煤系巖石中沉積巖中的節(jié)理與斷層控制

1、煤系巖石中沉積巖中的節(jié)理與斷層控制論文摘要： 由于各種巖石的破壞特性不同， 因此沉積巖層中的工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)是很復(fù)雜 的。巖石的破壞不只是和原巖的變形有關(guān)。 沉積巖中含有層理面 (通常本身含有接觸面或其 他剪切帶)、斷層、節(jié)理和其他不連續(xù)面。這些都影響巖石，特別是較堅(jiān)硬巖石的性質(zhì)。本 文就這幾點(diǎn)進(jìn)行如下論述。雖然在煤系巖石中， 剪切帶是最重要的地質(zhì)構(gòu)造， 但巖石還包含其他的構(gòu)造。 這些構(gòu)造 會(huì)在很大程度上與煤礦地下結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生相互影響。 這些問(wèn)題很難用一般的方法進(jìn)行討論。 但 考慮它們之間的一些關(guān)系還是十分有用的。在相對(duì)地未受干擾的煤系地層中，大多數(shù)斷層是與垂直方向呈傾斜600600700700

2、的正斷層。這一部分是由于與煤系形成的沉積旋回有關(guān)的上翹曲和下翹曲造成的。在發(fā)生侵蝕的地方，也可能出現(xiàn)與垂直方向成 200200300300 的逆斷層。這兩種類型的運(yùn)動(dòng)被地質(zhì)學(xué)家分別命名為造 陸運(yùn)動(dòng)和造山運(yùn)動(dòng)。在英國(guó)煤系地層中， 東部煤田一般未受擾動(dòng)， 而西部煤田特別是南威爾斯正處于海西尼 (Hercynian)Hercynian) 造山運(yùn)動(dòng)階段。在這兩種情況下，斷層和所有其他構(gòu)造一般都遵循這一主要運(yùn) 動(dòng)形式。因此， 在英國(guó)東部主要煤田中， 構(gòu)造是由后石炭二疊紀(jì)運(yùn)動(dòng)決定的。該運(yùn)動(dòng)造成了 由走向北東、北西向狹窄的斷裂背斜所切割的大面積淺盆地。斷層的工程意義是變化的， 在正斷層情況下， 存在水沿?cái)鄬?/p>

3、面流動(dòng)的可能性。根據(jù)沿?cái)鄬舆\(yùn)動(dòng)的程度， 被剪切的地層可從簡(jiǎn)單的分離變化到主要斷層剪切帶并生層內(nèi)剪切帶。因?yàn)樵斐杉羟械淖畲笾鲬?yīng)力方向是垂直的，所以也可能在一些正斷層附近存在有高的垂直應(yīng)力和 低的水平應(yīng)力，它將導(dǎo)致巷道的破壞。在長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采時(shí)， 因?yàn)閺淖罱?jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，工 作面總是布置成平行于斷層方向，而回采巷道總是緊靠斷層帶，所以巷道的破壞將會(huì)加劇。然而正斷層最主要的在于它的存在和它對(duì)礦井系統(tǒng)的影響。在采礦工程中逆斷層具有更重要的影響，因?yàn)樗鼈冎饕怯伤椒较蜃畲髴?yīng)力造成的。 按其性質(zhì)和必須克服高的被動(dòng)垂直應(yīng)力，這一水平應(yīng)力必須很大，其比值可以通過(guò)考慮在蘭 金被動(dòng)條件下，當(dāng)6h/h/6v=v=

4、而, ,？=300=300 時(shí)的破壞來(lái)說(shuō)明， 此時(shí)的巖石強(qiáng)度最低。 值得注意的是 實(shí)際中許多高的水平 - -垂直應(yīng)力比是和逆斷層相聯(lián)系的，如果這樣高的應(yīng)力比存在于一定深 度條件下， 那么它們可能造成嚴(yán)重的工程問(wèn)題。 在南威爾斯的阿貝納特煤礦， 立井礦柱中的 逆斷層附近，可能有相當(dāng)大的應(yīng)力在井底車場(chǎng)巷道施工中，在該處遇到很大的困難。大多數(shù)沉積巖中的節(jié)理與斷層方向大致平行， 這是英國(guó)煤系地層中的情況。 節(jié)理是裂隙 或者裂縫， 它們和斷層不同，沿節(jié)理沒(méi)有可見(jiàn)運(yùn)動(dòng)，它們的頻率比斷層要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。普 賴斯指出，這一頻率與巖石的巖性、層厚和構(gòu)造變形的程度有關(guān)。普賴斯證明前面提出的巖石中的節(jié)理數(shù)與巖石所能

5、貯存的應(yīng)變能力與強(qiáng)度/ /模量比，或者與其倒數(shù)常用的模量/ /強(qiáng)度比有關(guān)。后者對(duì)煤來(lái)說(shuō)特別低 （5050）,對(duì)于頁(yè)巖和泥巖在 5050 - 150150 之間，對(duì)于砂巖在 200200 以上，因?yàn)樯皫r層一般比頁(yè)巖和煤層厚。普賴斯提出了巖層厚度 和節(jié)理間距之間的一個(gè)近似的線性關(guān)系， 這在某種程度上解釋了煤中的節(jié)理間距要比砂巖中 的小得多。由于煤系沉積旋回層是由厚度和巖性廣泛變化的巖層的各沉積循環(huán)所組成，所以預(yù)期的節(jié)理頻度也將是廣泛變化的。從工程角度來(lái)看，節(jié)理是很重要的。特別是在受拉的頂板內(nèi)，它們將形成潛在的弱面， 該處的巖石將會(huì)在重力作用下松脫。 由于水的流動(dòng)和表面氧化降低了穩(wěn)定性， 這些弱面將

6、隨 著時(shí)間推移而惡化。 在通常不足以造成整體巖石破壞的一般開(kāi)采應(yīng)力下， 頂板穩(wěn)定性和自穩(wěn) 時(shí)間愈來(lái)愈取決于頂板巖塊的松脫。 這種趨向一部分可以通過(guò)科學(xué)方法來(lái)研究， 而另一部分 可以使用經(jīng)驗(yàn)方法煤中的節(jié)理稱為解理面。 解理面一般平行于局部節(jié)理形式呈現(xiàn)出垂直于層理面的兩組解 理面， 這兩組解理之間基本上互成直角。 主要的解理稱為主解理， 它的貫通程度很高。 在英 國(guó)，主解理具有 “西北 ”這樣一個(gè)非常固定的方向。 較小的解理也稱為短而不清楚的解理或叉 解理，它們的貫通程度很差， 和主解理相比它們的方向往往是不變的。 兩種解理面一般充填有次生 沉積物，通常是方解石或鐵質(zhì)白云石。解理的頻度依煤的品位、

7、煤的地質(zhì)年代和煤的類型而變化。例如，在干凈、明亮、低揮 發(fā)分的高品位煤中，解理的頻度可達(dá)每米 210210 面。在暗的，高有機(jī)物、低品位煤中，特別是 含有暗煤硬質(zhì)粘土?xí)r，它的頻度低到每米只有 1515 面。關(guān)于解理的成因，從成巖的壓實(shí)、煤化過(guò)程到構(gòu)造力作用，存在各種不同的理論。 解理 方向和其他構(gòu)造之間存在密切的相互關(guān)系， 在此就不作詳談。 就是因?yàn)檫@種密切的相互關(guān)系 使得解理在采礦作業(yè)中顯得非常重要， 特別是現(xiàn)代采礦作業(yè)。 從最經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)， 長(zhǎng)壁工 作面趨向于和最大或最小斷層方向平行布置，這就意味著工作面將趨向于與解理方向平行。 長(zhǎng)壁工作面前方的支承壓力往往足以引起剪切和拉伸而造成頂板、 煤層和底板的破壞。 當(dāng)它 與長(zhǎng)壁工作面相交的角度很小時(shí)將造成附加解理， 由此而造成的工作面和頂板的片幫冒落是 確定工作面穩(wěn)定的一個(gè)主要因素。結(jié)語(yǔ)： 就上述所言， 我們不難而知控制煤系巖石變形和破環(huán)因素是十分重要的， 我們不