煤矿井下地质构造对地应力分布的影响

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煤矿井下地质构造对地应力分布的影响

发布日期： 2014-06-30 发布：  

  2014年5期目录       本期共收录文章20篇

　　【摘 要】煤矿井下开采作业中，地质构造与地应力分布之间存在着一定的关系，本文主要通过案例分析对煤矿井下地质构造对地应力分布的影响进行了具体的分析和探讨。
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　　【关键词】煤矿井下；地质构造；地应力分布；影响
　　地应力测量对地质构造研究、水利、国防等工程中有关问题的解决具有有效的理论和实际指导意义。在矿区开采时，根据工程地质条件和工程所处不同构造，根据其所处的地应力类型、状态以及作用特征、采用有效合理的预防矿井动力现象技术措施，来确定科学的回采顺序，对保证煤矿巷道生产的安全和稳定性具有重要意义。因此，对煤矿井下地质构造对地应力分布影响的探讨有其必要性。
　　1 研究背景
　　煤矿井下存在着不同规模和不同类型的结构，如层理、节理、断屋、褶曲以及裂隙等，这些不同的地质结构对煤岩体的力学性质造成了严重影响。经过研究发现，在煤岩体中由于原始应力作用的存在，在研究岩体稳定性以及力学行为时，需要首先考虑到原始应力地，尤其是对于构造应力的影响，为此，需要通过加强对这些构造的研究，获取相关的可靠信息，比如褶曲走向、大规模断层等来判断主应力的方向，也可以根据裂隙、节理的方向在小范围内来判断。目前已经有大量关于地应力和断裂的研究成果，但是诸多观点均认为，地应力状态变化与断裂发育的复杂程度密切相关。
　　2 原理分析
　　我国的煤矿主要是井下开采，一般而言，煤矿开采地质构造对地应力分布的影响就成为其中研究的关键。经地大量研究发现，断裂及附近地应力的影响范围与断裂规模成正比关系，且变化情况相对复杂，不仅有应力增大的现象，也有应力降低现象，且伴随着时间的变化，断裂及附近的应力也会发生相应的变化，曾经张景对其进行了研究和测量，发现不论是正断层，还是逆断层，最小主应力均平行于断层迹线水平应力。通常造成应力原因主要是由于构造运动和重力作用所造成的，而且影响因素相当复杂，加上其空间分布不均匀，为此，可以通过实测准确的应力值，进行统计分析，以获取应力分布以及变化规律，从而更好地指导工作实践。
　　3 实践应用分析
　　在这里以华亭矿区为例进行具体的说明，该矿区属于急倾斜特厚煤层，煤层的厚度约为33.8-66.9m，平均厚度约为50.6m，整个矿区的煤层底板为泥质胶结的粗砂岩和中砂岩，而基本顶则为细砂岩、和粉砂岩，具有不稳定性，而井田内的结构基本形态多样化，有向斜、背斜、单斜，这些构造都会对煤层倾角造成一定的影响，具体如图所示：
　　根据以上图示分析：煤层主要分为两部分，一是急倾斜、二是缓倾斜，其中，向斜主要是由于板块挤压而成，加上整个矿区处于向斜的轴部和翼部，因而导致其应力场相对复杂，为此，在测量应力时，采用空心包体应力解除处理，为了进一步对煤层矿区应力场分布规律及其影响状况进行分析，需要采用水压致裂法进行地应力的测量。
　　3.1 测量设备
　　在本次测量中，主要采用水压致裂地应力测量系统，为国家地质研究所所研制的CSIRO HID最新数字式空心包体应力测量系统，该系统内置微处理器和A/D转换板，并且配置有控制箱、台式机、定向器、高压油管等，并且通过中央5控制器来直接输出数字信号，系统在测量时对传输距离没有特别的限制，系统还采用了电缆4芯，不仅重量轻，而且直径变小，更容易穿过钻杆，消除了信号损失和数据漂移的问题，并且采用HID数字式空心包体、预埋微控制器的数字传感器，应用岩石或混凝土的三向应力测试、ISRM推荐进行应力测试、应力解除过程中进行监测、短期或长期监测三向应力、真正得到一点的三维应力张量，使得测试精度更高，具体的参数情况如下表所示：
　　技术规格 参数范围
　　应力范围 大于100MPa
　　温度范围 0到60℃
　　应变计阻值 120欧姆
　　桥路设置 三线，四分之一桥
　　精度 标准误差为应力的+/-10ppm
　　应变计长度 10mm
　　钻孔尺寸 38mm直径（EX或者EXT），套孔直径100-150mm的应力解除
　　电源 5-15VDC，测试时55mA电流，等待时5mA电流
　　数据格式 NMEA 0183，逗号分隔
　　分辨率 +/-0.1微应变
　　优点 电缆传输时无信号损失； 4芯窄体电缆；高精度；“交钥匙”方案；操作简单的数据下载和分析；消除了读数漂移相关的问题；可以兼容任意拥有RS232的数据采集仪
　　3.2 测量方法
　　煤矿开采地质构造情况相对复杂，且国内外地应力测量方法也有多种，但是应用较多的以水压致裂法和应力解除法，即采用充压膨胀式的封隔器把钻孔的待加压段密封起来，对隔离段加压直至开裂，当轴向裂缝产生，测试过程中产生的压力，可以用来确定垂直于钻孔平面那的次主应力的大小，且在应力解除过程中，进行全过程跟踪监测，在单孔中取得测点的三维应力状态
　　4 测量结果分析
　　在煤矿井下的应力分析中，主要进行了2次的地应力测量，且共14个测站，根据上述分析，知道该矿区存在着不同类型的结构，包含有层理、节理、断屋、褶曲以及裂隙等，为了充分了解这些地质结构分别对煤岩体的力学性质造成影响，需要通过测量结果进行科学评价，在本次研究中发现，矿区中煤岩体原始应力作用的存在，需要对岩体稳定性以及力学行为进行了解，并且在此基础上，进一步考虑原始应力地，尤其是对于构造应力的影响，14个检测站中，位于急倾斜煤层的4个检测丫平均不平应力和垂直主应力的比值均小于1，而且经过对构造的研究，获取相关的可靠信息，比如褶曲走向、大规模断层等来判断主应力的方向，也可以根据裂隙、节理的方向在小范围内来判断，发现10个测站的最大主应力大于20MPa，且全部位于水平煤层，而另外的4个测站的主应力范围则在11-16MPa，且全部位于急倾斜层。在测量应力时，采用空心包体应力解除处理，为了进一步对煤层矿区应力场分布规律及其影响状况进行分析，发现其有应力增大现象和降低现象，与此同时，在时间变化的过程中，断裂及附近的应力也发生变化，从而获取应力分布以及变化规律。
　　5 结语
　　总而言之，矿区地应力的测量对矿区勘探具有一定的指导作用，需要加强理论分析，结合地应力实际测量结果，更好地矿区断裂构造的作用机理以及力学成因，并在此基础上合理选择测量方法，以提升测量数据的准确性和可靠性，从而更好应用于工程实践。
　　参考文献：
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