裂隙等不连续面分布和变化的信息，以及地应力参数，对确定采煤方法，采煤设备选型，巷道布置，支护设计具有重要作用。

(9) 汾西矿区原岩应力类型以σV＞σH＞σh为主，各主应力的比值较小，绝对应力值也较小。这些条件均有利于巷道的稳定性。在巷道支护时应注意两帮支护及顶板由于存在不利的结构面而发生冒顶事故；

(10) 围岩强度测试结果表明，巷道围岩和煤层均属于中等硬度，在原岩应力值较小的情况下，表现出较好的完整性。但在构造区内或采动影响区内煤岩体可能会出现压屈破坏，同时节理裂隙张开，在支护时应适当增加支护强度；

(11) 通过钻孔窥视发现，在围岩内存在很多的张性节理裂隙，特别是在煤体内，说明巷道的支护强度或刚度不足。同时还观测到锚杆支护巷道围岩的整体性要远好于型钢支护巷道。

(12) 在现场进行了示范巷道的设计和施工，矿压观测结果表明，在地质力学测试基础上进行的巷道支护设计合理、安全、可靠，从而验证了围岩地质力学测试的可靠性。

本项目采用先进的岩石力学试验设备与仪器，以及WQCZ-56围岩强度测定装置，SYY-56型水压致裂地应力测量仪器，FS75型光导纤维窥视仪等多种国内领先的测试仪器。该项目具有较高的起点，研究、试验具有全面性、系统性。

本项目主要工作内容包括（1）巷道围岩地质力学测试① 井下巷道围岩强度测试；② 巷道围岩内节理、裂隙等不连续面分布测试；③ 井下地应力测量；④ 测试数据处理与评估；（2）煤层与顶底板岩性及物理力学性质测定① 现场调查，选择取岩芯地点；② 井下钻取岩芯，顶底板岩性描述，绘制柱状图；③ 实验室岩样加工；④ 煤与顶底板岩石物理参数测定，包括：真密度、视密度、孔隙率；⑤ 煤与顶底板岩石力学参数测定，包括：抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比、凝聚力、内摩擦角；⑥ 分析测定结果。（3）示范巷道工程，选择一条示范巷道进行锚杆支护设计，验证测试数据的可靠性、真实性。

应用推广情况

围岩地质力学参数测试是煤矿井下采掘工作的基础。随着新矿井的建设和矿井开采范围扩大和开采深度增加，基础参数不足和测试精度不够将严重制约煤矿的规模化和集约化生产，在新的矿井和采区生产前进行详细的地质力学测试将成为矿井高产高效的必要条件。目前汾西矿区将对新采区和新建矿井进行地质力学现场测试工作，同时全国大部分矿区均提出了进行地质力学参数现场测试的要求。因此，巷道围岩地质力学参数现场测试具有广阔的推广应用前景。

(要求3000个汉字)