深部高应力松软岩层稳定性监测及实验研究.pdf

第 2 5卷第 4期 2 0 0 5年 1 2月 西安科技大学学报 J 0UR N A L O F X I ’ A N UNI V E R S I T Y O F S C I E N C E A N D T E C HN OL C Y Vo 1 ． 2 5 No ． 4 De c ．2 0 0 5 文章编号 1 6 7 2 9 3 1 5 2 0 0 5 0 4 0 4 0 70 4 深部高应力松软岩层稳定性监测及实验研究 伍永平 ， 一 ， 来兴平 ， 一 ， 南葆 ， 王海龙 ， 蔡美峰 1 ． 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 宁夏煤业集团 石嘴山一矿， 宁夏 石嘴山7 5 3 2 0 0 ； 3 ． 西安科技大学 教育部西部矿井开采与灾害控制重点实验室， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 4 ． 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 深部开采中巷道维护理论与浅部有十分明显的区别。这种差别的根源在于岩石赋存环境上 的差异 ， 尤其是深部高应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为。通过对宁夏石嘴山一矿 3 8区 6 0 0 m轨道巷的工程地质调查、 岩石力学实验、 围岩变形与应力观测等， 获得 了宝贵的数据信息， 为现 场进行工业化试验和最终解决采掘接续和安全开采提供了科学依据。 关键词 石嘴山一矿 ； 深部开采； 综合实验； 现场监测； 构造探测 中图分类号 2 q 3 3 2 5 ． 1 文献标识码 A Co mpr e he n s i v e e x pe r i m e nt a nd s t a b i l i t y mo n i t o r i n g f o r s o f t a nd c o mpl e x s t r a t a o f h i g h s t r e s s r o a d w a y i n d e e p mi n e p r o j e c t 、 ⅧY o n g p i n g ． 一 ， L A I X i n g p i n g ． 一 ，N AN B a d， WAN G Ha i l o n g 2 ， C AI Me i f e n g 4 1 ． S c h o o l o fEn e r g y 。 ’ n n Un i v e r s i t y o fS c ／ e n c e a n dT e c h n o ／ o g y， ’ n n 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a； 2 ． No ． 1 C o a l Mi n e o fS h i z u i s h a n，Ni n g x i aC o a l G r o u pL t d． ，S h i z u i s h a n 7 5 3 2 0 0，Ch i na ； 3 ． W [ d i n i n ga n d Ha z a r d C o n t r o l Ke yL a b o r a t o r y，Mi n i s t r yo fE d u c a t i o n o fCh i na ，Xi ’ n n 7 1 0 0 5 4，Ch i na ； 4 ． S c h o o l o fC i r A l a n dEn mn me n ml En g i n e e r i n g，B e i j i n g U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a nd T e c h n o l o g y ，B a tin g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i na Ab s t r a c t Th e s u p p o r t i n g a n d r e t a i n i ng t h e o r y o f t u n n e l i n t h e d e p t h s a r e d i f f e r e n t f r o m o n e s a t a s h a l l o w l e v e 1 ．I t i s c a u s e d b y t h e d i f f e r e n c e o f g e o l o g i c a l e n v i r o n me n t s b e t we e n d e e p an d s h a l l o w l e v e l s ．Th e mo s t d i s t i n g u i s h e d d i f f e r e n c es b e t we e n d e e p and s h a l l o w l e v e l s s h o w s o me s p e c i a l me c h ani c a l beh a v i o r s ．B a s e d o n i n t e g r a t ed i n s i t u e n g i n e e r i n g i n v est i g a t i o n，c o mp r e h e n s i v e e x pe r i me n t o n r o c k me c h an i c s p r o p e rty，d e f o r ma t i o n and s t r e s s mo n i t o r i n g，e t c ． ，t ect o n i c d e t e c t i n g，t h e col l a p s e d r e g u l a r i t y a n d s t r e s c h ara c t e r i s t i c s h a v e b e e n g a i n ed ．Th e s e p r o v i d e some e v i d e n c es f o r s t r a t a r e i n f o r c e me n t a n d s a f e mi n i n g i n t h e west e r n d eep mi n e p r 。 6 ect ． Ke y wo r d s No ． 1 c o a l mi n e o f S h i z u i s h an ； d eep mi n e ；comp r e h e n s i v e e x p e r i me n t ；i n t e g r a t e d i n s i t u mo n i t o r i n g；t ect o n i c d e t e c t i o n O 引 言 随着社会与经济发展需求 日益增长和矿山工程技术体系的进步和完善， 资源开采不断地在向深部发展。我 收稿 日期 2 0 0 51 O 一2 O 基金项目 国家自然科学基金项目 1 0 4 0 2 0 3 3 ， 5 0 4 9 0 2 7 1 ； 国家 自 然科学基金西部重大研究计划项 目 9 0 2 1 0 0 1 2 ； 教育部西部矿山 开采与灾害控制重点实验室重点项目 04J S 1 9 ； 陕西省自 然科学基金项 目 2 0 0 3 F 4 1 3 作者简介 伍永平 1 9 6 4 一 ， 男， 陕西汉中人， 教授， 博导， 主要从事矿山开采、 岩层控制与灾害治理研究． 维普资讯 4 0 8 西安科技大学学报 2 0 0 5 国煤炭资源埋深在 1 0 0 0 I T ／ 以下的为 2 ． 9 5 1 0 亿 t ， 占煤炭资源总量的5 3 ％。目前东部矿井开采深度正以每 1 0 a 1 0 0 --2 5 0 m的速度发展， 预计在未来 2 0 a 很多煤矿将进入到 1 0 0 0 m到 1 5 0 0 m的深度 ； 在西北地区， 西部 大开发对能源的需求也 日益增加， 例如西北的宁夏石嘴山矿区面临“ 煤竭矿衰” 的危险， 随着浅部煤炭资源的枯 竭， 也逐渐步入深部开采的行列[ 卜引。根据我国煤矿的地质条件、 开采技术水平 、 矿井装备水平、 巷道矿压显现 的特征等 ， 一般认为采深在 8 0 0 m及以上为深部开采； 而软岩矿井采深 6 0 0 m及以上 即为深部开采。宁夏石嘴 山一矿是有 4 0 多年开采历史的老矿井 ， 开采深度已达 7 5 0 m， 其 中为下组煤及首采 9 煤层开采服务的 3 8区 6 0 0 m轨道巷处于 5 5 0 m的深度 ， 围岩松软， 矿压显现非常剧烈， 巷道底臌变形很大 最大达 1 ． 2 m ， 采动影响严 重。如何有效加 固与合理支护 6 0 0 m巷道的 围岩， 控制其变形， 使其真正有效、 安全地发挥作 用， 对石嘴山一矿乃至宁夏煤业集团的安全绩效 具有举足轻重的作用。这一问题亟待解决M J 。 通过对石嘴山一矿 3 8区6 0 0 m轨道巷系 统的工程地质调查 、 岩石力学实验和围岩变形与 应力监测等， 为现场进行工业化试验， 解决采掘 接续和安全开采提供了科学的依据。 1 现场工程与地质环境特征 3 8区6 0 0 m轨道巷工程特征概括为 ①大 采深； ②岩层软弱破碎； ③构造与应力复杂； ④高 瓦斯； ⑤地下水耦合作用问题严重。图 1 描述了 6 0 0 m轨道巷工程环境， 图 2简单描述了现场 破坏情况。 图 1 3 8区6 0 0 m轨道巷工程环境描述 Fi g ． 1 Th e e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r o a d wa y a t d e p t ho f 6 0 0 r n i n No ． 3 8 n l i l l i n g r e g i o n b 图 2 6 0 0 m轨道巷现场破坏情况 F i g． 2 Th e i n s i t u c o l l a p s e d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r o a d wa y a t d e p t h o f 6 0 0 r n a 地下水耦合作用造成的底臌破坏 b 构造作用造成的巷道顶部破坏 c 构造挤压造成的底臌与变形 2 岩石物理与力学性质实验 随着开采深度的增加， 岩石破坏机理也随之转化 ， 由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转化为深部开采 条件下由侧向应力控制的断裂生长破坏； 更进一步， 实际上就是由浅部的动态破坏转化成为深部的准静态破坏； 以及由浅部的脆性力学响应转化为深部潜在的延性行为力学响应【 5 】 。根据研究的需求， 文中主要分析砂岩、 泥 岩的矿物成分、 物理性质及 自 然状态以及饱和状态下的力学及变形特性， 为最终成功进行工程治理提供可靠的 依据。x射线衍射仪系统作连续扫描和数据采集 ， 对衍射谱进行谱图对比与综合分析。对采集的数据进行处 理， 得出岩石成分。表 1 和表 2分别为岩石物理 一力学性质实验结果。图 3 是砂岩结构显微与衍射谱描述。 维普资讯 第4 期 伍永平等深部高应力松软岩层稳定性监测及实验研究 3 现场监测设计与分析[ 5 ] 一。 蓑 场 程 实 际 ，对 6 o 0 m 轨 道 巷 进 行 了 收 敛 变 形 监 测 、 压 力 监 测 和 构 造 异 常 探 测 。 图 4 是 监 测 站 平 面 布 局 情 况 。变形监测分为巷道表面测量和巷道顶板内部 深部 围岩运动变化测量 。 监测内容主要 。 a b 图3 砂岩结构显微与衍射谱描述 Fi g ． 3 Th e mi c r o s c o p i c a l a n d d i f f r a c t i v e p h o t o s o f s t r u c t u r e o f s a n d s t o n e a 砂岩结构放大4 1 0 倍 b 残蚀放大 1 0 x 1 0 倍 表 1 岩石的物理性质 T a b ． 1 T h e p h y s i c p a r a me t e r s a n d c h a r a c t e r s o f d i f f e r e n t H k 砂岩 6 o ． O 4 5． 1 2 7． 6 2 9． 1 3 0． 5 53 ． 1 2 9． 1 21 ． 5 2 5． 5 2 3． 3 1 5． 9 1 9． 6 2 2． 3 0． 4 2 1 2． 4 3 2．4 8． 7 2 2． 5 1 9． 6 0 ． 9 7 9． 4 3 8 1 8．1 26 ． 2 图 4 围岩变形综合监测 点 布置 Fi g ． 4 Th e i n - s i t u a r r a n g e me n t s o f c o mp r e h e n s i v e mo n i t o r i n g d e t e c t i n g l 监 测 断面 O 一 1 0 0 删 - j 8 82 0 0 r ．5O O 一60 0 嘴 一7 0 0 蟠 图5 最大下沉累计变形比较 F i g． 5 Th e c o mp a r i s o n o f t h eU lT I t o t a l s u b s i d e n c e 移近量 反映垂直变形 、 两帮相对移近量 反映水平变形 、 “ 顶 一帮’ ’ 和“ 底 一帮’ ’ 变形 反映巷道收敛与底臌 。 维普资讯 4 1 0 西安科技大学学报 2 0 0 5盎 3 ． 1 变 形监测 从 2 0 0 5 年 3月 1日到 6 月 1 9日在现场开始布点观测， 先后在轨道巷布置了 8个 1 ～8 表面位移监测断 面， 获得了可靠的数据。 3 8区6 0 0 m轨道巷由于开采深度较大， 工程地质环境复杂， 造成围岩变形也非常复杂。图5是监测巷道 最大变形累计量统计。图 6 a 和图 6 b 分别描述了监测巷道顶 一 底移近变形、 左右“ 顶 一帮” 和“ 底 一帮” 围岩 最大挤压变形统计规律 负值表示收敛变形 ， 正值表示拉伸变形 。从图中可以看出， 1 ， 2 和 3 监测断面距离 掘进面较远 ， 但巷道下沉和变形比较大。究其原因主要是巷道已经进入二次变形阶段， 同时， 地质构造和断层以 及断层水也对其施加了不同的耦合作用， 使得左右两帮围岩存在拉伸和收敛变形， 其大小也不相同， 而且存在异 常变形现象。这说明该区域内有构造或断层， 所以， 在后期的掘进过程中一定要加强构造异常与地下水的探测。 8 7 旧 5 誊4 3 2 1 J ● ● ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ _ I ■ ■■● 。 ●1 _l 2 ＆ _1 4 ＆ -5 0 0 0 5 0 0 1 00 0 最大累计收缩． 拉伸变形／ mm a 8 7 旧 5 4 郦 3 2 1 _2 ‘ l ＆ ■■■■■_ _． 6 l ＆ ■_ 1_ ■■■ ■_ ■■_ ． ． ． ． ． ． 一 ． -6 00 - 40 0 - 20 0 0 20 0 累计收敛变形／ mm b 图6 巷道不同部位最大挤压规律 Fi g ． 6 Th e r e g u l a r o f s q u e e z i n gi n r o a d wa y a 左右“ 顶 一帮 ” 变形 b 左 右“ 底 一帮” 变形 3 ． 2 应力监测与分析 查明地壳的地应力大小和方向是采矿工程的基础[ 。总的来看， 地壳中垂直地应力的分布规律比较简单 ， 即垂直应力随深度增加呈线性增大， 而水平应力的变化规律 比较复杂[ 。根据工程地质环境和工程需要 ， 在 6 0 0 m轨道巷选择 2个测站进行应力监测 I， Ⅱ 。每个 监测站在巷道左右两侧岩墙上分别设置 2个应力监测仪 器。其中 I， Ⅱ应力监测站相距 1 1 ． 5 m， I应力测站与 1 收敛变形监测站相距 2 6 ． 1 m。根据压力枕安装方向， 监测 水平和垂直应力变化规律 ， 从而为最终有效、 合理的支护 设计提供科学的参考依据。图7 反映了现场应力监测结果 与统计规律。从图中可以看出， 靠近 1 收敛变形监测站的 I应力测站的2个监测表反映的应力一直处于增加趋势， 而且右帮围岩的应力值比较大， 最高达 1 0 ． 0 MP [ t ， 1 I 监测 站的左帮围岩的应力最大值达到 6 ． 2 MP a 。这充分反映了 左右两帮应力处于不平衡状态， 从而造成巷道挤压和扭曲 图7 现场应力监测结果 F i g ． 7 Th e r e s u l t o f i n - s i t u s t r e s s mo n i t o r i n g 变形。这为支护方式选择和合理的参数确定提供了可靠的依据。 3 ． 3 构造异常探测 鉴于近年来由于构造探测不清造成了多矿难事故的血的教训， 现场在 6 0 0 m轨道巷附近从 G d 测点向南 已施工 1 0 4 m， 现轨道巷迎头岩石 泥岩、 高岭石泥岩 破碎， 易冒， 而且小断层发育 ， 经过分析， 轨道巷已进入 F l 断层破碎带。从变形监测结果可知， 该区域围岩变形复杂， 预计有构造或断层水以及瓦斯等有害气体的耦合作 用。因此， 为了预防 F 】 断层面的水和有害气体突然涌出， 确保安全生产 ， 对 6 0 0 m轨道巷进行构造异常与断 层水探测 ， 并探明了下组 9 煤的位置及厚度。 下转第 4 2 4页 维普资讯 4 2 4 西安科技大学学报 2 0 0 5生 J o u o f Mi n e ， Me t a l s F u e l s ，1 9 8 9 ， 6 --7 2 4 02 4 6 ． [ 3 ] 钱鸣高， 许家林． 覆岩采动裂隙分布的“ 0’ ’ 形圈特征研究[ J ] ． 煤炭学报， 1 9 9 8 ， 2 3 5 4 6 6 4 6 8 ． [ 4 ] 许家林， 钱鸣高． 基于岩层移动的“ 煤与煤层气共采” 技术研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 4 ， 2 9 2 1 2 9 1 3 2 ． [ 5 ] 李树刚， 钱鸣高． 综放开采覆岩离层裂隙变化及空隙渗流特性研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 0 ， 1 9 5 6 0 4 6 0 7 ． [ 6 ] 李树刚， 张正林． 含瓦斯厚煤层顶分层开采解放作用分析[ J ] ． 辽宁工程技术大学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 3 2 7 1 2 7 3 ． [ 7 ] 吴佩芳． 中国煤层气产业发展面临的机遇和挑战[ A ] ． 2 0 0 2 年第三届国际煤层气论坛论文集[ C ] ． 徐州 中国矿业大学 出版社， 2 0 0 2 ． [ 8 ] 叶建平 ， 史保生． 中国煤储层渗透性及其主要影响因素[ 门． 煤炭学报， 1 9 9 9 ， 2 4 2 1 1 8 1 2 2 ． [ 9 ] 程远平 ， 俞启香． 煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 3 ， 3 3 2 1 3 2 1 3 6 ． [ 1 O ] 杨大明． 缓倾斜下解放层解放作用分析[ D] ． 徐州 中国矿业大学 ， 1 9 8 6 ． 上接第 4 1 0页 4 结论 3 8区- I- 6 0 0 m轨道巷由于开采深度较大， 工程地质环境复杂 ， 造成围岩变形也非常复杂 。轨道巷处于大采 深、 岩层软弱破碎、 构造与应力复杂、 高瓦斯、 地下水耦合作用问题严重的工程环境之中。1 ， 2 和 3 监测断面 距离掘进面较远， 但巷道下沉和变形比较大， 究其原因主要是巷道已经进入二次变形阶段。同时， 地质构造和断 层以及断层水也对其施加了不同的耦合作用 ， 使得左右两帮围岩存在拉伸和收敛变形， 其大小也不相同， 而且存 在异常变形现象。在后期的掘进过程中一定要加强构造异常与地下水的探测。另外， 在支护设计过程中要综合 分析， 改善围岩的应力环境 ， 一定要本着“ 大范围控制” 和“ 小范围治理” 的基本原则。这一项 目研究的成果 ， 为今 后宁夏煤业集团所属的其他矿井的深部安全高效开采提供了值得借鉴的岩层控制方法 ， 同时对西北少数民族聚 居地区的经济安全与稳定发展具有积极的作用。 参考文献 [ 1 ] 谢和平． 深部高应力下的开采现状、 基础科学问题与展望[ A ] ． 见 香山科学会议编． 科学前沿与未来 ， 第 1 7 5次香 山科学会议[ C ] ． 北京 中国环境科学出版社 ， 2 0 0 2 ． 1 7 9 1 9 1 ． [ 2 ] 冯夏庭． 深部大型地下工程开采与利用中的几个关键岩石力学问题[ A ] ． 见 香山科学会议编． 科学前沿与未来， 第 1 7 5 次香山科学会议[ C] ． 北京 中国环境科学出版社， 2 0 0 2 ． 2 0 2 2 1 1 ． [ 3 ] B r o n w E T，H o e k E ．T r e n d s i n r e l a t i o n s h i p s b e t we e n me a s u r e d r o c k i n s i re s t r e s s a n d d e p t h [ J ] ．I n t J R o c k Me e h Mi n S e i Ge o me e h Ab s t r ，1 9 7 8， 1 5 2 1 12 1 5． [ 4 ] 西安科技大学， 宁夏煤业集团石嘴山一矿， 教育部西部矿井开采与灾害控制重点实验室． 高应力松软复杂岩层稳定性 控制及综合支护 阶段研究报告 [ 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