研究深矿井地应力分布规律:以临沂矿区为例

文摘

原位应力状态的变化是密切相关的各种因素。原位应力状态也是一个重要的指标来指导采矿生产。研究地应力测量及其分布特征一直是一个基本的和非常重要的矿山生产工作。在这项研究中,临沂的煤矿矿区作为研究对象。在这方面,每个矿山的应力分布规律进行了研究。我们发现主应力之间的关系σ_H>>σ_h,属于走滑应力政权。在这个压力政权,侧向土压力系数大于1,和三个主应力的大小显示随着深度的增加呈增长趋势。的最大水平应力方向固城煤矿Guotun煤矿和Pengzhuang煤矿-的影响下区域地质结构,而最大水平应力方向Wanglou煤矿NE-SW受到当地的地质构造的影响。此外,矿山地应力和矿井地质构造之间的关系,原岩应力对采场稳定性的影响,以及原岩应力的影响在地板上的水侵入也被调查。我们认为,研究结果有利于矿井灾害预防和安全生产。

1。介绍

变异的原位应力状态密切相关的工程地质灾害,滑不稳定的地壳断裂,地震的准备,等。地应力测量的研究及其分布特征一直是一个基本的和非常重要的任务在岩石力学和地球动力学。实测地应力数据不仅可以直接反映原位区域应力场的特点和地应力的分布特征在工程领域,还可以确定工程岩体的性质对围岩稳定性分析和结构设计提供支持。此外,原岩应力状态也滑不稳定性密切相关的断层结构和地震的准备。近几十年来,许多研究人员在中国和国外关于原位应力状态进行了深入研究在世界的不同地区,基于实测地应力数据,使得在原地应力场的特征在浅层地壳越来越清晰1]。

原位应力的概念第一次被提出的瑞士地质学家海姆,他相信垂直应力的大小与埋藏深度有关,和垂直应力等于水平应力(2]。在中国,地应力测量首次引入地质力学李四光教授和地应力测量研究进行了在随后的工程实践(3]。1991年,美丰进行了系统的研究在原位应力偏差引起的温度测量,提出一套新的方法解决这个问题(4]。从那时起,中国也取得了许多成就在地应力测量5]。经过多年的发展,有各种各样的地应力测量方法在现阶段。目前,地应力测量方法主要分为两类:直接法和间接法6]。直接测量方法主要包括扁千斤顶法、水力压裂方法,声发射方法,而间接测量方法主要包括应变复苏方法,井眼崩落法,袖孔减压方法(7- - - - - -11]。缓解压力的方法是一个成熟的地应力测量技术,近年来已广泛应用于(12]。

地应力不仅指导矿山生产,也扮演着重要的角色在预防一些灾害13]。Yu Weijian研究了现场调查、实验室试验、数值模拟和理论分析的深度,并提出一个全面的支持和维修计划的“螺栓、金属网、注入、灌浆、锚索和组合锚索”(14,15]。通过实测地应力数据和优化分析,李鹏等人的特点获得原位测量埋深范围内的应力场金属矿业在中国大陆地区,这对生产有很大的指导意义的金属矿区,为煤炭开采提供了一个参考16- - - - - -19]。根据现场测量的局部应力场,岩石力学测试中,三维有限元数值模拟和其他方法,蔡美丰,能量分布规律在围岩岩爆的可能性在玲珑金矿深部开采进行了分析,并建议措施提出了防治岩爆(20.- - - - - -23]。为了准确检测原位应力峰值的位置未开发地区采矿、徐江泰磷酸等人采取了矿山采矿表面在河南西部为背景,建立了一个通过ANSYS / LS-DYNA整体模型,它提供了一个基础的预防安全事故引起的动态灾害在采矿过程中(24,25]。李静等人研究了复杂的断层结构的应力分布规律准噶尔盆地区域通过神经网络数值模拟、分形维数分析,和其他方法来指导当地矿产资源的开发(26,27]。Zongyuan马深埋地下的条件下研究了高地应力和复杂应力强度条件下的中间主应力对完整岩石材料静态或动态力学行为和强度特性分析了深层岩石工程在高地应力和高速度影响额外影响压力的破坏机理和破坏大深岩石应力在开采的过程中提供理论支持(28- - - - - -30.]。李鹏等人分析了构造应力场的差异之间的浅和深工程领域通过研究浅和深地区的地应力测量数据优化处理后,为防灾减灾提供理论支持在深部开采31日- - - - - -34]。

煤炭资源的开发利用中发挥决定性的作用在促进山东省的经济快速发展。在挖掘的过程中,工程动态岩爆等灾害可能发生岩爆和突水,这是直接关系到他们的原位应力环境35- - - - - -39]。因此,它是非常重要的,加强区域应力水平和积累研究地壳稳定性。充分把握当前原地应力场的分布特征和压力积累水平在山东,本研究认为山东临沂的煤矿矿区为例,研究之间的关系深矿井的应力分布规律及其防灾。我们相信,这项研究的结果有很大实际意义矿产资源开发,地下工程施工,在这个地区防灾减灾。

2。测试原理和布置测点

2.1。测试原理

减压法地应力测量的是一个相对成熟的技术,也是唯一的方法,可以准确的测量地应力和定量。减压方法的基本原理是,当一块石头从岩体中移除在压力下,它将扩大,由于岩石的弹性变形40- - - - - -43]。三维膨胀变形岩石的块测量减压后,和它的弹性模量是由弹性模量率,压力的大小和方向可以计算岩体在应力消除线性胡克定律(图1)。

2.2。测点布置原则

(1)测量的点应该安排在安静的区域提出了矿区及其周边地区(2)巷道开挖的影响范围一般都是2 - 3次巷道的宽度,它应该安排在原岩应力区以外(3)原岩应力测量分应该尽可能避免从该地区地质构造复杂的结构,因为往往是原位应力集中的地方,尤其是区域复杂的结构(4)计量点的布局应考虑方便建设和人员的安全

2.3。测点布置

根据原岩应力测点布局的基本原则,我们选择再见我的,Guotun, Wanglou, Pengzhuang矿,属于临沂矿区,开展原位应力测试。结合地下选矿山的生产和建设,在每个测量的具体布局分我如下:

测量两点被安排在固城煤矿。GCMC-1(1号测点固城煤矿)是位于集中式跟踪车道(埋藏深度:1192)矿区31日和GCMC-2(2号测点固城煤矿)是位于跟踪联络巷3106(埋藏深度:1195米)。4分是选择Guotun煤矿原岩应力测量。GTMC-1(1号测点Guotun煤矿)位于轨道交通隧道外的1304 # 12遍历点40.0米(806.47米)埋深。GTMC-2(2号测点Guotun煤矿)是位于GS13轨道交通隧道在1301 - 2 #线(855.67米)埋深点。GTMC-3(3号测点Guotun煤矿)位于1301 # GS4导线点的轨道交通隧道在25.0米(832.77米)埋深,GTSC-4是位于轨道交通隧道前的1301 # 10遍历点50.0米(842.27米)埋深。Wanglou煤矿,原岩应力测量的躲避硐煤矸石本联络巷道的绝对深度933.7米(WLMC-1(1号测点Wanglou煤矿)),和原岩应力测量12301联系道路跟踪的绝对深度933.6米(WLMC-2(2号测点Wanglou煤矿))。被安排在Pengzhuang煤矿4分。PZMC-1(1号测点Pengzhuang煤矿),PZMC-2(2号测点Pengzhuang煤矿),和PZMC-3(3号测点Pengzhuang煤矿),和PZMC-4(4号测点Pengzhuang煤矿),分别安排在的绝对深度735.95米,773.7米,721.5米和537.0米。PZMC-1沿着沟位于1307 1500,和第二点(PZMC-2)选择Yu Dongyi 2追踪顶部的山,以避免平硐。 The third point (PZMC-3) was selected in 1309 under the transportation tunnel between the F16 and manhole. The fourth point (PZMC-4) was located at the bottom of the west wing tape descent.

特定的埋藏深度、岩性和相关的上述所有观测点的岩石性质如表所示1。

3所示。测试结果

3.1。类型的原地应力场

根据形成和调整因素应力场的根据地,在原地应力场可分为重力应力场主要由岩体的重力,构造应力场由构造运动,形成的局部应力场调整因素。其中,重力应力场和构造应力场的主要组件是当前在原地应力场。表2显示四个矿业领域的最大水平应力大于垂直应力。根据局部应力场的类型,四个矿区属于构造应力场。

基于三个主应力方向,原地应力场的应力状态可分为逆断层型应力状态和走滑型应力状态。当的大小σ_H(σ₁在上面的表中)>σ_h(σ₃在上面的表中)> ,应力状态属于逆断层政权,这有利于形成和逆断层的活动。当的大小σ_H>>σ_h、应力状态属于走滑断层政权,这有利于形成和走滑断层的活动。表2展品,三个应力的大小之间的关系在每一个我σ_H>>σ_h。因此,所有的四个煤矿属于走滑应力政权,这是有利于形成和逆断层的活动。

3.2。主应力随深度

我们测量的地应力条件四个在临沂矿区煤矿。从图可以得出结论2测量数据总结了基于法律不管地理位置,条件的岩石岩性、地质构造、大差异。考虑这一点,它仍然可以清晰地观察到,随着埋藏深度的加深,主应力呈逐渐上升的趋势。

深度的原位应力的影响在很大程度上是一样的静水压力的原因。上覆岩层的重量岩石对岩体压缩加载下,导致法律,垂直压力随埋深的增加。水平应力的产生也与上覆岩层的重力。因此,水平应力随深度的增加将会增加。然而,地质构造是最重要的因素决定的水平应力水平。一般来说,地质构造是表面越近,压力变化越大。因此,与深地层相比,浅层的水平应力大于垂直应力。然而,总体水平应力之间的关系和埋藏深度仍然呈现出正相关。虽然对应的主应力和埋藏深度之间的关系可能会有轻微的偏差等因素的影响下,总体规律仍然显示了主应力随埋深的增加。GTMC-3测量图2接近断层,影响周围的地应力测量。这导致地应力测量的测点要比在其他测量点类似的埋藏深度。

3.3。测量的压力系数与深度的变化规律

侧向土压力系数是一个物理量用于描述地应力状态。它指的比值最大有效应力水平垂直有效应力在某种程度上。图3表明这些测点的压力测量系数通常与埋深的增加增加。然而,有一定差异的比较每个测点。这些差异主要是由于上覆岩层岩性、附近的地质构造,人为因素和其他因素。目前,大多数的调查在侧向土压力系数往往相信侧向土压力系数趋向于一个稳定值随深度的增加。浅的一部分岩层的构造应力是主要的压力,随着深度的增加,原岩应力逐渐深静水压力的变化。四个矿山测量的深度在这项研究中还明显受地质构造的影响。因此,侧压力增加到一定程度上,这表明,其他因素(主要是地质构造因素)有一个很大的影响在原地应力场。

3.4。变化规律的相对水平差应力的大小与深度

水平差应力的比值之间的差异最大和最小水平应力和水平应力的最大值和最小值的总和。从图可以看出4水平应力差略有下降,埋藏深度的加深,通常保持稳定在0.32左右。水平差应力可以表示的相对幅度最大剪应力在水平面和可以反映地壳的失败状态在一定程度上表达了在该地区的地壳剪切应力状态。因此,这个参数也可以被利用作为机械基础评估活动骨折的不稳定滑动。因为这个参数提出了比例,因此,它在一定程度上增加了数据的离散性。然而,总体仍然呈现一定的规律,即水平差应力与深度的增加显示适度减少趋势,其灵敏度深变化是非常贫穷。因此,可以认为水平差应力的相对大小几乎是0.32,它与深度。

根据现有的研究,如果水平差异的相对大小地壳中压力超过0.5 - -0.7,很可能在地壳产生剪切滑移破坏。图4显示器的相对大小每个测点的水平差应力Guotun煤矿和Wanglou煤矿是0.5 - -0.7的范围内。从这个角度来看,可能发生剪切滑移破坏。然而,是否会发生剪切滑移破坏这些矿山仍取决于我本身的自然条件。

3.5。最大水平主应力的分布特征

最大水平应力如图5。

图5显示的最大水平应力Wanglou煤矿分布在80°W,和测量的方向点安排在其他三个煤矿主要是在30°s - 75°E,这是我的地理位置有关。其中,四个测量分Pengzhuang煤矿普遍较小的最大水平应力。这些点是位于40°-75°范围内的南偏东方向。这是由于埋藏深度浅于其他测量分。的方位角测量三点Guotun煤矿是大约60°南偏东方向,和方位的差异非常小。然而,这些测量的最大水平应力之间存在着显著的差异,这是更多的岩性和地质构造有关计量点。的两个计量点固城煤矿和Pengzhuang煤矿相似。最大水平应力的大小差异很小,和方位差异大约10°。

图5表明主要分布的最大水平应力方向四个矿NW-SEE。最大水平应力方向的主要影响因素是地震活动带和有经验的在这个地区的地质构造运动,和最大水平应力通常是垂直于断层带。围岩的性质、地质构造及采矿扰动测点会导致当地发展的缺点,然后最大水平应力方向的变化,导致大约10°差异不同测量之间的最大水平应力方向的点在同一矿(图5)。在不同地区或同一地区在不同的位置,最大水平应力的方向并不完全一致。这种差异也表明区域断层性质的复杂性和运动模式。

4所示。讨论

4.1。原岩应力分析的关系和我的地质结构

主应力方向不仅影响区域主应力方向也由当地的地质结构。从原岩应力的角度方向,四个矿区可分为两种类型进行分析,其中的最大主应力方向Guotun,再见,Pengzhuang煤矿-。Wanglou煤矿的最大主应力方向是NE-SW方向,由区域结构等主要控制在济宁煤田确定断层附近。

Guotun矿山领域在很大程度上是由区域控制的结构,如南北错在巨野煤田。区域结构的影响下,宽,缓慢的折了,伴随着一定数量的错误。整个地区的地层是温柔的在西部和南部和北部和东部的陡峭。矿区的主要应力方向应该-南-南方向的压缩。矿山主应力的方向也影响矿区的局部结构,这是一个次要的因素影响我的主要压力。

Wanglou煤田主要是由济宁煤炭在区域构造控制,如近NS-trending断层褶皱结构发展。在南部和北部的发展,也有近东西向断层存在,欧元区与断裂结构给出了一个优先级,是伴随着增长近NS-trending断层的断层的字段由挤压north-southwest向东。因此,主应力方向的面积的字段必须north-southwest东。实测点的主应力方向的一样我受到区域挤压。因此,局部结构的主要因素是影响矿井的主应力方向,和矿区的区域结构是一个二级因素影响我的主应力方向。

4.2。原岩应力分析影响采场的稳定性

条件下最大水平应力足以摧毁周围的岩石,标题的方向道路具有十分重要的意义对于维护巷道的稳定(44- - - - - -48]。如果最大水平应力在不同角度相对于巷道,巷道的失败是如图6和7。

从数据可以观察到6和7,当巷道的运动方向平行于最大水平主应力、最小水平应力的影响,这是最有利于稳定的屋顶和地板上。垂直于运动方向时的最大水平主应力、水平应力的影响是最大的,和屋顶和地板的稳定性是最不利的。巷道钝角时相对于最大水平主应力的方向,应力集中出现在道路的一侧和压力释放在另一边。因此,屋顶和地板的变形和破坏将偏向一侧的道路。部分屋顶条件较差,水平应力的影响巷道和采场更明显,屋顶的范围和水平应力造成的损害是深化。煤矿矿区的不断扩大和埋藏深度的增加,水平应力的影响巷道和采场将完全明显。最大水平应力的作用下,巷道的屋顶和地板会发生剪切破坏,导致围岩的变形。因此,巷道的锚杆支护设计应注重提高围岩的稳定性在屋顶的早期阶段变形控制围岩的变形在稍后阶段。

条件下,矿区设计已经完成,道路的方向不能改变如果现有的计量点的测量结果表明,最大水平应力方向之间的角度和方向是大。为了确保安全生产,巷道的变形观测在隧道的过程中,应加强和支持力量的道路应加强围岩大变形的面积。在未开发地区,主要道路的方向应该一致的方向最大水平应力尽可能减少水平应力对巷道的影响,避免道路条件的恶化造成的盲目巷道布局在未来。

4.3。原岩应力分析和底板突水

矿业的联合行动下压力和含水层水压,在地板上失败深度延伸到更低的含水层和承压水压力大于或等于最小水平应力,地板岩体渗透率的增加,渗透渗透率增加到一定程度时发生。与渗流量的增加,突水发生的地板上。在中国和国外许多学者和工程师花时间调查岩体应力与渗透率之间的关系(49- - - - - -53),它只局限于室内研究。没有进展在这个领域研究岩体的压力和渗透率的法律,和缺乏研究原岩应力和地板上失败的深度。开挖后,压力是重新分配,水平应力转移到屋顶,地板,因此,水平应力集中在屋顶和地板上。因此,深位移计可以安装在地板上测量地面岩石破裂的范围,提供了一个研究方向为地板失败的直接测量深度和研究奠定了基础压力和渗透率之间的关系。

根据最大水平应力的理论应用于屋顶,地板,地板也是水平应力造成的失败,这是关键因素,以确定地板的深度失败。如果工作面沿槽的布局方向几乎是垂直于最大水平应力的方向,最大水平应力的损伤程度最严重影响巷道的屋顶和地板。这将导致显著减少有效的防水层的厚度和水突入的可能性相当大的增加。因此,当工作面沿槽的方向接近垂直于最大水平应力,地板损伤程度的观察和监测应加强防止底板突水事故的发生。

5。结论

研究深矿井地应力的分布规律及其与矿井灾害,我们选择了临沂矿区,包括固城、Guotun, Wanglou, Pengzhuang煤矿为研究对象。我们采用了原岩应力测量和原位综合实验研究方法,获得了地区深部巷道围岩的应力分布。本研究的主要结论如下:(1)在原地应力场最大主应力的四个矿都大于垂直应力。因此,四个煤矿属于构造应力场的原位应力分类。在所有四个矿,我们有如下关系:σ_H>>σ_h属于走滑应力政权在应力状态的分类,这有利于形成和走滑断层的活动。(2)矿山的侧向土压力系数都大于1,和三个主应力的大小增加随着深度的增加。然而,水平差异的相对大小压力随着深度的增加减少,但减少范围非常小,通常保持稳定在0.3左右。(3)固城煤矿的最大水平应力方向,Guotun煤矿和Pengzhuang煤矿是-,而最大水平应力方向Wanglou NE-SW煤矿。再见的原位应力、Guotun Pengzhuang矿区主要是受区域地质构造的影响,虽然这Wanglou煤矿的主要受局部结构的影响。因此,最大水平应力的方向是在这四个不同的煤矿。(4)原岩应力受地质构造影响,局部结构。因此,最好是安排巷道沿最大水平应力方向。水平应力是关键因素来确定地板的失败深度。当工作面沿槽的方向几乎是垂直于最大水平应力,监测故障程度的屋顶和地板应加强,应该安装和适当的支持。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51904167、51474134、51474134),泰山学者项目,泰山学者得天独厚的人才团队支持计划和独特的学科领域,国家重点实验室中国煤炭资源和矿山安全(SKLCRSM19KF008),自然科学基金的重庆,中国(cstc2019jcyj-bsh0041)、博士后科学基金项目资助的煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室(2011 da105287-bh201903),山东省和关键研发计划(2019 sdzy034-2)。

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