神东侏罗纪煤系沉积岩力学特性的岩石学研究.pdf

全日制硕士学位论文 神东侏罗纪煤系沉积岩力学特性的岩石学研究神东侏罗纪煤系沉积岩力学特性的岩石学研究 申请人姓名 王振康 指 导 教 师 陈江峰 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 地质资源与地质工程 研 究 方 向 煤田地质与煤地球化学 河南理工大学河南理工大学资源环境资源环境学院学院 二○一二○一七七年年六六月月 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号P5 密密 级级公开公开 UDC 550 单位代码单位代码 10460 神东侏罗纪煤系沉积岩力学特性的岩石学 研究 Petrologic studies on mechanical properties of sedimentary rocks of Jurassic coal measures in Shendong 申请人姓名申请人姓名 王振康王振康 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 地质资源与地地质资源与地 质工程质工程 研 究 方 向研 究 方 向 煤田地质与煤地球煤田地质与煤地球 化学化学 导师导师 陈江峰陈江峰 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2017.06.05 答 辩 日 期答 辩 日 期 2017.05.23 河南理工大学 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师陈江峰教授的悉心指导下完成的，从论文选题、资料收集、 研究思路到论文撰写和成稿，无不凝聚着陈老师的心血。三年来，陈老师为我们 营造了良好而又宽松的学习环境，并在学习、生活以及为人处事上都给予极大的 关怀和帮助。师从三载，学业取得的较大进步，科研和实践能力的全面锻炼，都 将成为学生今后继续努力的动力。在此，谨向陈江峰老师致以深深的敬意和衷心 的感谢。 感谢河南理工大学资源环境学院对我的培养，以及各位老师在课程学习、论 文开题和中期检查的细心指导。特别感谢潘结南老师对论文修改提供宝贵意见。 感谢师门武洪涛、熊法政、周阳、李迎超、黄玉峰、林志峰在学习和工作上的帮 助。感谢资源环境学院 2014 级硕士研究生、2101 办公室全体师生和 350 寝室室友 在学习和生活上的热情帮助。 感谢我的亲人和朋友多年来给予我的支持与帮助，才使我顺利完成研究生阶 段的学习，使我在追求知识的道路上不断前行。 由衷感谢各位专家和教授能在百忙之中抽出宝贵时间评阅我的论文，向你们 致以深深的敬意。 万方数据 I 摘摘 要要 神东矿区作为世界一流大型现代化矿区，煤炭产量达 1.2 109 t/a，占全国煤炭 产量的 6左右。与国内其它矿区相比，神东矿区具有典型的浅埋、薄基岩和厚松 散层的地质特征，这些特殊地质条件导致神东矿区各生产矿井煤层顶板整体切落 和支架压死等动力灾害问题十分突出。因此，本文以神东矿区主干煤矿（补连塔、 大柳塔和布尔台煤矿）为研究对象，在系统收集并分析研究区地质资料、物探成 果和钻孔资料的基础上，利用数值模拟、岩矿鉴定与统计、XRD 与 SEM 测试、岩 石力学试验、超声波测速以及数理统计等方法，对神东矿区主采煤层顶板地质特 征开展研究，得出以下结论 （1）神东矿区侏罗纪含煤地层发育于大型陆相盆地。受沉积环境影响，含煤 地层的沉积岩性、岩相及其组合形式差异显著，岩体应力在空间上表现出明显的 各向异性。由于主采煤层顶板非均一性强，导致顶板稳定性变差，使得采矿过程 中顶板岩层移动、破断规律以及周期性来压等更加复杂化。 （2）宏观可见，神东矿区主采煤层顶板砂岩发育较多类型的软弱结构面，包 括层理、岩性分界面、裂隙以及冲刷面，其中赋存大量的炭屑、炭化树干以及植 物叶化石；泥岩致密程度较高，碎屑颗粒均一，呈均质块状体，少见沉积构造弱 面，偶见生物扰动痕迹。 （3）神东矿区主采煤层顶板砂岩结构疏松，矿物组成以石英占优势，其次为 长石、岩屑、云母以及有机质。砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随石英含量增加 而增大；随长石和有机质含量增加，其规律相反。随砂岩碎屑颗粒粒径和不均匀 系数增加，声波速度降低，单轴抗压强度和弹性模量总体下降。顶板泥岩结构致 密，矿物组成以石英为主，黏土矿物、长石次之。泥岩的单轴抗压强度和弹性模 量随石英含量增加而增大；随黏土矿物含量增加，其规律相反。 关键词关键词神东矿区；顶板地质特征；岩石学特征；岩石力学性质 万方数据 III Abstract Shendong mining area is a large modern mining area among the world, and its coal production has reached 1.2 109t annually, accounting for 6 of the national coal production. However, compared with other domestic mines, Shendong mining area has typical geological characteristics, such as shallow burial, thin bedrock and thick loose layer. These special geological conditions lead to several serious dynamic hazards, including the overall cutting of coal roof and stent destroyed. Therefore, this paper takes the main coal mines of Shendong mining area as the research objects, including Bulianta, Daliuta and Buertai coal mines. On the basis of collecting and analyzing the geological data, geophysical exploration and drilling data in the study area, the geological characteristics of the main coal roof in Shendong mining area are studied by using numerical simulation, examination and statistics of rock, XRD and SEM, rock mechanics test, ultrasonic velocity measurement and mathematical statistics. The conclusions are as follows 1Coal-bearing strata of Jurassic in Shendong mine area were developed in a large terrestrial basin. Because of the influence of sedimentary environment, the sedimentary lithology, lithofacies and their combinations in the coal measures are obvious differences, and the stresses of rocks show significant anisotropy in space. During mining process, the worse stability of coal roof, caused by the serious heterogeneity, lead to the movement, breaking regularity and periodic pressure complicated. 2From the macroscopic view, there are many weak structural surfaces in sandstones of the main coal seam roof, including beddings, lithology interfaces, cracks and erosion surfaces. On the surfaces, there are a large amount of carbon debris, carbonized trunks and plant leaf fossils. However, the mudstone is a homogeneous block and has a high degree compactness .There are less weak structural surfaces and biological disturbance traces in the mudstone. 3The sandstone structure is loose in Shendong mine area. In mineral composition of sandstones, quartz content is predominant, followed by feldspar, debris, mica and organic matters. The uniaxial compressive strength and elastic modulus of sandstones increase with the increase of quartz content; on the contrary, the trend is decreasing with 万方数据 IV the increase of feldspar and organic matter contents. The uniaxial compressive strength and elastic modulus are decreasing with the increase of the particle size and non-uni coefficient of sandstones, meanwhile the acoustic velocity is decreasing. The structure of mudstones is compact. In mineral composition of mudstones, quartz content is dominant, followed by clay minerals and feldspar. The uniaxial compressive strength and elastic modulus of mudstones are increasing with the increase of quartz contents, whereas, that are decreasing with the increase of clay minerals content. KeywordsShendong mining area；Geological characteristics of coal roof； Petrologic characteristics；Rock mechanical properties 万方数据 V 目 录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................... III 1 绪论绪论 ............................................................................................................................... 1 1.1 研究目的及意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.2.1 岩石组构的国内外研究进展 ......................................................................... 2 1.2.2 岩石力学的国内外研究进展 ......................................................................... 3 1.2.3 岩石力学性质与岩石组构之间关系的国内外研究进展 ............................. 4 1.2.4 存在的问题 ..................................................................................................... 6 1.3 主要研究内容、技术路线及创新之处 ................................................................ 7 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................................. 7 1.3.2 技术路线 ......................................................................................................... 7 1.3.3 创新之处 ......................................................................................................... 8 2 研究区地质概况研究区地质概况 ........................................................................................................... 9 2.1 矿区概况 ................................................................................................................ 9 2.2 地层特征 .............................................................................................................. 10 2.3 构造特征 .............................................................................................................. 11 2.3.1 褶皱 ............................................................................................................... 11 2.3.2 断层 ............................................................................................................... 12 2.3.3 冲蚀构造 ....................................................................................................... 12 2.4 水文地质特征 ...................................................................................................... 12 2.5 本章小结 .............................................................................................................. 13 3 顶板岩层组合特征顶板岩层组合特征 ..................................................................................................... 15 3.1 研究区主采煤层顶板垂向赋存特征 .................................................................. 16 3.2 研究区主采煤层顶板横向展布特征 .................................................................. 20 3.3 本章小结 .............................................................................................................. 25 4 顶板岩体结构特征顶板岩体结构特征 ..................................................................................................... 27 万方数据 VI 4.1 砂岩特征 ............................................................................................................... 28 4.2 泥岩特征 ............................................................................................................... 32 4.3 本章小结 ............................................................................................................... 33 5 顶板岩石学特征顶板岩石学特征 .......................................................................................................... 35 5.1 砂岩岩石学特征 ................................................................................................... 35 5.1.1 砂岩矿物成分和含量 .................................................................................... 36 5.1.2 砂岩微观结构特征 ........................................................................................ 37 5.1.3 砂岩力学性质及声波速度与其组构之间的关系 ........................................ 43 5.2 泥岩岩石学特征 ................................................................................................... 49 5.2.1 泥岩矿物成分和含量 .................................................................................... 49 5.2.2 泥岩微观结构特征 ........................................................................................ 51 5.2.3 泥岩力学性质与其矿物成分之间的关系 .................................................... 52 5.3 本章小结 ............................................................................................................... 53 6 结论结论 .............................................................................................................................. 55 参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 57 作者简历作者简历 ......................................................................................................................... 63 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................. 65 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究目的及意义 中国是一产煤大国，同时也是煤炭资源消耗严重的国家。在已探明的化石能 源资源中，煤炭资源量约为 67。因此，煤炭资源在我国能源消费结构中具有重 要地位[1]。未来 15 年内，煤炭资源在我国能源消费结构中仍占优势，但比例会有 所降低。 随国家能源战略西移，西北地区赋存的煤炭资源得到有效开发和利用。据资 料表明，西北地区侏罗纪煤炭总量达21012 t以上，占西北地区煤炭资源量的90 以上[2]。 神东矿区作为东胜煤田的一部分， 在我国煤炭生产中发挥重要作用。 然而， 神东矿区煤层顶板整体切落和支架压死等动力灾害问题十分突出。据王春香统计， 在神东公司的551起伤亡事故中，因顶板失稳引起的死亡次数占50，死亡人数占 51[3]。因此，加强煤层顶板安全管理势在必行。 煤层顶板质量取决于顶板岩石的力学性质和应力分布状况。沉积岩是不同岩 性在垂向和横向的沉积组合体，成分复杂，具有明显的层状特征，其中存在较多 的结构面，如节理、裂隙、断层、层理和层面等不连续面[4]。结构面大大地破坏岩 体的完整性，削弱了岩石力学性能。 沉积岩的宏观力学性质由其矿物组成和微观结构决定。岩石是由矿物或岩屑 在地质作用下按一定规律聚集而成的集合体，其中包含大量具有复杂几何形态和 分布的矿物颗粒、胶结物、晶体界面、孔隙和裂隙。沉积岩的力学性质不仅与矿 物和岩屑的成分有关，而且与胶结物成分、性质及胶结类型有很大关系。沉积岩 矿物组成、结构和构造的变化均会引起力学性质的改变[5]。 神东矿区含煤岩系形成于陆相沉积盆地，以侏罗纪沉积地层为主，岩性以粉 砂岩、砂岩、泥岩及煤层为主。近些年，随着开采方法和支护装备的不断提高， 部分工作面长度和采高由早期的120 m和23 m分别增加至350 m和7 m[6]。目前， 补 连塔、大柳塔和布尔台煤矿分别采用6.8 m、6.6 m和6.7 m大采高综采，工作面长度 301 m， 采高和工作面长度的增加造成覆岩运动剧烈， 煤壁片帮严重。 据钻孔揭露， 补连塔煤矿主采2-2煤、大柳塔煤矿主采5-2煤和布尔台煤矿主采4-2煤上覆岩性中， 粉砂岩、砂岩占60以上，泥岩、砂质泥岩占30以上，煤占10左右。显然，各 类砂岩和泥岩是神东矿区含煤岩系的主要岩石类型，且作为关键层或亚关键层， 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 其力学性质和破断机理对工作面矿压显现、顶板岩层失稳影响显著。 我国含煤地层的成煤时代和形成环境差异较大，尽管前人在岩石组构与力学 性质关系方面做了大量工作，但大部分限于石炭-二叠纪含煤地层，对鄂尔多斯盆 地侏罗纪含煤地层沉积岩的研究相对贫乏。因此，本次研究主要通过分析神东矿 区沉积岩层组合结构、岩体结构和岩石微观组构，并与岩石宏观力学性质建立定 量联系，从宏观和微观上分别探讨侏罗纪沉积岩体力学性质的影响因素，为采矿 引起的覆岩运动和矿压显现提供理论依据。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 岩石组构的国内外研究进展 岩石组构是指组成岩石的矿物成分、含量、颗粒大小、形状以及不同组分之 间的空间组合关系。国内外专家和学者对岩石矿物成分和结构特征进行了大量研 究工作。 张玉三等运用分形理论对煤层顶板岩石微观结构进行分析，发现岩石粒度和 孔隙结构均有自相似性[7]。 张晶瑶等通过温度变化分析磁铁石英岩和赤铁石英岩微 观结构，发现导致两种矿石强度下降的原因在于矿石中矿物成分的变化引起的热 应力破坏了岩石微观结构[8]。陈济舟等对非晶质岩石结构进行深入研究，运用多峰 重叠分峰法将全分布函数上非对称峰分解为近似对称的分立峰，并分析分立峰参 数与其组成的关系， 从而进一步获得岩石结构信息[9]。 毛灵涛等利用 Matlab 对 SEM 摄取的图像进行处理，获得颗粒和孔隙结构等微观信息[10]。李建胜等对含煤地层 泥岩样品进行显微 CT 无损探测和图像分析，运用 Matlab 软件对岩石孔隙进行研 究，得出基于显微 CT 扫描、数字化图像技术和三维重构三者的结合为岩石材料孔 隙结构的定量研究提供一种新手段[11]。 Keyser 等利用数字扫描仪对岩石薄片进行观察，直接获得高分辨率数字图像， 从而提供一种方便快捷的薄片测定方法[12]。Ketcham 等采用高分辨率 X 射线计算 机断层扫描仪（HRXCT）分析岩石内部结构，通过获得的数据建立三维岩石体积 模型，提高数据利用的完整性，克服二维岩石模型的片面性[13]。Yun 等基于识别 岩块各向异性衰减值的空间分布，利用 3D X-ray 与 CT 结合的新方法，对四种不 同类型岩石的各向异性进行测定[14]。 Wildenschild 等采用 X 射线成像和分析技术对 多孔隙材料的孔隙及孔隙流体进行分析[15]。 Han 等利用 CT 扫描图像直接映射方法 万方数据 1 绪论 3 对生成的多孔岩石的弹性特性进行数值模拟，并将获取的数值计算结果与岩石试 验数据进行对比，得出岩石数字化方法在精确测定岩石弹性力学特性方面具有很 大潜力[16]。 1.2.2 岩石力学的国内外研究进展 19 世纪末-20 世纪初是岩石力学的萌芽阶段， 形成以解决岩体开挖力学计算问 题的初步理论，比如，1912 年 Heim 提出的静水压力理论，岩石所受的垂直压力 和水平压力相等。 20 世纪 30 年代-20 世纪 60 年代，岩石力学引入弹性力学和塑性力学，确定了 某些经典计算公式。期间，法国专家 Talobre 出版岩石力学一书，从工程观点 研究岩石力学[17]；1951 年，Muller 教授组成奥地利地质力学学会，并于 1962 年成 立国际岩石力学学会（ISRM）。 20 世纪 60 年代-至今， 此阶段是岩石力学理论和实践的新阶段， “不连续性” 成为岩石力学的研究重点，由“材料”概念到“不连续介质”概念是岩石力学理 论上的飞跃。20 世纪 60 年代和 70 年代，基于计算机应用的数值计算方法开始用 于岩石工程稳定性分析，主要为有限元法[18-21]。20 世纪 80 年代，数值计算方法得 到广泛应用，有限元、边界元及其混合模型成为岩石力学分析的重要方法[22-25]。20 世纪 90 年代，岩石力学专家和数学家共同创造出新的理论与手段，比如，损伤力 学、 非连续变形分析及其发展， 同时， 岩石力学专家还创造出独到的原理和方法[26-29]。 现代数理科学的渗透推动了非线性科学在岩石力学的应用，岩石力学的研究对象 具有复杂性，并开始对非线性理论产生依赖[30-31]。 计算机技术带动了现代信息技术的发展，岩石力学三维信息系统、人工智能 以及神经网络等得到快速发展并得到应用。罗宇等提出利用岩石力学测试数据与 三维 GIS 结合，可构成三维信息系统[32]。李绍军等运用三维可视化和地理信息技 术对岩体稳定性进行监测，创建了三维信息系统[33-34]。黄河等针对岩土力学特征， 结合有限元分析，开发了基于 GIS 的有限元智能系统并运用[35]。Buchanan 等首次 在岩石力学文献提出人工智能系统，并对其进行介绍[36]。张清、左毅等讨论人工 智能-专家系统在岩石力学的适用情形[37-38]。冯夏庭等应用神经网络探索了岩石力 学智能化手段[39-40]。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 1.2.3 岩石力学性质与岩石组构之间关系的国内外研究进展 国内外一些学者注意到岩石组构对其物理力学性质的影响，并进行分析。 Ulusay 等对砂岩进行力学测试和岩石学特征分析，依据统计分析结果，建立砂岩 力学性质与其岩石学特征参数之间的关系，得出岩石学特征能够反映岩石力学性 质的多项式预测方程，岩石结构特征对岩石力学行为的影响较岩石矿物组成更为 重要[41]。Ersoy 等认为岩石结构特征决定着岩石力学行为，运用结构系数将岩石结 构特征定量化，结果表明岩石结构特征对岩石力学性质影响很大[42]。kesson 等基 于 SEM/BSE 图像分析技术对均质酸性火成岩及其结构进行研究， 发现矿物颗粒周 长值越大，岩石越不易破碎和磨损；颗粒尺寸和矿物集合体的增加导致岩石质量 变差[43]。Lindqvist 等分析矿物组分、颗粒大小、颗粒边界形状及其排列方向、孔 隙度、裂隙等岩石固有属性对岩石材料破坏情况和力学性能的影响[44]。Gupta 等通 过对喜马拉雅山石英岩的结构与其物理力学特性的定量分析，将岩石结构系数、 颗粒边界平滑程度以及颗粒形态优选方向与岩石的地震属性（地震波速和衰减特 性）和单轴抗压强度之间建立联系[45]。 冯启言等采用 SEM、XRD、压汞试验及力学测试等手段，对兖州和徐州矿区 红层岩石的矿物成分、孔隙、力学性质及膨胀和崩解特性进行分析，初步探讨红 层岩石物理力学特性对煤矿建井和开采的影响[46]。孟召平等对新集井田二叠纪主 采煤层顶底板岩石矿物组成、粒径大小、胶结物和类型在显微镜下分析统计，建 立岩石宏观力学性质与其微观结构之间的定量联系[47-51]。 朱珍德等基于损伤理论对 细观尺度的微裂隙进行量化实验，得到模拟单轴压缩试验和三轴压缩试验的应力- 应变关系，并与实际试验结果进行比较，证明此方法能够较准确地模拟出两种力 学状态下的应力-应变关系[52]。冯文凯等通过对砂岩和泥岩电镜扫描，从岩石微观 结构特征上解释其软化、抗冲击及波的传播等特性方面表现出的差异性[53]。赵斌 等从岩石的矿物成分和微观结构着手，测试 9 种岩样的力学参数和矿物组成，且 使用 SEM 观察其微观结构， 指出碎屑岩的力学性能和胶结物成分及其类型有关[54]。 范小倩对砂岩组构特征和力学性质进行测试，表明砂岩力学性质与其组构特征之 间具有密切联系，砂岩矿物成分（石英）含量越高，力学性质越好；砂岩的矿物 颗粒大小、形状、胶结物成分及类型是影响其内聚力和内摩擦角的重要因素[55]。 Olsson 通过数据收集得出大理石的屈服强度与矿物颗粒平均粒径的平方成反 线性关系[56]。Hatzort 等研究白云岩结构对岩石起裂强度、临界裂纹长度的影响， 万方数据 1 绪论 5 当孔隙度较小时，颗粒平均粒径对岩石起裂强度影响较大，随孔隙度变大，这种 趋势减弱；当孔隙度和颗粒平均粒径同时减小时，初始裂纹长度迅速下降，并与 颗粒粒径平均值相近；当孔隙度较大时，初始裂纹长度比颗粒粒径平均值大两个 数量级[57]。许尚杰等采用颗粒数值单轴压缩试验分析颗粒大小对岩土力学的影响， 通过分析颗粒材料的破坏过程和应力-应变曲线发现颗粒半径的增加增强了岩土材 料的力学强度[58]。Přikryl 通过图像测量系统对花岗岩微观结构进行定量分析，与 测得的岩石样品单轴抗压强度建立联系，得出岩石抗压强度与主要造岩矿物平均 粒度有着密切联系，表现为造岩矿物平均粒度的减小导致岩石抗压强度增大，函 数关系为Ya log（X）b，其中 Y-岩石单轴抗压强度，X-矿物颗粒平均粒径， a011 三不拉沟南侧断层（F3） 三不拉沟地白家渠 北 290 20 75 040 约 7 吴道沟正断层（F4） 朱盖塔井田的吴道 沟 290 200 70 2050 约 10 扎子沟正断层（F5） 盖塔井田的扎子沟 290 20 6585 1444 8.5 前石畔断层（F6） J54 东前石畔 310280 207 75 020 约 6.8