煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響研究

馬超

摘 要：近幾年來(lái)，煤礦的開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，礦難的發(fā)生率也在逐年增加，當(dāng)然這些礦難的發(fā)生與人們?yōu)橹\求利益利益而對(duì)煤礦進(jìn)行違規(guī)開(kāi)采有很大關(guān)系，然而最主要的，還是因?yàn)槊旱V的井下地質(zhì)構(gòu)造和相關(guān)地應(yīng)力的分布。為了保證煤礦開(kāi)采的安全性，我們必須要對(duì)煤礦井下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，觀察其對(duì)地應(yīng)力分布所造成的影響。該文主要是通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力的觀測(cè)分析來(lái)研究煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響。

關(guān)鍵詞：煤礦 井下地質(zhì)構(gòu)造 地應(yīng)力分布 影響

中圖分類號(hào)：TD35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0236-02

我國(guó)的國(guó)土資源豐富，相應(yīng)的我國(guó)的煤礦資源也比較豐富，然而，由于煤礦資源的所在地分布范圍比較廣泛，各個(gè)地區(qū)的地形差異比較大，這使得我們?cè)陂_(kāi)發(fā)及利用煤礦資源的時(shí)候遭受的影響比較大，所以我們?cè)陂_(kāi)采煤礦資源的時(shí)候大多采用將井下開(kāi)采方式。由圖一可知，我國(guó)的煤礦資源比較豐富，同時(shí)分布范圍也比較廣泛。

然而，近幾年來(lái)，煤礦的開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，礦難的發(fā)生率也在逐年增加，當(dāng)然這些礦難的發(fā)生與人們因?yàn)樽陨砝娑鴮?duì)煤礦進(jìn)行違規(guī)開(kāi)采有很大關(guān)系，然而，最主要的，還是因?yàn)槊旱V的井下地質(zhì)構(gòu)造和相關(guān)地應(yīng)力的分布。為了保證煤礦開(kāi)采的安全性，我們必須要對(duì)煤礦井下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，觀察其對(duì)地應(yīng)力分布所造成的影響。

1 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力分布進(jìn)行觀測(cè)

一般情況下我們可以通過(guò)多種方式對(duì)地應(yīng)力的分布進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量原理的不同，我們大體上可以分為以下幾種情況：根據(jù)測(cè)定巖體里的變形方式以及應(yīng)變情況來(lái)判定巖體的力學(xué)。我們?cè)跍y(cè)量的時(shí)候多采取地球物理方式，比如說(shuō)對(duì)巖體內(nèi)的電阻率、發(fā)射以及聲波的傳送規(guī)律進(jìn)行探討研究。這樣一來(lái)我們就可以對(duì)煤礦井下巖體所破壞的程度以及其地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)行確定，從而對(duì)地應(yīng)力的分布情況進(jìn)行確認(rèn)。

1.1 測(cè)量井下地應(yīng)力的設(shè)施以及方法

目前，我國(guó)對(duì)煤礦地應(yīng)力的測(cè)量，大部分都選用在井下的一些巷道里進(jìn)行，測(cè)量過(guò)程中我們采用的工具多為鉆孔機(jī)，而且測(cè)量過(guò)程中對(duì)于角度的選擇至關(guān)重要。選擇的位置大部分為巷道內(nèi)的頂板巖體，選擇好位置后，我們需要仰角向所選位置進(jìn)行鉆孔施工，施工完畢后將選擇好的傳感器放置于所鉆的孔道中，以此來(lái)測(cè)量煤礦的應(yīng)力。選擇好測(cè)量應(yīng)力的地點(diǎn)之后我們需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)安裝工程，多數(shù)情況下我們會(huì)采取施工的方式，進(jìn)行導(dǎo)孔以及安裝孔，具體方式如下：確定好安裝部位后我們需要將應(yīng)力計(jì)放于煤礦巖體完整的部位。然后再取出巖體內(nèi)部連接著應(yīng)力計(jì)的部位，一般情況取出的都是圓柱狀的巖芯，在巖芯的取出的過(guò)程中采用的工具為金剛石巖筒。這樣一來(lái)，我們就可以利用應(yīng)力計(jì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)煤礦巖體的地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。在應(yīng)力計(jì)安裝施工過(guò)程中我們需要對(duì)連接著應(yīng)力計(jì)的圓柱形巖芯，采取施壓行為。施壓過(guò)程中選擇的工具為彈模率定儀，如此一來(lái)，巖體的壓力在變化過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)變，都可以通過(guò)此方法完完整整地進(jìn)行記錄，之后根據(jù)公式對(duì)煤礦的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。采取的公式為三維應(yīng)力核算，在核算過(guò)程中我們還需要對(duì)巖體的泊松比以及彈性的模量進(jìn)行核算。圖二為由儀器掃描的電阻率斷面圖。

我們?cè)跍y(cè)量煤礦現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力的過(guò)程中需要用到應(yīng)力傳感器，大多時(shí)候我們采用的是由澳大利亞所生產(chǎn)的CSIROHT型的應(yīng)力傳感器，這種傳感計(jì)的主要構(gòu)造，是將已經(jīng)準(zhǔn)備好的應(yīng)變花3組粘貼到提前制定好的環(huán)氧樹(shù)脂表面，這個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂需要空心，應(yīng)變花需要粘貼到環(huán)氧樹(shù)脂的柱面。應(yīng)力計(jì)的工作原理為：在測(cè)量過(guò)程中，找到指定的安裝位置后，需要將已經(jīng)備好的應(yīng)力計(jì)放置于正確的位置，放好后需要擠出應(yīng)力計(jì)里面的環(huán)氧樹(shù)脂液，一直到孔壁與應(yīng)力計(jì)之間的空隙內(nèi)充滿環(huán)氧樹(shù)脂液為止，之后需要等待液體凝固，一直到煤礦巖體能夠與應(yīng)力計(jì)安全合為一體在對(duì)其進(jìn)行消除，而消除的過(guò)程就是應(yīng)力的實(shí)施。

1.2 測(cè)量井下地應(yīng)力的參數(shù)以及位置

大多數(shù)煤礦的范圍都比較廣，因此要想了解煤礦的地應(yīng)力分布情況非常復(fù)雜。為了能夠?qū)ζ浞植记闆r有一個(gè)更好的把控，我們可以根據(jù)煤礦井下的地質(zhì)情況，尋找不同的測(cè)試位置，如此一來(lái)，我們?cè)趯?duì)煤礦的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量時(shí)就可以嚴(yán)格按照將煤礦地應(yīng)力的真實(shí)情況盡可能反應(yīng)出來(lái)，以及使測(cè)試點(diǎn)盡最大可能覆蓋整個(gè)煤礦的原則來(lái)進(jìn)行測(cè)量，最終我們得到的測(cè)量結(jié)果才能夠更貼近事實(shí)。

在測(cè)量煤礦的地應(yīng)力過(guò)程中，我們可以根據(jù)所測(cè)量出來(lái)的巖性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，一般情況下，我們可以在巷道的頂板上找到泥巖、煤層以及粉砂巖，他們的分布情況為：頂板之上是煤層，厚度為3.2米，煤層上面存在泥巖，厚度為1.8米，而泥巖的上面還有粉砂巖存在，我們?cè)趯ふ覀鞲衅鞣胖梦恢脮r(shí)，大多數(shù)是在粉砂巖層進(jìn)行。找到傳感器放置位置后需要進(jìn)行導(dǎo)孔及安裝孔施工，而施工過(guò)程中我們需要對(duì)施工尺寸進(jìn)行規(guī)范，比如說(shuō)：我們?cè)趯?dǎo)孔時(shí)要保證孔的直徑為11厘米，而所鉆孔的深度需要達(dá)到13米。在安裝孔的過(guò)程中我們要保證安裝傳感器的孔直徑為4厘米，孔的長(zhǎng)度要達(dá)到47厘米，而應(yīng)力傳感器所放位置的深度應(yīng)該達(dá)到13.5米。

1.3 根據(jù)測(cè)量煤礦地應(yīng)力所得到的結(jié)論

在考慮到煤礦井下的地質(zhì)環(huán)境前提下，加上我們經(jīng)過(guò)對(duì)煤礦地應(yīng)力所測(cè)量出來(lái)的最真實(shí)的數(shù)據(jù)，就可以對(duì)煤礦地區(qū)地應(yīng)力的分布情況有一個(gè)基本的掌控，其具體特征如下：

第一，煤礦應(yīng)力方向的位置傾向于東南以及東西兩個(gè)方向，這是應(yīng)力場(chǎng)中最主要的應(yīng)力，而這兩個(gè)方向的傾角與水平方向非常接近，因此，傾向于水平方向的這兩個(gè)應(yīng)力，在整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)中占有最主要的位置。地應(yīng)力的應(yīng)力區(qū)可以分為高等應(yīng)力區(qū)以及中等應(yīng)力區(qū)，通過(guò)測(cè)量應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，煤礦的地應(yīng)力從東面到西面，應(yīng)力區(qū)劃分為從中等應(yīng)力區(qū)到高等應(yīng)力區(qū)。由測(cè)量可知沿此方面的應(yīng)力大小分布是從5MPa到33.5MPa。在整個(gè)礦區(qū)中，西部與東部在水平主應(yīng)力方向上還是存在很大的差異，這主要是由于煤礦的褶斷帶所造成的原因。對(duì)于各個(gè)盤區(qū)的水平主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水平主應(yīng)力最大的為四盤區(qū)，此盤區(qū)具有比較大的傾角，方向也比較偏向于東西方向，而水平主應(yīng)力最小的是一盤區(qū)，此盤區(qū)的方向也比較偏向于東西方向，與一、四盤區(qū)方向不同的是，二盤區(qū)的水平主應(yīng)力方向比較傾向于東南偏南方的位置。

第二，我們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，所測(cè)得的水平應(yīng)力是所有主應(yīng)力中最小的主應(yīng)力。最小水平主應(yīng)力最低的是二盤區(qū)，此盤區(qū)的方向主要是西南以及東北方向，最小水平主應(yīng)力最大的是四盤區(qū)，此盤區(qū)的方向是南北方向，一盤區(qū)的最小水平主應(yīng)力方向傾向于南北方向。

第三，在同一個(gè)位置所測(cè)量出來(lái)的水平主應(yīng)力，最大的主應(yīng)力可以達(dá)到最小主應(yīng)力的3倍到6倍不等。

第四，一般情況下，垂直的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上最大水平應(yīng)力，經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與垂直應(yīng)力相比，最大水平主應(yīng)力可以達(dá)到其2倍到3倍。

第五，我們?cè)陂_(kāi)采煤礦過(guò)程中，需要注意其開(kāi)采范圍，而在這個(gè)范圍里面煤層的傾斜方向，大多數(shù)時(shí)間與最大的主應(yīng)力方向平行，向斜和背斜對(duì)于地應(yīng)力所產(chǎn)生的方向，幾乎可以忽略不計(jì)，除了煤礦自身的軸部位置。最大主應(yīng)力的方向以及大小跟多種因素有關(guān)，其中不僅僅包括沒(méi)煤層的傾角問(wèn)題，煤層上面所覆蓋的巖層厚度，也能夠?qū)χ鲬?yīng)力產(chǎn)生較大的影響，其中，對(duì)于煤礦地應(yīng)力分布情況作用比較大的就是土地表面的地貌以及地理形狀。

2 地應(yīng)力分布與煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

我國(guó)擁有非常豐富的煤礦資源，而且所選擇的煤礦資源使用的區(qū)域也比較廣泛，再加上我國(guó)所具有的特定的地理環(huán)境，使得我們?cè)陂_(kāi)采煤礦資源時(shí)，大多數(shù)采取井下開(kāi)采方式。多年來(lái)我們一直研究我國(guó)的開(kāi)采煤礦位置的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的煤礦層大多都比較厚，而且傾斜的角度也比較大。我們?cè)诜治鲞@種煤層的地應(yīng)力分布情況時(shí)，可以根據(jù)褶曲以及斷層的大范圍走向來(lái)進(jìn)行，這種煤層最小的為34米，最大的為69米，平均的厚度可以達(dá)到52米。通過(guò)對(duì)煤層進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，煤層上面是泥巖和粉砂巖，這就導(dǎo)致了煤礦地質(zhì)的不穩(wěn)定性。

我國(guó)的煤層可以分為緩傾斜與急傾斜兩個(gè)方面，這兩個(gè)方面的劃分是根據(jù)煤層的傾角來(lái)進(jìn)行的。根據(jù)煤礦構(gòu)造可知，在礦區(qū)中一般都是從向斜的軸部以及翼部來(lái)獲取最大主應(yīng)力的方向。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，我們可以通過(guò)觀察井下地質(zhì)構(gòu)造變化所形成的規(guī)律以及其分布的特點(diǎn)，來(lái)測(cè)量井下地質(zhì)構(gòu)造的地應(yīng)力。在地應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中我們可以對(duì)典型的區(qū)域進(jìn)行地應(yīng)力變化分析，以我們所測(cè)量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，我們可以通過(guò)研究地應(yīng)力變化的方向來(lái)了解煤礦井下的地質(zhì)構(gòu)造，從而對(duì)地應(yīng)力的分布情況有一個(gè)比較明確的掌握。

3 結(jié)語(yǔ)

在煤礦資源如此豐富的國(guó)土進(jìn)行煤礦開(kāi)采是非常重要的事情，而在開(kāi)采的過(guò)程中，了解煤礦的井下地質(zhì)構(gòu)造以及地應(yīng)力的分布情況，尤為關(guān)鍵。因此，科研人員應(yīng)該將工作的重心放置于我國(guó)煤礦資源的研究中。而為了能夠更好地分析我國(guó)煤礦井下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，了解地應(yīng)力的分布情況，我們的科研人員需要繼續(xù)進(jìn)行研究，找到新的理論知識(shí)，對(duì)研究我國(guó)煤礦構(gòu)造有更新的研究成果。這樣我們才能夠加快對(duì)煤礦的開(kāi)采事業(yè)，保證我國(guó)的煤炭開(kāi)采過(guò)程具備足夠的安全性能，從而加快其開(kāi)采速度，以此來(lái)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

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