赵庄煤矿断裂构造对围岩稳定性影响研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 查垂塑 日期 兰竺望兰望 皇 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 o 签名奎至蝠日期 三坌生鱼 塑 导师签名．职垦式} 日期 竺 [ 堑 堑 望 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 赵庄煤矿断裂构造对围岩稳定性影响研究 摘要 岩体是由岩块和结构面网络组成，并赋存于一定环境中的地质体，因 此岩体的力学特性必然受到结构面切割下的岩体结构以及岩体所处应力环 境的影响。岩体的结构特性是岩体稳定的物质基础，初始应力 地应力 状态是应力边界条件，这是决定岩体稳定的两个主要地质因素。 断裂构造对地下工程围岩稳定性的影响主要体现在两方面其一，断 裂构造附近的地应力大小及方向会发生变化，导致其周围应力场不同于区 域应力场，进而影响围岩应力状态；其二，断裂构造会使岩体表现出不同 的结构特征，从而使围岩结构产生不同。 在岩体工程中，断裂构造控制着工程岩体的边界条件和破坏方式，及 岩体的结构、完整性和物理力学性质。 断裂构造的延展长度、切割深度、力学性质等不尽相同，因此本文所 指断裂构造是煤矿井工开采常见的、在采掘活动中可以看清全貌的中小 型断层 落差介于5 ～2 0 m 的为中型断层，落差小于5 m 的为小型断层 、区 域节理、控制围岩结构及完整性的节理等断裂构造。 本文基于赵庄矿断层、节理发育的地质条件，围绕煤矿井下常见断裂 构造，采用现场实测、围岩力学参数试验、理论分析及数值模拟等方法， 主要研究了断裂构造对岩体应力场及巷道围岩稳定性的影响、断裂构造对 工作面顶板结构及稳定性的影响，主要研究成果如下 ． 1 通过赵庄矿现场调研观测及岩石力学测试，得出赵庄矿地质构造 发育特征及围岩强度参数； 2 通过数值模拟试验研究了断裂构造对岩体应力场的影响，进而分 析了巷道轴向与最大水平构造应力夹角a 对巷道稳定性的影响，得出了巷 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 道轴向与最大水平主应力方向呈不同夹角情况下的巷道围岩应力分布及破 坏特征； 3 通过现场实测、理论分析总结出赵庄矿节理发育直接顶发生端面 冒漏的两种类型，建立了直接项的碎裂结构、块裂结构模型，利用块体理 论分析了两模型的稳定性； 4 通过理论分析研究了断层对老顶稳定性影响，得出了断裂面的倾 角满足老顶的三铰拱平衡结构条件，老项不会失稳，当断裂面强度满足库 伦．纳维尔准则，老顶不会失稳；利用数值模拟得出了上盘工作面与下盘工 作面超前支承压力变化特征及顶板下沉量变化，验证了理论分析的正确性； 5 通过赵庄矿1 3 0 6 工作面遇断裂构造期间的矿压实测，得出工作 面遇断裂构造地段的矿压显现特征。 关键词断裂构造，应力场，岩体结构，巷道，工作面，矿压 I I 万方数据 太原理工大学硕士研亢生学位论文 S T U D Y0 N1 1 狂 E F F E C TO FF R A C T U R E S0 N S U R R O IJ ] N D n V GR O C KS T A B I L I T YB q Z H A O Z H U A N GM I N E A B S T R A C T R o c kb yr o c ka n ds t r u c t u r a ln e t w o r kofs u r f a c ea n dt h eo c c u r r e n c eof c e r t a i ng e o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n dt h e r e f o r ew i l lb es u b je c tt ot h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h er o c ks t r u c t u r ew h i c hi M P a c t st h e i rs t r e s se n v i r o n m e n t ．Ⅲ，Ⅳ g r a d es u r f a c es t r u c t u r es t r u c t u r es t r u c t u r es u r f a c ei sm o s tc o m m o n , b u ta l s oi s o n eo ft h em a i np r o b l e m so fc o a lm i n es a f ea n de f f i c i e n tm i n i n gg e o l o g i c a l f a c t o r s ，b u ta l s ot h em o s tc o n c e r n e da b o u tt h ei M P a c to fc o a lm i n ew o r k e r s ． T h e r e f o r e ，t h i ss t u d yw a s l e v e lf a u l t s ，m a i n l yl i m i t e ds c a l ew h i l ei t ss t r u c t u r e i Sd i f f e r e n tf r o mo t h e rn o n ．s t r u c t u r a ls u r f a c e ． A l a r g en u m b e ro fe n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dr e s e a r c hs h o w st h a tt h ee f f e c t s i z eo ft h et e c t o n i cs t r e s sf i e l dn e a rt h ef r a c t u r ed i r e c t i o nw il lc h a n g ew i t h i nt h e r e g i o nr e l a t i v et oi t s f a r - f i e l ds t r e s so c c u r s ，w h i c hm a k e st h er o c km a s ss t r e s s e n v i r o n m e n tb e c o m e sc o m p l e x ，t h ed e t e r i o r a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s s t a t e ，r e s u l t i n gi nt h es u r r o u n d i n gr o c kE a s yt od e s t r u c t i o n ，m i n ep r e s s u r e b e h a v i o ra n o m a l i e ss u p p o r t i n gl a r g ed e f o r m a t i o nf a i l u r e ，a n de v e ni n d u c e dr o c k b u r s tp o w e rd i s a s t e r ss u c ha sm i n e ． I nt h i sp a p e r ，Z h a oM i n ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，m e a s u r e dt h r o u g ha l a r g en u m b e ro f f i e l dr e s e a r c ht ou n d e r s t a n dt h es i t u a t i o na n df a u l t sZ h a o z h u a n g o r em i n i n gf a c ep r e s s u r eb e h a v i o r13 0 6 1 Z h a o z h u a n gm i n ef i e l dr e s e a r c ho b s e r v a t i o na n dr o c km e c h a n i c st e s t s ， t h e g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s u r r o u n d i n g r o c k s t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c sa n d d e v e l o p m e n tZ h a o z h u a n gm i n e t h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r eZ h a o z h u a n gm o r e ，al o t o ff a u l td e v e l o p m e n t ，a n dt h ei n s i d i o u sd e v e l o p m e n to fs m a l lf a u l t sI np a r t i c u l a r ， m a n yt h em a j o r i t yo ft h e f a u l tt on o r m a lf a u l t s ；3c o a la n dr o o fj o i n t I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e v e l o p m e n t ，h i g hd e n s i t ya n de x t e n d e dl e n g t h ；3c o a ls e a mb e l o n g sw e a k ，t h e o v e r a l ls t r e n g t ho fs u r r o u n d i n gr o c ki sn o th i g h ；I d at ot h es t r e s sl e v e li s m o d e r a t es t r e s sf i e l d ； 2 T h ei m p a c to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo f r o c kf r a c t u r et e c t o n i c s t r e s sf i e l d ，c o m ec l o s et ot h es i z eo ft h ef a u l t sa n dt h ep r i n c i p a ls t r e s sw i l l c h a n g et h ed i r e c t i o n o ft h em a i ns t r e s sw i l lb ed e f l e c t e d ；a n ds t u d yt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef r a c t u r es u r f a c ea n ds u r r o u n d i n gr o c ki n f l u e n c eo f f a u l t se n d so fp e a ks t r e s s ； 3 T h em a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s sc a u s e db yl o c a lf a u l t so c c u ri nt h e d i r e c t i o no ft h ed e f l e c t i o n ，t h el o c a lm i n er o a d w a yc o m eu n d e rp r e s s u r et Os h o w t e c t o n i ci n f l u e n c ef r a c t u r ec a u s eo ft h ee x c e p t i o n ，a n dt h e na n a l y z e st h e r o a d w a ya x i a ld i r e c t i o no f t h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s sw a sad i f f e r e n tt h e o r y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t r e s sa n g l ei nc a s eo fd i s t r i b u t i o na n dd e s t r u c t i o n ； 4 t h r o u g ho n s i t eo b s e r v a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s u m m e du pt h e t h r e ec a s e so c c u r r e d Z h a o z h u a n g m i n er o o fl e a k a g er i s k ，t h el o w e r - b i t f r e e f a l l i n g ，t h et o pp o s i t i o ni n s t a b i l i t yc a v i n g ，c o a lw a l la tl a n d s l i d ef a l l i n g ；a n d u s i n gb l o c kt h e o r yr e s p e c t i v e l ya n a l y s i so f T h r e ec a v i n gf o r ms t a b i l i t y ； 5 B y t h em i n ew o r k i n gf a c eo f130 6 Z h a o z h u a n gf a u l t ss p e c i a la r e aof u n d e r g r o u n dp r e s s u r eo b s e r v a t i o n ，d r a w nf a c ei nt h ec a s eo fp a r a l l e lf a u l t s ，t i l t d i r e c t i o nF a c ed o w ni n c l i n e df a u l t ，t h ea d v a n c ed i r e c t i o no ft h em i n ep r e s s u r e b e h a v i o r , a sw e l la sd i r e c tt o po r ej o i n tf r a c t u r e di nc a s ep r e s s u r eb e h a v i o r ． K E Y W O R DS f r a c t u r e ，s t r e s sf i e l d ，r o c km a s ss t r u c t u r e ，r o a d w a y ，w o r k i n g m i n i n gf a c e ，m i n ep r e s s u r e I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 论文研究的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 ．1 断裂构造对岩体应力场的影响研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 断裂构造对工作面围岩稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 第二章工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 井田构造概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 ．1 井田断裂构造发育特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。11 2 ．1 ．2 井田地应力分布状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．21 3 0 6 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 工作面位置及布置方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一13 2 ．2 ．2 地质和水文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 5 2 ．2 ．3 采煤方法及项板管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 8 2 ．3 岩石力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．44 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 第三章断裂构造对岩体应力场及巷道围岩稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 断裂构造附近应力场的分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．1 单一断裂构造附近应力场分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 3 ．1 ．2 组合断裂构造附近应力场分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．2 断裂构造端部对岩体应力场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．2 ．1 断裂面力学性质对断裂构造端部应力影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．2 - 2 围岩力学性质对断裂构造端部应力影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．3 断裂构造对巷道围岩应力及稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．3 ．1 水平主应力的偏转对巷道围岩应力的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．2 水平主应力的偏转对巷道围岩稳定的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 第四章断裂构造对工作面顶板结构及稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．1 断裂构造对工作面直接项结构及稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 4 ．1 ．1 碎裂直接项自由冒漏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 4 ．1 ．2 块裂直接顶失稳冒漏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．2 断裂构造对采场老顶结构及稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．1 断裂面倾角对基本顶稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．2 断裂面强度对基本顶稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 断裂构造对工作面超前支承压力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 6 4 ．3 ．1 建立模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．3 ．2 断层影响下支承压力变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．3 ．3 顶板下沉量变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．4 断裂构造对煤壁稳定性影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 第五章赵庄矿断裂构造影响下矿压实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．1 工作面矿压显现基本规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 ●● 5 ．2 断裂构造影响下工作面矿压显现特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 9 5 ．2 ．1 工作面与断层平行时矿压显现特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．2 ．2 工作面与断层斜交时矿压显现特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．2 ，3 工作面遇破碎项板的矿压实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 Ⅵ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．2 ．4 赵庄矿煤壁片帮实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 4 5 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．2 不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 致1 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 攻读硕士期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 攻读硕士期间参与科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 8 ⅥI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 论文研究的背景和意义 第一章绪论弗一旱殖记 岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构 并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体I ，是岩体力学研究的对 象。而矿山开采等一系列地质工程活动是处于岩体中的工程活动，必然受到各种节理、 断层等地质构造的影响，是影响煤矿生产的地质因素中的主导因素之一。 断裂构造使得赋存于地质体中的岩体的连续性和整体性受到破坏，使其所赋存应力 场环境在断裂构造周边发生复杂变化；同时断裂构造改变了岩体的结构特性，把其切割 为块裂状、碎块状【2 】。围岩受断裂构造的切割、断裂构造附近复杂应力场环境、采掘活 动对岩体的扰动破坏三重作用下，表现出异常的矿压显现。因此，对断裂构造附近围岩 应力场以及其切割下的岩体结构的分析显得尤为重要。 就煤矿地下开采的工程范围而言，断裂构造对井下作业具有普遍性的影响，是影响 煤矿生产的主要地质因素之一【3 1 。大量的工程实践及研究表明【4 1 ，断裂构造影响范围内 的应力场大小方向会发生变化，使岩体的应力环境复杂多变，恶化围岩应力状态，导致 矿压显现异常，断裂构造地段也常常是冲击地压诱发地段。断裂构造发育的地区，工作 面顶板破碎，易引发大面积冒顶；同时断层等断裂构造的存在影响顶板结构稳定，导致 工作面出现压架等矿压显现异常现象。 赵庄矿为十五期间重点建设的特大型井工煤矿，目前设计生产能力8 M t ／a ，主要开 采煤层为3 号煤层。井田内二叠系山西组3 号煤层存在的形式单一，厚度普遍为3 ．5 m ～ 6 ．2 m ，平均为5 ．5 m 。煤层倾角1 。～1 5 。，平均8 0 ，埋藏深度为4 6 3 ．9 ～6 3 3 ．9 m ，平均5 0 0 m 。 工作面为一次采全厚大采高综采工作面。根据赵庄矿地质勘查资料以及实际生产揭露构 造可知，井田内发育大量断层，且隐伏性小断层尤其发育，且以正断层居多；3 号煤层 煤质松软，普氏系数介于O ．2 1 ～1 ．3 2 ，3 号煤层及顶板节理发育，节理密度大且延展长； 不同区域的煤岩体差异较大，主要表现在物理力学性质方面，且构造应力场复杂。 赵庄矿井田内地质构造发育，3 号煤层及顶板节理发育，煤体松软破碎，经常出现 局部围岩矿压显现异常，主要表现为巷道煤帮易于片帮、鼓帮，特殊地质区域巷道超 高 可达8 m ，顶板下沉量大、底鼓帮鼓严重，且在不同的地质条件下表现不同工作 面经常发生煤壁片帮，在地质异常区域及矿压显现剧烈时片帮深度可达2 ．5 m 、宽度可达 2 0 ～4 0 m ，顶板赋存条件变化较大，易发生端面冒漏、塌矸，在顶板变异地段出现大范 1 万方数据 太原理工大学硕士研宄生学位论文 围的连续冒漏、塌顶。 本文以赵庄煤矿为工程背景，通过大量的现场调研实测，在了解了赵庄矿断裂构造 发育特征的基础上，对以下内容进行了研究分析 ①研究了断裂构造影响范围内应力场变化特征及其影响因素，进而研究了巷道受局 部变异应力场作用下的围岩受力状态及围岩破坏特征②总结了节理发育直接顶冒漏的 类型，并对其成因进行力学分析；③研究了断裂构造存在下老顶的稳定性，及断裂构造 影响下工作面超前支承压力的变化特征④在实测基础上分析赵庄矿工作面遇断裂构造 情况下的矿压显现特征。 本文的研究成果为为赵庄矿巷道合理布置及支护方案的选取，以及工作面矿顶板管 理提供了理论基础，对类似地质条件下的煤矿高效安全生产具有一定的参考价值。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 断裂构造对岩体应力场的影响研究现状 原岩应力场主要包括自重力场以及构造应力场【5 1 。自重应力场主要由地球引力引起； 构造应力场主要由大型的构造运动引起，控制着较大范围内的区域应力场。 自重应力场及构造应力场是区域内的基本应力场，而级断裂构造引起的应力场是区 域内局部范围的应力场，是在区域应力场背景下产生的局部扰动应力场，而不会改变区 域总体应力场规律。局部应力场使得区域应力场的分布变得十分复杂【6 1 。 己有研究结果及工程实践表明在不同尺度下的断裂构造影响范围内，地应力的方 向、大小均会发生一定程度的变化1 6 ‘1 9 1 。 关于断裂构造对地应力的影响方面1 6 1 ，早期的太沙基 1 9 2 3 年 关注到岩体的非连 续性、非均匀性、各向异性会引起岩体内复杂应力状态，该学者认为深部张开的裂缝可 能是低水平应力状态以及较低的水平应力与铅垂应力比的证据。A n d e r s o n 认为由于断层 的存在，主应力方向会发生偏转，且仅局限于断层端部发生变化。B e l l 在对苏格兰陆架 的研究中，若把断层视作阻隔自由面，则在断层附近主应力方向会发生偏转。 B r a d y 、B o w n 、H u d s o n 、以及A m a d e i 、S t e p h a n s s o n 均提到破裂和结构面对地应力 的影响1 6 ] 。其中A m a d e i 和S t e p h a n s s o n 认为影响地应力的因素包括岩性 地层 、各向 异性、及非均质性H u d s o n 认为产生高应力的原因之一有岩石各向异性和结构面，以 及构造活动。 在断裂构造对岩体应力场的影响方面，B r o w n 等1 7 1 通过在一个8 m 3 的立方体岩块体 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 上施加双轴和三轴荷载的方法研究了裂隙岩体中的应力分布规律，表明主应力方向与断 裂的方位关系对主应力方向的变化会产生影响。 C a r l s o n 和C h r i s t i a n s s o n [ 8 J 对瑞典F o r s m a r k 地区进行了地应力与地质构造的研究， 表明大断层能够使主应力的方向改变，且其趋向于与临近断层平行；小的断裂构造对应 力场的大小及方位均会产生影响。 加拿大的U R L 研究室【9 ’1 1 1 ，进行了多种地应力测试，发现无论主逆断层还是微裂隙， 均会对应力场产生影响，且应力场的量值、方向在断层两盘分布不同。 康红普【1 2 】通过水压致裂法测试了晋城寺河矿西区地应力，发现在倾角4 5 。、落差 0 ～9 m 的D F 9 断层附近，最大水平主应力的量值、方位发生了较大变化。 李群刊1 3 】利用数值模拟分析了交叉断裂构造对应力场、位移场的影响，表明边界应 力与断裂的夹角与断裂周围影响范围内的应力场方向变化有关。 黄醒春[ 1 4 1 在鹤壁六矿实测地应力数据的基础上，通过采用位移不连续法及有限实测 点的逐次逼近，发现该区域各点的应力值及其方向受控于其相对处在断裂面的位置以及 距离，距离断裂构造越近，应力集中情况就越高，在断裂构造的端部尤甚，同时断裂构 造群作用下应力场呈现叠加效果。 苏生瑞[ 6 , 1 5 , 1 6 1 研究发现非活动断裂周围，应力方向会发生改变，方向可以旋转十几 度到9 0 。。其结合大量实测地应力数据，通过离散元数值模拟研究了断层力学性质、断 裂倾角以及岩体力学参数对断裂构造附近地应力场的影响，发现上述因素均能对断裂构 造局部应力场的量值及方向产生影响。 沈海超【1 7 】通过有限元方法对断层对地应力场研究，结果同样表明断层面的力学参断 层方向与最大主应力方向夹角以及岩体力学参数对断层附近应力场分布的影响有所差 异。 朱维申，阮彦晟[ I S - 1 9 】通过数值模拟及理论分析，研究了对断层附近的应力异常分布， 发现在断层附近会形成菱形的应力集中区，且在断层中间位置附近主应力降低，距离断 层一定距离后又会发生主应力差的再次突增。 图1 ．1 为引用黄醒春教授对断层研究的一个实例【1 6 】在埋深为5 2 0 m 的巷道帮部通 过水平钻孔测试地应力，断层I Ⅱ走向N 4 2 。E ，倾角7 5 。，延展长度约2 0 0 m ，破碎带 宽2 5c m 。从图中可以看出，在断层I Ⅱ左侧的最大主应力接近硐室周向，主要受硐室开 挖扰动影响，但在断层Ⅲ右侧，最大主应力接近于垂直断层走向，同时随着往岩体深部 发展，其方向逐渐变化为顺时针方向，可见断层Ⅲ对7 ～1 8 号测点的应力分布产生了影 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 响。通过此例表明，由于断层的影响，附近最大主应力方向发生了偏转。断层附近主应 力方向图如下图1 ．1 所示。 I 断层- n Ⅻ斋 “ j | 心心．、N 。．．№A 氐．、J ≮声＼，l ’＼哆。 ’jW 7 ＆ 刊、；粥淞 。＼7 ＼7 ＼ 0j m I ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．J 图l - 1 x y 主应力大小及方向图B s ] F i g1 1x yp l a n ep r i n c i p a ls t r e s sm a g n i t u d ea n dp a t t e r n 1 ．2 ．2 断裂构造对工作面围岩稳定性研究现状 1 ．2 ．2 ．1 断裂构造对工作面岩体结构影晌研究现状 在发展初期，地质工程领域工作人员及相关学者专家仅仅是把岩体看作地质材料， 直到2 0 世纪6 0 年代初，人们认识到岩体并非均匀介质。直到2 0 世纪7 0 年代中后期， 地质工程界的专家学者逐渐转向岩体结构以及结构面力学效应等问题的研究[ 2 0 】。2 0 世 纪6 0 年代初，工程地质学家谷德振教授1 2 1 】提出了“岩体结构’’的思想，并在此基础上 发展出了“岩体工程地质力学”理论。2 0 世纪7 0 年代，石根华及G o o d m a n 提出了块体 理论【2 2 1 。 在煤矿井工开采中，对回采工作面项板结构的理论研究口3 1 ，从德国学者V ．海克和 V ．日特采尔特提出的压力拱假说、德国学者W ．H a c k 和G ．G i u i t z e r 提出的悬臂梁假 说、比利时的A ．拉巴斯提出的预成裂隙假说、前苏联学者r ．H ．库兹涅佐夫提议的 岩块接触假设，到上世纪7 0 年代末钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论、上世纪8 0 年代 初宋振骐院士提出的“传递岩梁”理论、贾喜荣教授提出的板理论，至此，对煤矿采场 顶板的研究已经发展成了较为成熟的采场上覆岩层结构理论。从其发展来看，是对采场 顶板岩体结构及所构成力学性质的不断探讨与发展，从大的地质工程角度来看，也是对 岩体结构研究的重要发展。 在煤矿工作面顶板结构理论研究方面，专家学者不断发展丰富，积累了丰富的理论 及实践成果。但煤岩层本身属于地质体的一部分，其力学特性必然受到结构面的影响， 甚至在某种情况下成为主控因素，特别是在井田内地质构造发育、断裂构造多的矿井中， 其对煤矿生产会产生极大的影响。而在此地质环境下，对顶板结构的研究并不能把它视 作均质的单一岩体，不同级别的断裂构造会破坏原有顶板结构，导致矿压显现异常。 因此，在煤矿生产中特别是地质构造复杂的矿井，有必要研究地质构造特别是断裂 构造对顶板结构、围岩稳定的影响。在煤矿围岩稳定性研究方面，基于对岩体非连续性 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 的认识，相关专家学者提出了丰富的理论。 康立勋‘2 4 1 根据大同坚硬顶板的块体特征，运用赤平投影法对三类工作面顶板端面块 体的稳定性进行了分析；应用块体理论，对位于工作面端面自由面的岩块的稳定性及运 动形态进行了充分的讨论，而且研究了三种类型自由面块体的平稳、失稳判断依据。此 研究结果给出了综采工作面顶板端面漏冒的原因，对控制项板冒漏有重要意义。 张百胜【2 5 】根据极近距离煤层采用下行开采时顶板岩层的构造特征，建立了“块体一 散体”结构模型；根据顶板结构模型并运用块体理论，分析了不同类型的块体可能产生 破断失稳形式，确定了不同块体结构失稳判据。 翟英达[ 2 6 - 2 9 ] 建立了面接触块体结构的力学模型，同时建立了采场上覆岩层三维块 裂介质力学计算模型，对基本顶岩层断裂后以面面相互接触岩块构造形式存在时的煤岩 体矿山压力显现问题做出了进一步的研究。 盂召平[ 3 0 - 3 1 】通过对煤系地层岩体进行研究，将其分为硬、中硬、软弱岩体，并依据 结构面尺度和工程规模将其划分为完整、块裂、碎裂、松散结构。利用相似模拟得出 工作面超前支承压力随着项板岩体的完整性降低而减小，其峰值位置向煤岩体深部转 移。同时孟召平利用现场实测得到，断裂面顶板可分为“正三角形”、“倒三角形”、“川 字形”三种结构，其中正三角形稳定性最差，倒三角形稳定性最好，川字形在一定条件 下可形成平衡结构。 王新刚3 2 】对金属矿采场的研究得出了采场冒项的六种机理，包括构造弱面冒顶、应 力集中冒顶、能量释放冒顶、关键块体冒项以及地下水冒项并提出了相应的控顶措施， 给结构面顶板岩层控制供给了关键的原理。 朱必勇【3 3 1 以关键块体理论为基础，在考虑多节理共同作用和岩石力学参数取值的不 确定性对岩体稳定性评价造成的影响，运用一维优化算法与区间理论求解采场顶板节理 岩体的可靠性指标，将该方法运用于某地下采场顶板的稳定性综合分析中，证明其可避 免某个岩石力学参数在取值不准确时对计算结果产生较大影响。 姜福兴【3 4 1 通过对综放工作面剧烈矿压显现下压架、死架情况的研究，提出了“异常 压力”，认为其来源主要是老顶在顺面断层、地质构造变异情况下，项板的滑移失稳导 致的，并建立了相关力学模型，分析了异常压力是正常压力的2 ～3 倍，并提出了相 应的防止措施。 孙玉宁