深部高应力复杂岩层稳定性监测与实验研究.pdf

第 3 卷第 4 期 VOL3N0 . 4 西北 煤 炭 N o rt hw es t Co目 2 0 05 年 12 月 D 忱 . 2创】5 深部高应力复 杂岩层稳定性监测与 实验 研 究 来兴平 ’ , , 南葆 ’ 李奎 ’ 王海龙 ’ 伍永平 ’, 3 1 . 西安科技大学 , 陕西西安 7 1的5; 42 . 宁夏煤业集团公司石嘴山一矿 , 宁夏石嘴山 7532的; 3 . 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的54 摘要 通过对宁夏煤业集团公司石嘴山一矿3 8 区 60 0m 轨道巷全面 、 系统的工程地质调查 、岩石 力学实验 , 综合的 围岩 变形监测 , 应 力监浏与构造探测等 , 获得了宝贵的数据信息 , 为进行现场工业化 试验和最终解决采掘接续和安全开采提供了科学的依据 。 关健词 深部开采综合实验 现场监浏 分类号 TD3 文献标识码 A 文章编号 167 2 一 388020 05 0 4 一 000 8 一 0 3 随着社会与经济发展需求的日益增长和矿山工 程技术体系的进步和完善 , 资源开采不断向深部发 展 。 我国煤炭资源埋深在 l XXm以下的为2 . 9 5万亿 t , 占煤炭资源总量的5 3 。 我国目前东部矿井开采 深度正以每o r年 10 0 一 2 5 Om 的速度发展 , 预计在未 来 20 年很多煤矿将进 人 到 1戊旧m 到1 50 0 m 的深 度 。 在我国西北地区 , 随着西部大开发的逐渐深人 , 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 , 也逐渐步人深部开采的行列 ” 一4 ’ 。 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 so om 及以上为深部开采 , 软岩矿井采深 60 0m 及以 上为深部开采 。 宁夏煤业集团石嘴山一矿是有 40多 年开采历史的老矿井 , 开采深度达 75 0m , 其中为下组 煤及首采.9煤层开采服务的 3 8 区 60 0m 轨道巷处 于5 5 0m , 围岩松软 , 矿压显现非常剧烈 , 巷道底脸很 严重 最大底膝量达 1 . Zm , 采动影响严重 。 如何有效 加固与合理支护 60 0m 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 一问题巫待解决 。 通过全面 、 系统的工程地质调查 , 室内岩石力学 实验 , 综合的围岩收敛变形监测 , 矿压监测与构造探 测 , 三维固 一 流祸合数值计算等 , 最终提出了合理的 支护方案 , 为今后现场建立示范工程并进行现场工 业化试验 , 解决采掘接续和安全开采提供了科学的 依据 。 这一项目研究的成果 , 对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值得借鉴的 岩层控制方法 。 1 现场工程与地质环境特征 3 8 区 十 600m 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地下水藕合作用问题严重 。图 l和图2简单描述了 现场底脸和巷道顶部破坏情况 。 2 岩石物理与力学性质实验 根据研究的需求 , 主要分析砂岩 、 泥岩的矿物成 份 、 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射线衍射仪自动控制衍射仪系统作连续扫描和数 据采集 , 所得的衍射谱进行谱图对比与综合分析 , 对 采集的数据进行处理 , 得出岩石成份 , 表 l和表2分 别为岩石物理 一 力学性质实验结果 , 图 3和图4分别 是砂岩结构描述 。 目 . ... ... ... ...尸, 图1轨道巷底朦破坏情况 图 2 轨道巷顶部破坏状况 图3砂岩结构放大4 x l o倍图4残蚀放 大1 0 x l o倍 收稿日期{ X 5 一一 5 2102 第 4 期 岩性 直径 em 高度 em 来兴平 南葆 李奎 王海龙 伍永平 深部高应 力复杂岩层稳定性监测与实验研究 衰 1 岩石的物理性质 体积干重t湿重t干容重湿容重吸水率 e m , ggg / em, g / em, 8 39 7 9 52 40 07 8 000 0 ,l 4 . 90 4 砂岩 4 . 8 94 4 . 86 4 4 . 89 . 泥岩 4 . 87 4 . 9 16 6 . 332 5 . 3 16 4 . 24 2142 4 . 5 167 . 343 0 . 8435 168 . 5439 . 844 4 13 840740 8 1 17 . 93 01 . 7307 . 8 1犯 . 6252 . 52 57 6 9 48 9 2 0 73 5 . .8 897 农2岩石变形力学性质 野外 定名 单轴抗压强度Ma P 天 然饱和 单值 均值单值均值 软化 系数 天然抗 剪强度 饱和抗剪强度 内聚力 内摩擦角 内聚力 内摩擦角 M那 。 M邵 “ 5 4 . 119 . 9 砂岩 6 0 . 05 3 . 1 2 1 . 52 2 . 3 0 . 4212 . 43 2 . 4872 2 . 5 4 5 . 12 5 . 5 27 . 62 3 . 3 泥岩 2 9 . 1 2 9 . 115 . 919 . 60 . 6 79 . 43 818 . 126 . 2 3 0 . 519 . 6 3 现场监测设计与分析 根据现场工程实际 , 对 60 0m轨道巷监测进行 收敛变形监测 、 压力监测和构造异常探测三个部分 。 图 5是监测站布置工程平面布局情况 。巷道 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 。 监测内容主要包括顶底板相对移近量反 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 ” 反映巷道收敛与底朦 。 3 . 1 变形监测 从 2005 年 3 月 l日到6月19日一直在现场开 始布点观测 , 先后在轨道巷布置了 8个 1 ’、 2 , 、 3 , 、 4 、 5 。、 6 ’ 、 . 7 、 8 , 表面位移收敛监测断面 , 每星期监测 3 次 。 在距离掘进头 15 0m 处 , 从里向外分别在 600 轨 道巷两直墙壁布置了 2组压力监测仪器 , 安装了 4个 监测表 , 采用打锚杆和压力枕联合作用 , 监测巷道两 边压力动态变化情况 , 获得了可靠的数据 , 为该巷道 今后进行综合控制和提供合理的支护方式提供了可 靠的依据 。 图 7 巷道左右 “顶一 帮 ” 。和“ 底 一 帮 “ b 最大收敛 一 拉伸变形规律统计 3 8 区 十60 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 。 表6是监测巷 道最大变形累计量统计 , 图 7a 和图7b 分别描述了 监测巷道顶 一 底下沉变形 、 左右 “顶一 帮 ” 和 “底一 帮 ” 围岩最大收敛 一 拉伸变形统计规律 。 从图中可以看出 , . l 、 . 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 同的藕合作用 , 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 , 这就说 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 。 3 . 2 压 力监测与分析 根据工程地质环境和工程需要 , 在 60 0 m 轨道 巷选择 2个测站进行压力监测I 、 n应力监测站 , 如 西 北煤炭第 4 期 图 5 所示 。每个监测站在巷道左右两侧岩墙上分别放 2 个 应 力监 测仪器 。 其中 I 、 n 应力监 测站相距 1 1 . s m , I应力测 站与1 ’ 收敛 变形监测站相距 26 . lm 。 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 8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 母收敛变形监测 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 . OM Pa , n监测站的左帮围岩的应力最大值达到 6 . ZMa P , 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变形 , 这为支护方式选 择和合理的参数确定提供可靠的依据 。 3 . 3 构造异常探测 600m 轨道 巷从 4 G 测点向南已施工 10 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l 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 藕合作用 。 因此 , 为了预防l F l 断层面的水和有害 气体突然涌 出 , 确保安全生产 , 对 6 Xm轨道巷进 行构造异常与断层水进行探测 , 探放 Fl l 断层并疏 放lF l 断层面的水及有害气体 ; 探明九层煤的位l 及厚度 。 4 结论 3 8 区 6 以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 , 3 8区 6O0m轨道巷处于大采深 , 岩层软弱破碎 , 构造与应力 复杂 , 高瓦斯 , 地下水藕合作用问题严重的工程环境 之中 , 1 . 、 2 井和 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人二 次变形阶段 , 同时 , 地质构造和断层以及断层水也对 其施加了不同的藕合作用 , 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 。 参考文献 11 ] 谢和平 . 深部高应力下的开采 一 现状 、 基础科学问题与展望 . 香 山科学会议编[C ] , 北京 中国环跪科学出版社 , 20 02 . 1 79 一 1 91 . 【 2 ]冯复庭 . 深部大型 地下工程开采与利用中的几个关镶岩石力学 问题 . 香山科学会议编l c ] , 北京 中国环境科学出版社 , 20 02 . 20 2 - 2 1 1 . [3】Kidybi n ski A , Du肠n skiJ . Sta ra tCo nto r lin e D e pMine s . Rotte记. A . A Ba l kem a , 19 90 . 1 、 3 14】 Bo r nw E T , Ho ek E . Tr e nds i n 二a l石o n ships b e t we e n a me s u耐 。k i n sit Us切即5 a nd d e P*h . Int . J . Ro ck Mc eh . Min . c Si . e G omc e hAh a t r二 1978 , 1521 1 215 作者简介来兴平 l 97卜 , 博士后 . 教授 , 199 3 年 7 月于西安矿业学院采矿工程专业本科毕业 , 20 02年7 月获得北京科 技大学博士学位并进入采矿苗点学科博士后流动站从事研究 , 目前负 责田家自然科学基金N o . 10 4 0 20 33 , 教育邵盆点实验室盆点项目和 陕西省自然科学基金等 3项纵向研究项目以及多项现场合作工程项 目 , 获省部级奖励 4项 . 出版 著作 2部 , 发表学术论文4 0多篇 。 R e s e a c rh of e t s t and m o址o t d n g o nsa t bii ly t of hih g ly ste rss e d c o m Ple x o c r kf on . ai to nat de eP 而n e 玩1X I I堪, ig n a d n o th e s r Xi ’ an Univ es rity of Seie n e ea nd e T e h no lo群Xi ’ a n , Sha x ni , 710054 ;Nin群ia Co alIndu st叮 , Shizuisha nN o . 1Co al Min eShiz uisha n , Nin群ia , 7 532X 责任编辑 杨惠波