任楼矿5 ,1 -7 ,2 煤层段岩体工程地质力学特征及其稳定性评价.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 任楼矿5-7煤层段岩体工程地质力学特征及其稳定性评 价 姓名冯松宝 申请学位级别硕士 专业地质工程 指导教师吴基文 20090601 摘 要 摘要 本论文针对任楼煤矿在开采7 煤过程中巷道破坏严重的情况，应用沉积岩石 学、岩石力学、构造地质学、工程地质学和模糊数学等理论和方法，系统地研究了任楼 煤矿5 , - 7 。煤层段的岩石组成、岩性分区、岩体构造特征、岩石物理力学特征、岩石质量、 岩组类型等，探讨了煤层段工程地质力学特征对煤层段岩体稳定性的影响。结合研究区 的实际情况，确定了煤层段岩体稳定性的评价指标即断裂分维值、单轴抗压强度 值、平面变形系数和岩性组合值，利用“双权重”方法确定了各影响因素的权重， 采用灰色模糊综合评价的方法，评价了5 1 ．7 2 煤层段的岩体稳定程度。评价结果为任楼煤 矿的巷道布置、支护形式选择、顶板管理提供了依据，为减少设计的盲目性、降 低成本打下良好的基础。主要结论5 1 - 7 2 煤层段岩性以粉砂．泥岩区和泥岩区为主， 它们大约占到8 5 ％；5 , - 7 煤层段岩体结构以碎裂和块裂为主，褶皱变形程度以中等发 育和较发育为主；5 , - 7 煤层段岩石总体R Q D 值在7 5 ％以下，岩石质量般的占大部分。 5 l - 7 2 煤层段，大部分为泥岩页岩岩细，这种类型的岩体，稳定性较差；加权单向抗压强 度值大部分在3 0 M P a - - 6 0M P a 之间，中等强度的占大部分；把断裂分维值和褶皱平面变 形系数作为模糊综合评价的因素，为煤层段岩体稳定性定量评价提供了新思路；5 1 - 7 2 煤 层段岩体在研究区中，极不稳定区和不稳定区占6 5 ％，较稳定区的占2 5 ％，稳定区占1 0 ％。 图[ 3 3 】表【2 3 】参【5 0 】 关键词煤系；工程地质力学特征；岩体结构；权重；灰色模糊综合评价 分类号 T D l 6 3 安徽理- T 大学硕十学位论文 A b s t r a c t A c c o r d i n gt o t h es e v e r es i t u a t i o n so fr o a d w a yd e f o r m a t i o ni nt h eC O l l r s eo f m i n i n g7 2c o a ls e a mo fR e n l o uc o a lm i n e ，B a s e d0 1 1t h e o r i e sa n dm e t h o d so fs e d i m e n t a r y p e t r o l o g y , r o c km e c h a n i c s , s m m a 皿lg e o l o g y , g e o l o g i c a le r 画h 咖a n df u z z ym a t h e m a l i c s , t h i s p a p e rs y s t e m a t i c a l l yr o c kc o m p o s i t i o n , l i t h o l o g yz o n e ，s m l c a a 陀c h a r a c t e d 血c s , r o c km e c h a n i c s c h a m a e d s t i c s , r o c kq u a l i t y , p e t r o f a b r i ct y p e sw e r es y s t e m a t i c a l l ya n a l r a x t T h ei n f l u e r 脱o f r o c k m a s se n g h a e e d n gg e o l o g i c a lm e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f 5 1 7 2c o a ls c a n ls e c t i o no f R e n l o u c o a lm i n et ot h er o c k m a s ss t a b i l i t yw e r ed i s c u s s e d ．C o m b i n e dw i t ha c t u a ls i t u a t i o no ft h e r e s e a r c ha r e a , e v a l u a t i o ni n d e x e so fc o a ls e a l ns e c t i o nr o c k m a s sw a sd e t o x n i n e 如．a m e l yf a u l t f r a c t a l d i m e n s i o n ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，p l a n a r d e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n t s o f f o l d s ，l i t h o l o g yc o m b i n a t i o nv a l u e ．B a s e do nt h em e t h o d so fd o u b l ew e i g h t ，w e i g h t so f a l l i n f l u e n c i n g f a c t o r sw e r ed e t e r m i n e d ．O nt h eb a s i so ff u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n , t h er o c k m a s ss c a b i 脚o f5 1 - 7 2c o a ls e a n ls i m o nw a se v a l u a t e d ．T h ee v a l u a t i o n r e s u l t ss u p p l i e ds c i e n t i f i cb a s i so fr o a d w a yl a y o u t ，s e l e c t i o no fs u p p o r tf o r m ，r o o f m a n a g e m e n tt oR e n l o uc o a lm i n e ．M a i nc o n c l u s i o n s a l ea sf o l l o w s R c 季吼o fs i l t s m n e m u d s t o n ea n dm u d s t o n ed o m i n a n tm o s to ft h e5 1 7 2c o a ls e a n ls e c t i o n ，a n dt h e ya c c o u n t e d f o r 3 0 ％； M o s t姐l c a l m so f5 1 7 2c o a l 爱砌9 既舾Ⅵ虢b l o c kf r a c t t 髓a n d f r a g m e n t i o r L M e d i u md e v e l o p m e n ta n dc o m p a r a t i v ed e v e l o p m e n to f f o l d i n gd e f o r m a t i o nd e g r e e w 硒m a j o r ；n 屺w e i g h t e dR O Do f5 1 - 7 2c o a ls e f l ms i m o nw a sa l lb e l o w7 5 ％a n d ‘ t h e c o m m o nr o c k ’a c c o u n t e df o rm o s to f t h er o c k ．M o s to f t h ep e t r o f a b r i co f 5 1 7 2c o a ls e a ms e g l i o n w a sm u d s t o n e - s h a l ep e U o f a b r i , a n di t ss t a b i l i t yw a sw o r s e ；F a u l tf r a c t a ld i m e n s i o n , p l a n a r d e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n t sW a st r e a t e da se v a l u a t i o nf a c t o r s , w h i c hs u p p l i e dan e ww a yt ot h e e v a l u a t i o no f r o e k m a s ss t a b i l i t y ．I nt h er e s e a r c ha r e a , e x l r e m e l yu n s t a b l ea r e aa n du n s t a b l et o g a a c c o u n t e df o r6 5 ％, r e l a t i v es t a b l ea r e aa c c o u n t e df o r2 5 ％, s t a b l ea r e s ．a c c o u n t e df o r l0 ％ F i g u r e 【3 3 】t a b l e 【2 3 】r e f e r e n c e 【5 0 】 K e y W o r d s c o a lm e a s l l l e ，e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l m e e h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，r o c km a s s s t r u c t u r e ，w e i g h tv a l u e ，g r a yf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D16 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，馀了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 童邀堡墨太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名 塑趑嚏日期竺堕年兰月J 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名歹弓脓皖签字日期硎年6 月JJ 日 撇砀叛抖嗍节绷“日 引言 引言 长期以来，矿井事故频繁发生，所以对煤层段岩体的工程地质力学性质的研 究，在煤田勘探阶段需要，在煤矿生产阶段也需要，它是在煤矿设计、采区设计 和工作面设计 作业规程 诸环节中均不可缺少的。近些年来，国内外一些学者从 含煤地层沉积环境和地质构造入手，分析煤层段岩体工程地质力学特征的影响因 素，建立不同岩层组合模式。分析了岩体工程地质特征与岩体稳定性关系，取得 了一定的成果。 前人的研究结果表明煤层段岩体的岩性、岩相及其组合特征不但在垂向上 发生变化，在侧向上也发生沉积相变。而且在后期构造运动作用下沉积岩体发生 变形与破坏，使层间岩体结构进一步复杂化。煤层段岩体稳定性主要由煤层段岩 体岩石 体 本身的力学性质和构造发育程度所决定的，评价煤层段岩体稳定性除 了考虑上述因素外，还需要考虑地下水、地应力及其变化等因素。由于岩体结构 力学效应的复杂性，使用单一手段均难以揭示其本质，因此需要用多种方法综合 利用，如采用实验研究获得相关参数，理论分析、现场观测与数学计算等多种手 段相结合进行综合研究等。 本次研究区为任楼煤矿，为适应市场需要，加大了对井田的投入和开发力度， 随着煤层开采深度逐渐增加，煤层顶板管理难度也逐渐增加，严重威胁了煤矿的 安全生产。揭露的资料表明，任楼煤矿在开采过程中，巷道围岩的变形情况比较 严重。 本文在总结分析前人成果的基础上，从任楼煤矿的实际地质条件出发，分析 了任楼煤矿5 1 ．7 2 煤层段岩体的工程地质力学特征，划分了5 l - 7 2 煤层段岩体岩组类 型，分析了工程地质力学特征对岩体稳定性的影响。采用灰色模糊综合评价的方 法对5 l - 7 2 煤层段岩体的稳定性进行了评价，该评价结果为顶板事故防治提供了依 据。 安徽理j 1 人学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 选题依据和背景 我国是一个煤炭资源大国，煤产量居世界首位，占我国一次能源生产和消费 总量的7 5 ％左右。据预测，在未来2 0 - - 5 0 年内，我国一次能源生产和消费以煤炭 为主的格局不会改变。但是随着开采深度的增加，煤层段稳定性及巷道围岩稳定 性问题就显得尤为重要。据统计，我国综采面开机率为2 5 ％，从造成系统工作面 不可靠及事故影响因素来看，由顶板事故、工作面端面顶板冒落所造成的工作面 停产时数与总产时数的比值高达4 0 - - , 6 0 ％，这是造成高产高效工作面系统不可靠的 主要因素，而且全国煤矿顶板事故上升幅度逐年加大。因此，煤层顶板稳定性是 确保安全、高效生产的基本条件，是采矿工程技术人员重点研究的课题。 煤层回采是煤矿最主要的生产环节。煤层段岩体的工程地质性质和稳定性， 直接影响到煤层的回采效率、回采方法、工作面管理方法和生产工作环境安全条 件等等。根据煤层段岩体的工程地质特征科学地组织和管理生产，能够创造安全、 高效的生产局面。否则，便会给国家造成巨额浪费甚至人身伤亡事故。许多煤矿 不注意研究煤层段岩体的工程地质性质，在软弱破碎的顶板工作面，安装了重型 综合机械化采煤机，由于项板不断垮落，无法正常生产，不得不把全部机械又拆 出工作面。设备的运进、安装、拆除、运出耗运了几个月时间。还有一个煤矿， 其煤层段岩体的工程地质性质变化很大，在回采完的3 2 0 多个工作面中，曾发生 过2 5 6 2 次冒顶事故，影响生产累计达7 0 0 多天，因冒顶死亡3 4 人，给国家和个 人都带来了巨大的损失。所以对煤层段岩体的工程地质性质的研究和评价，在煤 田勘探阶段需要，在煤矿生产阶段也需要，它是在煤矿设计、采区设计和工作面 设计诸环节中均不可缺少的资料。 对于矿井采矿工程，煤层段岩体稳定性主要由岩体力学性质及岩体构造分布 规律所决定。煤层段岩体稳定性问题是岩体结构复杂性与井下工程适应性和协调 性的综合反映，因此在开采设计中准确了解岩体结构及其对围岩稳定性的影响， 具有重要的理论和实际应用价值。 任楼煤矿位于安徽省宿州市西部，是临涣矿区重要的煤炭生产基地之一，年 产2 0 0 万吨以上。但任楼煤矿在不断扩大再生产的过程中，巷道在强大的动压作 用下，巷道破坏严重，失修量居高不下，困扰着矿井的生产与接替，阻碍着矿井 健康发展，影响了矿井的正常生产秩序。5 1 和7 2 煤层均为主采煤层，而且开采7 2 煤的过程中的很多巷道变形严重，为此，本论文选题以任楼煤矿5 1 ．7 2 煤层段岩体 2 1 绪论 为例，通过对任楼煤矿5 1 ．7 2 煤层段工程地质稳定性分析研究，为任楼煤矿的巷道 布置、支护形式选择、项板管理提供科学依据，为减少设计的盲目性、降低成本 打下良好的基础；同时，研究成果可在皖北矿区类似开采条件的矿井推广应用。 1 ．2 国内外研究动态 1 ．2 ．1国内研究现状 工程地质力学特征一直是国内一些学者研究的重点，孟召平【l , 2 1 等研究了煤层项 底板岩石成分和结构与其力学性质的关系。吴基文1 3 ’4 】等研究了龙东煤矿中央采区7 煤层覆岩工程地质特征指出，覆岩的岩性及组合特征决定冒落带和导水裂隙带的发 育高度和煤层项板隔水性的强弱，岩石的物理力学性质决定了采场围岩的稳定性。 陈荣万【5 】分析了影响煤层顶底板稳定性的地质因素，认为地质构造是主要影响因 素。陈钟剧6 】等从含煤地层沉积环境入手，在分析煤层及其顶底板形成，顶底板岩 体沉积条件的基础上，按不同沉积模式分别建立了区域性沉积模式与顶底板稳定性 关系，对顶底板稳定性进行了成功预测。葛道凯、彭苏萍、孟召平【．7 】等人就沉积层 序和顶底板砂体厚度变化诸方面，对项底板冒落性影响进行相似模拟试验研究，提 出了顶底板稳定性地质模型，并指出煤层顶底板性质基本上取决于沉积建造亚相特 征，顶底板原始沉积环境的空间分布控制了采场顶底板整体质量，提出从影响顶底 板稳定性的地质因素入手，结合岩石力学和采矿工程学的研究方法对煤层顶底板稳 定性进行较详细的研究。岩体结构是由岩体赋存于一定的地质环境之中，在不连续 结构面的切割下形成的【引。煤层顶底板沉积岩体形成于地壳浅部，其生成和赋存环 境与岩浆岩或变质岩明显不同，岩性较为软弱，变化较大，成分复杂，无论是岩石 还是岩体均具有明显的层状结构特征和介质不均一性。岩体力学性质除受岩石材料 岩性 力学性质影响外，主要受结构面力学性质、岩体结构面的发育组合情况、岩 体结构类型和赋存环境如水和地应力等因素的影响【9 1 ，其中岩体结构面的存在破坏 了岩体的完整性，削弱了岩体的力学强度，控制着岩体的变形和破坏规律。构造裂 隙是岩石 体 中最常见的构造弱面，它的存在破坏了岩石的完整性，降低了岩石的 抗压强度【l0 1 。采煤工作面常因岩块沿裂隙滑落而造成冒顶事故，在大断层两侧往往 伴生雁行中小断层和裂隙，尽管小断层不影响工作面的布置和回采，但在顶底板岩 层中产生了弱面，特别是小构造如小断层、节理和劈理等密集区段不同1 1 1 】。 康健【坦J 等提出了用未确知数学研究煤层顶底板稳定性。李增学‘1 3 , 1 4 , 1 5 ] 等 1 9 8 9 ， 1 9 9 2 提出的应用构造一地层分析法对矿井小构造进行研究。于双忠 1 9 9 4 和彭向 3 安徽理．[ 火学硕 学位论文 峰【1 6 1 19 9 7 等从工程地质分析方法入手提出了煤矿巷道顶底板稳定性评价新方法。 首先选定四个主要的影响因素，即岩石强度、结构面、水对岩体的影响以及原岩 地应力状态，然后把这四个指标综合成一张分类图表。丁述理I l7 J 等人进行的单因 素分析，综合评判的研究方法，根据能反映某地区某段岩石 体 工程稳定性的一些 独立的因素或变数，如岩石的单向抗压强度、分层厚度、裂隙发育程度、岩性、 岩石的形成环境、岩芯完整性、岩芯采取率等钻孔资料获得的信息，然后分析这 些单因素的评价结果，去粗取精，去伪存真，综合评判，从而有效地削弱各种技 术因素、自然因素和人为因素的影响，使最终分析结果能更准确地反应顶底板岩 石工程稳定性的实际情况。涂敏【I 驯运用模糊聚类法分析对煤层顶底板稳定性进行 了综合预测及分类，通过对两淮及徐州矿区部分采煤工作面顶底板的观测与分析， 证明了预测的准确性和科学性。刘衡秋【旧J 等，通过对淮南煤田潘三矿的项底板条 件进行分析和研究，提出了一套行之有效的评价指标体系，运用模糊综合评判方法 对煤层顶底板稳定性进行定量评价和预测，结果表明潘三矿煤层顶底板稳定性中 等，北部比南部稳定性差，东部比西部差，这可以为采煤工作面顶底板安全管理 提供科学依据。曹庆奎【2 0 】针对现有灰色关联度计算模型存在的缺陷，提出了主观 赋权法和客观赋权法相结合的灰色加权关联度综合评价方法。经实例分析，该方 法可较好地反映出煤层顶底板地质条件的灰色性特征，使评价结果客观合理。刘 海燕1 2 1 】等利用层次分析法，分析了影响兖州煤田主采煤层顶板稳定性的因素。该 方法把影响因素建立阶梯层次结构去计算权重，是一种很好的分析权重的方法。 1 ．2 ．2 国外研究现状 2 0 世纪七十年代，E l l i o t t 1 9 7 4 ，F e r m 1 9 7 8 ，H o m e 和F e r m 1 9 7 8 等和H y l b e r t 等学者注意到沉积作用与顶板稳定性的必然联系，开始将沉积学理论引入到顶板 稳定性的研究中，取得了良好的效果【2 2 2 5 1 。八十年代初，H o u s e k n e c h t l 2 6 1 等 1 9 8 2 则进一步将沉积条件与煤瓦斯突出和煤层变化相联系，T r u m a n 和H o m e l 2 1 9 8 2 已开始尝试将此类研究成果用于指导生产，查明了影响煤矿顶底板岩层稳定性的 主要沉积地质因素有冲刷与凸顶、滑面、擦痕、夹薄煤层的砂页岩互层等，并发 现，煤层项底板岩层在垂向上和横向上的厚度和岩性变化很大，在矿井煤炭开采 过程中顶板冒落、老顶来压和岩煤层突出往往发生在老顶砂岩与页岩的过渡部位。 P e t r a n o f f T ．V 1 9 8 0 和D a m b e r g e rH ．H ．1 2 引 1 9 8 0 指出，井下回采时，煤层顶底板的 质量取决于各种岩石类型的内在联系、沉积早期的压实作用、同沉积构造和后期 构造特征等因素。其中顶底板的大部分特征可能与沉积作用或早期压实过程有关， 4 1 绪论 后期的构造运动起着强化这些早期特征的作用。九十年代，S h e a r - A l b i nV R ．【2 9 1 1 9 9 3 总结认为煤矿井下遇到的大多数顶底板控制性问题可归因于开采煤层 顶底板的沉积作用或早期压实强度和后期构造特征诸因素。在地质构造复杂的矿 区采用仪器探测法，如利用地质雷达探测工作面前方地质构造和地质异常体等技 术，前苏联地质学家更注重利用各类地质参数预测地质变化，如研究煤的物理化 学特征来预测断层，统计地质数据进行构造变形分析，联邦德国在鲁尔区采用构 造成因解析法、槽波地震等方法对工作面前方构造及顶底板稳定性进行分析预测， 均取得了良好的效果。 1 - 3 研究内容与技术路线 论文的主要研究内容 1 ．任楼煤矿5 1 - 7 2 煤层段岩体的岩石组成 利用钻孔测井曲线解译和钻孔柱状描述，做出图件分析岩性组成在纵向和横 向上的分布规律，对煤层段岩体的沉积特征分析，划分出沉积类型并对沉积区进 行分类。 2 ．岩体构造特征 1 井田的地质构造，包括所研究区域的断层，褶皱，层理，裂隙等的展布特 征。 2 断裂分维值的统计，并得出断裂分维值与岩体稳定性的关系。 3 用平面变形系数定性描述褶皱，得出褶皱与岩体稳定性的关系。 3 ．钻孔岩石质量评价 R Q D ，绘制5 l - 7 2 煤层段岩体的R Q D 趋势图，分析5 1 ．7 2 煤层段总体R Q D 分布规律。 4 ．物理力学特征 对钻孔取出的岩芯进行岩石物理力学性质试验，包括抗压强度、抗拉强度、 含水率、弹性模量、泊松比，阐述物理力学性质与岩体稳定性的关系。 5 ．工程地质岩组划分，分析不同类型的岩组的特点，阐述岩组与煤层段稳定 性的关系。 6 ．5 r 7 2 煤层段岩体的稳定性综合评价 1 影响煤层段岩体稳定性因素分析； 2 评价指标的选取； 3 评价模型的建立； 4 运用灰色模糊综合评价法对层段岩体稳定性评价。 5 安徽理．1 人学硕十学位论文 本文的研究技术路线见图1 1 ．4 论文工作概况与工作量 1 ．基础资料的收集 在前人研究的基础上，收集了一些相关资料，包括任楼矿5 l 和7 2 煤层的底板 等高线图2 张，地质剖面图3 9 张，煤岩对比图1 4 张，1 4 7 个钻孔的资料，3 2 个 孔做过力学测试孔的物理力学实验数据，构造纲要图一张，巷道变形观测资料以 及相关的科研成果。 2 ．参数统计和图件编制 1 通过对钻孔资料的统计分析，得出了5 1 ．7 2 煤层段岩体的砂岩厚度，粉砂岩 厚度和泥岩厚度，编制了砂岩厚度、粉砂岩厚度、泥岩厚度和砂泥比等值线图， 在此基础上编制5 1 - 7 2 煤层段岩性分区图。 2 统计了5 I ．7 2 煤层段岩体的断裂分维值，综合抗压强度，变形系数值和岩性 组合值。 3 根据钻孔力学测试的统计数据，绘制了煤层段岩体的力学强度趋势图。根据 所统计的岩石R Q D 值，绘制5 l - 7 2 煤层段岩石的R Q D 趋势图。 4 根据力学测试结果、岩性特征和结构特征，编制了9 个孔的工程地质综合柱 状图。 5 单因素评价图件。基于各个影响煤层段岩体稳定性的评价指标，编制了岩体 结构分区图，褶皱变形发育程度分区图，沉积分区图和煤层段岩体抗压强度分区 图。 6 基于单因素评价，绘制了5 1 ．7 2 煤层段岩体稳定性分区图。 3 ．论文进展过程 2 0 0 8 ．3 - 2 0 0 8 ．5 搜集、整理和分析矿井地质资料及有关科研成果； 2 0 0 8 ．6 - - 2 0 0 8 ．8 完成现场调查、资料收集、样品采集等； 2 0 0 8 ．9 - 2 0 0 8 ．1 1 样品的室内实验，分析影响项煤层段稳定的因素，进行综合 评价，将综合评价结果和己采区揭露的情况对比，综合分析5 1 - 7 2 煤层段的稳定程 度。 2 0 0 8 ．1 1 - 2 0 0 9 ．4 研究论文编写、修改； 6 1 绪论 图I 本论文研究技术路线 F i g lT e c h n i c a lr o u t eo f t h et h e s i s 7 安徽理T 大学硕 学位论文 2 ．1 交通位置 2 任楼井田地质概况 临涣矿区任楼井田，位于 安徽省宿州市西南约3 0 K m 的 濉溪、蒙城两县交界处，属濉 溪县任集镇、忠阳乡和蒙城县 许疃镇管辖。井田范围北起界 沟断层，南至F 7 断层与许疃井 田毗邻，浅部以l l 号煤层露 头为界，深部至3 l 煤层．8 0 0 m 等高线的平面投影，东南以F 2 3 断层为界。井田走向长为 9 ．8 ～1 4 K m ，宽1 ．2 ～3 ．5 K m ，井 田面积约4 3 鼬n 2 见图2 井田内有矿区公路，向东 至南坪集接宿蒙公路，向北经 孙町集可达淮北市。矿区铁路 支线自井田中心向西约4 0 K m 至阜 阳 濉 溪 线青町车 站，可通全国各大城市，交通 较为方便。 2 ．2 煤系地层特征图2 任楼煤矿位置交通图 与其它矿藏不同，含煤岩 F i 9 2L 0 c a l i 。n 卸dt r a n s p 。r t a t i o nm a p0 f R e n l 。uc o a lm i n e 系主要是在古代不同的聚煤环境中形成的，其特征受泥炭聚积时的古地理环境及 其变迁的控制1 3 0 1 。由于不同沉积环境作用的特征不同，因此不同环境下形成的煤 层顶、底板岩层在垂向上和侧向上其厚度变化很大，这种变化导致含煤岩系在空 间的非均质性、非连续性。开采煤层围岩空间分布及其稳定性是影响煤炭安全、 高效生产的重要因素。本井田含煤岩系为石炭系和二叠系，具体如下 1 ．石炭系 8 2 任楼井田地质概况 1 中统本溪组 C 2 浅灰色夹花斑鲕状铝质泥岩，质细，性脆，富含铝土质和菱铁鲕粒、菱铁矿 结核，其间央0 ．1 0 r e 灰白色隐晶质石灰岩。区内揭露厚度1 ．1 0 2 ．9 4 m ，与奥陶系 为假整合接触。 2 上统太原组 C 3 整合于本溪组之上，在井田内揭露厚度1 2 8 ．8 7 - - , 1 3 0 ．4 6 m 。岩性为石灰岩夹薄 层碎屑岩、泥岩和薄煤层的海陆交互相沉积物。石灰岩有9 - 1 5 层，编号自上而下 为一灰 十二灰，石灰岩总厚度4 8 ～7 1 m ，占全组岩层厚度4 8 ％- - 6 0 ％，各层石灰岩 中富含蜒类、珊瑚、海百合茎，腕足类等动物化石。本组砂岩较薄 1 - 3 m ，灰～ 浅灰色，中粒至细粒，钙泥质胶结，性较疏松，分选均一，具泥质线理显示的水 平或水平波状层理，含薄煤层6 - , 9 层，编号自上而下为1 2 煤～1 8 煤，总厚 2 ．2 2 , - - 4 ．0 4 m ，平均总厚3 ．3 6 m 。局部可采者l 4 层，薄而不稳定。 2 ．二叠系 二叠系在本区揭露完整。从上石炭统太原组第一层石灰岩顶面至上石盒子组 顶部平顶山砂岩，地层总厚度8 8 2 m - 1 1 7 0 m ，一般1 0 0 0 m 左右。由一套连续的海 相、过渡相逐渐过渡为陆相的碎屑岩和可燃有机岩沉积物组成，整合于上石炭系 太原组之上，含l O 个煤层 组 。 1 山西组 一灰至分界砂岩，厚度l l O ～1 5 0 m ，平均厚度1 3 0 m 。由海相、过渡相和陆相 的砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层组成。含煤两组 1 1 煤层和1 0 煤层 ，局部可采。 2 下石盒子组 分界砂岩至K 3 砂岩。是本井田主要含煤段，与下伏山西组整合接触。厚度为 2 1 5 “ - 2 8 0 m ，平均2 3 6 m 。由过渡相、陆相的粉砂岩、砂岩、泥岩、煤层组成。 3 上石盒子组 K 3 砂岩至顶部平顶山砂岩，厚度大于6 7 0 m ，与下伏石盒子组整合接触，由一 套厚层的陆相杂色粉砂岩、泥岩、砂岩和煤层组成，砂岩较少。泥岩、粉砂岩为 厚层状，杂色一灰一灰绿色、杂紫色，黄色花斑，质不均，含煤层3 层 组 。 2 ．3 任楼井田构造概述 矿井地质构造是影响煤矿建设与生产最重要的地质因素。它不仅在所有的矿 井中具有普遍意义，而且对煤厚变化、顶板稳定、岩溶陷落、地温地压、矿震岩 爆、瓦斯突出、矿井突水等多种开采地质条件都起着明显的控制作用。 9 安徽理i J 人学硕十学位论文 任楼井田位于章亭背斜东南 翼走向转弯部位 图3 ，北以界 沟断层与孙疃井阳为界；南至F 8 断层与许疃井田毗邻，由于矿井 设计及建井期间，对井f f l 开采范 围重新认定，南界改为F 7 断层， F 7 与F 8 之间暂定为远景开发区； 西自1 1 煤层露煤线东至3 1 煤层 - 8 0 0 m 走向的地表投影；东南角暂 以F 2 3 断层为界。井F f j 分为北翼 和西翼两部分，北翼走向近南北、 向东倾斜的单斜构造，倾角较平 缓，一般在1 3 - 2 0 度西翼煤岩 层产状变化较大，走向由北东逐 渐转变为东西向至北西西向，倾 角变化在1 0 3 0 度之间煤层厚度 咀 峁 重硅‘ 矾 零鼍 喜f - 乙疋1 名 j匕 夕一耵 JI 车 』 』棚 ●_● 簿 白I l 、州 I 冒 缸 1l 6 l 香毕啦i ～1 ／＼、v ≤／ f R 醴 杏、‘之- 、、、义 A ＼善 ＆，．芦、 - ●芷膀层霹层薯生缓 ～／ 、 y ‘I ‘眨睛层痹层击是墁 钟 片目胁 枷鼎篙髟 图3 任楼井田构造纲要图 亦较大变化，在井田东南角4 8 勘F i 9 3 咖c t 哪o u t l i n em a po fR e n l o uc o a lm i n e 探线深部，F 2 3 断层内侧有一个轴向北西的鞍状构造。 2 ．4 井田含、隔水层特征 1 ．新生界松散层含、隔水层组 本井田石炭二叠系煤系地层之上均由新生界松散层覆盖。井田范围内新生界 松散层由第四系及第三系组成，其总厚为1 9 0 ～3 2 1 m ，平均约2 9 0 m ，由南往北逐 渐增厚。整个井田的松散层区域岩性对比，自上而下可划分为4 个含水层组和3 个隔水层组。 2 ．二叠系煤系砂岩裂隙水 本井m - - - 叠系岩层主要由泥岩、粉砂岩、砂岩及煤层组成，以泥岩、粉砂岩 为主，其中3 煤至4 煤层段、5 煤至8 煤层段及K 2 铝质泥岩至1 l 煤之间砂岩较发 育，属一套河流相及三角洲相沉积。据钻孔资料及井下实际揭露情况，该层组地 下水主要以静储量赋存于砂岩层构造裂隙之中，受地质构造控制。由于砂岩裂隙 发育不均，造成了本层组富水性差异悬殊。依据地层剖面岩性与区内主要可采煤 层之间的关系，二叠系地层可划分为如下几个含水层 见表1 。 1 0 2 任楼井田地质概况 3 4 煤层 煤层 7 - 8 煤层 K 2 ～1 1 煤层 7 忍6 l 一2 9 l m 0 2 1 9 - 4 1 3 8 1 3 6 4 、3 7 4 、4 耷4 5 2 3 6 2 4 无 0 ．0 5 - - ．0 ．3 4 0 ．0 1 旬．6 5 0 ．0 2 一o ．1 7 局部含水性较强 含水性一般 含水性较弱 含水性弱 3 ．太原组灰岩岩溶裂隙水 太原组灰岩地层总厚为1 2 8 ．8 7 ～1 3 0 ．4 7 m ，由灰至灰黑色灰岩、泥岩、粉砂岩 及薄煤层组成，属浅海及滨海相沉积。本组地层共含灰岩9 ～l5 层，厚4 8 - 7 1 m ， 占太原组成地层总厚度的4 8 ％- - 6 9 ％t ，上部l 4 层灰岩，溶洞较发育。 4 ．奥陶系灰岩岩溶水 奥陶系地层由浅灰色、灰棕色厚层状灰岩组成，井田内揭露最大厚度为 1 3 5 ．7 5 m 。在浅部岩溶溶洞发育，直径一般为3 - 5 e m 。由于本组含水层水量丰富， 当井下遇导水断层或岩溶陷落柱时，可直接涌入矿坑，造成突水，一般与矿坑不 发生水力联系。 总之，任楼煤矿7 煤层顶底板砂岩裂隙水，是矿井充水的直接水源，水量较 小，补给有限，以静储量为主，有明显疏干趋势，属弱含水、弱透水的含水层。 下覆的太原群灰岩和煤系基底奥陶系灰岩是矿区的主要含水体。太灰上距开采煤 层1 3 0 m 以上，奥灰距煤层更远，故在一般情况下，若无断裂和陷落柱沟通，则不 会威胁矿井的安全生产。 安徽理T 大学硕十学位论文 3 任楼矿5 1 - 7 2 煤层段岩体工程地质力学特征 煤层段岩体工程地质力学特征是影响煤层段岩体稳定性的主要因素，它受煤 层段岩石岩性和厚度、岩层组合方式、岩石质量、岩石物理力学性质和地质构造 等因素控制，对煤层开采安全和效益有直接影唰3 。 任楼井阳先后沉积了十一层煤，其中3 l 、5 l 、7 2 、8 2 煤因为厚度较大且全 区稳定，为该矿主采煤层。本文以任楼矿5 1 - 7 2 煤层段岩体为研究对象，从沉积岩 石学、岩石力学和构造地质学的角度出发，分析了5 1 - 7 2 煤层段岩体的工程地质力 学特征，阐述了5 1 - 7 2 煤层段岩体的工程地质力学特征对煤层段岩体稳定性的影响。 3 ．15 1 - 7 2 煤层段岩石学特征 通过对研究区的沉积环境和沉积相进行分析研究，影响5 1 ．7 2 煤层段岩体稳定 性的岩石学因素主要包括岩性差异、胶结类型、岩层组合方式以及古河流的冲刷 侵蚀作用等。 1 ．煤层段岩体岩性主要有砂岩 包括粗砂岩、中砂岩和细砂岩等 、粉砂岩、 泥岩 包括粉砂质泥岩、炭质泥岩、粘土岩、页岩等 。砂岩具有刚性特征，一般 不易变形和破坏，所以由砂岩组成的岩层是相对稳定的部分，但刚性岩体受到强 荷载作用时容易产生脆性破坏和剪切破坏。而且砂岩在研究区存在不同的胶结方 式，表现为不同的力学强度。泥岩具有塑性，受力后容易产生塑性流动，易形成 不同的几何形态，有些粘土岩类还有遇水膨胀的性质，不仅使自身的稳定性降低， 而且会