地质构造勘探的岩溶陷落柱和评价水泥浆部分的绝缘性能

文摘

在这项研究中,Shiquan煤矿的X5 KCC调查通过可控源音频大地电磁勘探钻孔电视。这样,分段地质结构的关注。接下来,每个部分的地质和电气特性进行了分析,并得出结论:泥部分的发展现状下煤层地板的关键部分是判断突水是否会发生在工作面在含水层压力下复苏。此外,枣红色泥岩的矿物成分和石灰泥岩KCC上执行一个x射线衍射实验获得的间质材料。在此基础上,水泥浆的绝缘属性部分定性评估。最后,泥浆的抗拉强度是巴西获得的分割方法,和水泥浆的绝缘能力部分在时间隧道巷道和工作面通过了金刚化工计算,分别。研究结果有指导意义的安全复苏的工作面通过关注下含水层压力。

1。介绍

岩溶陷落柱(kcc)是一种特殊的抑郁症断层逐渐在漫长的地质时期形成的条件下可溶性岩层和良好的地下水动力学(1]。解释其原因包括石膏溶解崩溃理论(2],引力坍塌理论[3- - - - - -5),热液成因理论(6),和真空侵蚀崩溃理论(7]。一般来说,关注的形成经历四个阶段,即早期发展阶段,强烈的发展阶段、衰退阶段,和死亡阶段8]。形成过程是由地质环境等因素控制,地下水活动、地质构造、地层岩性组合。关注内部的物质结构是复杂和多样化,和不同部位的结构特征明显不同9- - - - - -11]。从突水机理的角度,关注可分为四个部分,即低填石部分,泥中间部分,上部分碎屑,和围岩断裂部分(12,对应于不同部位不同织物特点,含水量和水传导(绝缘)的属性。水传导的关注相关地区沉积环境、构造演化、岩溶水径流条件在地下室。形成后,recompaction、胶结、风化和激活的关键因素(13- - - - - -20.]。宏观分段结构和水传导(绝缘)属性的关注是确定的地质基础时,将发生突水KCC暴露在采矿的过程。

地震勘探的主要方法探索KCC从地质构造的角度,主要解决的问题关注识别(21- - - - - -25]。电勘探,包括直流电法、瞬变电磁法、大地电磁测深方法,从水文地质的角度探讨了关注,主要解决的问题关注水含量(26- - - - - -28]。这些地球物理勘查方法解释关注作为一个整体,没有充分考虑他们的部分地质结构的特点。

本文挖掘隧道时含水层压力巷道和工作面通过了X5 KCC Shiquan煤矿30107综采工作面为研究背景。首先,X5的地质构造分段部分关注研究通过可控源音频大地电磁勘探钻孔电视(CSAMT方法)。接下来,岩石的抗拉强度在泥里的部分是通过巴西分割方法。此外,水泥浆部分的绝缘能力,当隧道工作面巷道和通过了金刚化工计算,分别。研究结果为安全开采提供地质依据含水层压力在30107工作面。

2。在Shiquan煤矿发展关注的特点

2.1。分布规律的关注

Shiquan煤矿位于Shiquan村,Xiadian镇以西20.00公里Xiangyuan县,长治市,山西省,中国。其最大南北长度、最大东西宽度和面积是6.00公里,2.40公里和12.2195公里²,分别。开采煤层是3号煤层的平均厚度、矿业高程和生产规模是6.0,+ 540 ~ + 70 m,分别和1200 kt / a。

Shiquan矿区位于沁水复式向斜东翼和Jinhuo褶皱断裂带西侧。在这样的影响下,地层属于单斜结构(罢工近南北方向,倾斜方向向西西北)与2°~ 25°的倾角。有48个缺点和23 kcc雷区。北部的矿区,有7次折叠,地层起伏。kcc通常密集分布在骨折位置,地下岩溶洞穴,和不同的构造系统都是高度发达。在Shiquan煤矿,kcc大多分布在褶皱轴的转折点,在断层附近,虽然他们很少分布式远离褶皱轴或在职位骨折是不发达。23日发现的关注集中在或接近背斜轴的转折点。

2.2。接触X5关注的特性

X5 KCC暴露在30107年面临的罢工的headgate长度和倾斜长度是1530米和170米,分别。开采煤层是3号煤层的平均厚度为6.0米。煤层地板的高度是+ 425 ~ + 530,和奥陶系灰岩水水平+ 636.87 ~ + 644.05米。30107工作面下含水层压力。根据地震勘探结果,计划X5 KCC的形状就像一个哑铃,长在双方和短在中间,烈度衰减长度约306米,极震区长度约75 ~ 100米。X5 KCC暴露在30107工作面headgate open-off削减为530米。曝光长度是98米,包括整个岩石的78米。它延伸到30107工作面最大距离30米。如图的位置关系1。X5关注的具体情况如下。

相关性较高的设计长度30107 headgate是2257米。在1699年30107年headgate,接触区改变煤层的关注。具体来说,较低的一侧的边界出现第一,和上面滞后4 m。在破碎区,有细砂岩块大小超过1米,小块粉砂岩和泥岩块和和它们之间的间隙充满了泥质材料;积累的身体密度高,有点湿。在1775年30107年headgate,接触区从关注到煤层变化。具体来说,首先改变发生在上面,和较低的落后2 m。图2显示一个纵向剖面的X5关注。图3显示了30107年的素描headgate经过X5 KCC和岩性KCC暴露在巷道的不同位置的照片。

根据关注的分类结构,参照文献[12)和分析实际披露情况,关注暴露在30107 headgate位于泥岩泥浆水绝缘部分。30107工作面是否可以安全地开采含水层压力取决于厚度和水泥浆的绝缘能力部分低于30107年的地面高程的脸。

3所示。分析地质构造勘探X5的结果

3.1。钻孔电视成像调查的结果

希望定量确定的裂缝发育特征X5 KCC墙裂缝和泥,钻孔电视成像调查。设计井眼围岩通过关注和关注。电视图像之间的接口KCC围岩和关注身体呈现在图4。围岩(粉砂岩)是一个完整的深灰色岩体没有发达的骨折,表明KCC墙的骨折在这部分欠发达。电视图像关注身体如图5。KCC身体结构铺,砾石是深灰色,浅灰色的白色,和棕红色;砾石直径范围从5毫米到150毫米;主要岩性是细砂岩,胶结材料主要是深灰色泥岩,与当地棕红色泥岩;砾石含量约为50%,没有明显的骨折。的图像表明,框架KCC断裂带在这部分是由不同大小的细砂岩的胶结块,块粉砂岩,泥岩块。积累的块密集,导致欠发达骨折和低渗透。因此,推断,关注身体可以使水。

3.2。CSAMT方法探索的结果

掌握的地质结构X5关注CSAMT方法地球物理勘查方法被采用。X5 KCC为中心,11个300米长的调查线路铺设沿长轴垂直,与网度 m。调查的布局如图6。

V8系统2000.净,第八代凤凰地球物理地球物理数据采集系统有限公司,有限公司,采用勘探设备。在实地观察,双极源( )和方 设备采用;测量模式是TM规模;Mn电极测量的距离是20米;工作频率范围是0.52 ~ 5120赫兹。总共有38个频率点均匀分布,避免50 Hz, 60赫兹,和多个频率点。收购时间为每个频率超过40年代,和单频数据叠加的数量不小于40倍。

3.2.1之上。结构特点和关注的不同部分的电特性

之外的宏观结构,我们可以从下到上分为三个部分,即填石,泥,和碎屑的部分。三个部分的电特性显著不同,因为他们的不同组件的填充材料在不同高度,含水量,风化度,胶结度。

抛石部分:位于下部的关注抛石部分成立于KCC形成的早期阶段。岩石体积块大崩溃。同时,强烈的流体压力的作用下,细岩屑和泥质材料被当前带走,和存款离开大多是大型和中型岩石块。这部分通常包含一些水,其水含量决定了其电特性。当这部分是大孔隙度和充满了水,它显示了一个降低电阻率在横向方向上与KCC围岩地层;否则,它显示了一个电阻率增加。

泥部分:位于中间的关注,泥部分形成在中间和关注发展的后期阶段。固体材料在这部分是泥浆和崩溃的混合物从围岩地层岩石块。在原位应力的长期作用下,混合物逐渐形成泥质胶结集团。一般来说,这部分的岩石和土壤质量是人口巩固了粘土颗粒含量高和低渗透。它既不包含水也不进行水,属于水绝缘关注的一部分。由于泥岩水泥的存在,它显示了一个电阻率下降,而关注周围的岩层。衰减率取决于泥岩水泥的内容。泥岩水泥含量越高,电阻率降低越明显。

碎屑部分:位于上部的关注形成的碎屑是关注后期的发展。在本部分中,在同一块岩石地层连续排列,和岩层基本上保持连续性。由于石炭系二叠纪上部地层电阻率差异不大,这部分的电阻率基本上是接近完整的围岩地层的关注,和电性异常特征不明显。在本部分中,该地区受砂岩裂隙含水层和错误包含更多的水和特点是电阻率降低。

3.2.2。勘探结果

CSAMT方法测深反演电阻率的部分调查线路L3, 16种,并显示在图187清楚地反映了宏观地质构造X5的关注特别是水泥绝缘部分。分析显示的三个关注部分的电特性,泥部分位于海拔范围+ 200 ~ + 600测线L3, + 380 ~ + 500 16种测线,并在18 + 300 ~ + 440测线。碎屑岩体的部分的电阻率略低于围岩,及其发展深度以上的海拔3号煤层屋顶,但是开发厚度会增加从西南到东北。因为它的含量高(约50%)的泥质水泥,岩体在泥地上部分的电阻率远低于围岩。泥部分低于海拔3号煤层地板中间厚两边和薄。具体而言,西南地区最大厚度(测线L3),在中间(哈佛测线),并在东北(测线经历了18个,对应30107 headgate)超过200,只有60 m,分别和超过100。岩体在抛石的电阻率与围岩不同无关紧要的一部分。推断,抛石部分有一个相对贫穷的孔隙度和含水量低,和地下水有变成细裂缝或孔隙渗流流动。

基于钻孔电视调查的结果和CSAMT方法探索,对3号煤层,X5 KCC属于一个泥泞的关注与欠发达骨折在墙上。这种类型的关注里面满是泥浆。在采矿过程中,工作面可以促进安全,只要保持足够的距离从含有抛石的部分。

4所示。评价水泥浆部分的绝缘性能

4.1。x射线衍射(XRD)实验间质材料在X5的关注

以下4.4.1。实验样品的制备

在实验中,石灰的紫红色泥岩和泥岩孔隙材料的X5 KCC作为研究对象,和组成进行了测试和定量分析x射线衍射分析仪的援助。首先,间质泥岩样品收集现场被分解成小颗粒,然后,颗粒状泥岩样品磨成细粉(一般200 ~ 300目)通过使用一个玛瑙研钵。地面测试样本被密封在一个密封袋,避免与空气接触。在实验过程中,扫描范围设置为10°~ 90°,扫描速度为4°/分钟,扫描模式,固定耦合。

4.1.2。分析实验结果

XRD实验都使用了Rigaku D / Max 2500 pc XRD乐器。获得.raw文件被玉分析软件。干扰消除和平滑的XRD谱后,峰值拟合条件设置按照光谱的实际情况。在拟合峰之后,获得峰值参数进行了定性分析。分析结果可以反映样品(图中包含的组件8)。

根据x射线衍射结果,枣红色泥岩的主要成分是石英、蒙脱石、钠长石、绿泥石、方解石、高岭石,和石灰泥岩赤铁矿和石英,蒙脱石、高岭石、钠长石、绿泥石。

表1显示了x射线衍射光谱的定量分析结果。枣红色泥岩主要包含石英、蒙脱石、钠长石、绿泥石、方解石、高岭石和赤铁矿。石英在石灰泥岩的比例最高,达到46.41%,而蒙脱石的比例,钠长石、绿泥石和高岭石相似。两种石头的主要成分是相似的,但在石灰高岭石含量相对较高的泥岩和相对较低的紫红色泥岩。

高岭石、蒙脱石和绿泥石的间质矿物样本属于粘土矿物,具有可塑性,粘性,体积膨胀,当越来越湿。下列现象中发现现场曝光:枣红色泥岩的混合物,石灰泥岩,medium-fine粒度砂岩占比例相对较高。没有水渗流发生在整个信息披露过程。KCC和煤层之间的接口是人口满是泥质间质材料,和没有水侵蚀发生,这表明有很强的水泥浆部分绝缘能力。

4.2。单轴拉伸试验对水泥浆的绝缘层X5关注的一部分

Shimazu AG-X250电子万能试验机用于单轴加载。为了保护巴西分割测试装置,采用的加载位移模式和0.01 mm / s的速度进行。表2显示了X5标本的单轴拉伸试验结果。

的平均抗拉强度测试标本 国会议员,标准方差 ,和弥散系数的测试结果 ,这表明测试结果的平均值是可靠的和有效的。

4.3。水泥浆的绝缘能力评价部分

根据规则煤矿防治水地板,隧道路面的水绝缘能力计算方程(1)[29日]: 在哪里是安全的水压力,地上水保温层能承受,MPa;是水绝缘层的厚度,m;巷道的宽度,其值是5米;地板的平均体重水隔热层,和它的值是0.022 MN / m³;地板的平均抗拉强度水隔热层,MPa。

矿业面临的水绝缘能力计算方程(2)[29日]: 在哪里地上水绝缘层的厚度,M;安全的水压力,MPa;是关键的突水系数,MPa / m,其值为0.06 MPa / m构造变形的部分。

根据CSAMT方法勘探结果,水绝缘泥30107 headgate楼以下的部分为100米厚。可以通过方程计算(1),下面的水绝缘层的X5 KCC 30107面对隧道道路建筑能承受最大含水层压力为626.2 MPa。此外,根据海拔(460米)的3号煤层地板在暴露的X5 KCC headgate和当前奥陶系石灰岩水位(636.87 m) Shiquan雷区,泥部分的底部的水压力计算是2.71 MPa,和水绝缘层的厚度计算由方程(45.1米2)。考虑上述数据,判断,30107脸可以安全地通过X5 KCC没有遇到侵入的奥陶系灰岩承压水。

5。讨论

5.1。KCC赋存状态

由于不同的区域地质和水文地质条件、沉积环境、地层岩性组合、地质结构的关注表现出显著的地区和个体差异。泥的存在是一个必要条件,以确保没有当工作面突水含水层压力下通过关注,但它不是一个充分条件,因为工作面能否推进安全还取决于厚度和水泥浆的绝缘能力工作面楼以下的一部分。X5 KCC的勘探结果表明,泥浆的部分是中间厚两边和薄。根据暴露条件下,关注通过在3号煤层的开采躺在泥里的部分,为安全提供必要的地质条件的复苏在含水层压力下工作面通过关注。

5.2。地质条件和关注的《创世纪》

的kcc Shiquan矿区的地质条件形成的水泥绝缘部分。泥的物质基础部分是可溶解的和可分解的阶层的形成,如泥岩、页岩、泥质灰岩。这些地层坍塌之后,他们可以迅速分解的动态作用下solid-liquid-gas三个阶段,与水结合,形成泥。形成泥浆,围岩地层坍塌,泥固体材料的组成部分。二叠纪地层在Shiquan矿区(山西形成和低石河子下部,形成上石河子的形成,和研究华北形成上部)是三角洲陆相沉积厚度(266 ~ 422)组成的集团,砂岩,粉砂岩,泥岩和煤层。具体地说,山西的形成主要由黑色泥岩、深灰色砂质泥岩、粉砂岩,灰色、灰白色砂岩。低石河子的形成是由灰色砂岩点缀着灰色和gray-black泥岩、砂质泥岩、粉砂岩;顶部是一个稳定的层灰色绿色,黄色绿色和紫色的杂色泥岩,含铁锰结核,俗称桃花泥岩;胶结材料观察到在30107年曝光的X5 KCC headgate只是桃花泥岩。上石河子形成,属于大陆河流和湖泊沉积物,杂色砂泥岩组成。 Sedimentary characteristics of the Permian strata determine that there is sufficient mudstone slurry to fill the gaps between sandstone blocks and limestone blocks during the formation of KCCs. Under the long-term action of gravity, mudstone slurry material begins to consolidate, solidify, and rheology, gradually forming conglomerate similar to mudstone cement. This is the geological reason why the mud part of the X5 KCC below the elevation of No. 3 coal seam floor is 60~100 m thick. The fabric characteristics (about 50% of argillaceous cement and about 50% of breccia) and the electrical characteristics of the mud part of the KCC developed in Shiquan mine field provide the physical conditions for the accurate classification of the mud part by the electrical exploration method.

6。结论

(1)Shiquan矿山领域的关注在地质构造清晰的部分,和厚度和水泥浆的绝缘能力的3号煤层地板的地质基础是决定时,将发生突水KCC暴露在采矿的过程(2)CSAMT方法勘探钻孔电视是有效的技术手段把地质团体的关注(3)间质矿物泥部分富含高岭石等粘土矿物蒙脱石,和绿泥石具有可塑性,粘性,体积膨胀,当越来越湿。他们是强大的物质基础水泥浆的绝缘能力的部分(4)大陆河流和湖泊沉积环境下的,可溶解的和可分解的地层,如泥岩、页岩、泥质灰岩,Shiquan矿山领域的形成,这是水的地质原因形成绝缘泥部分。大约50%的织物特点泥质水泥和角砾岩约50%保证泥浆的水绝缘能力强的部分

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持的中国(51904167)、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,和SDUST研究基金(2018 tdjh102)。

引用

1. 美国x阴、h .问:丽安和d·m·刘”70年的调查在华北煤田岩溶陷落柱:起源的原因,机制和预防,”煤炭科学技术卷,47号11、1至29,2019页。视图:谷歌学术搜索
2. x p .钱”,石膏岩溶陷落柱的形成及其水力——地质意义,”Carsologica中央研究院,7卷,不。4、70 - 74年,1988页。视图:谷歌学术搜索
3. r·王”,讨论原因和预防岩溶矿区地面塌陷的“水文地质与工程地质,26卷,不。1,37-41,1982页。视图:谷歌学术搜索
4. w·m·杨和z . a .周”,分析岩溶陷落柱的岩体结构,”淮南矿业学院杂志》上,17卷,不。2、1 - 7,1997页。视图:谷歌学术搜索
5. b . l .胡锦涛和x m .歌曲,“深岩溶洞穴和淮北煤田陷落柱形成机制,“中国煤炭地质,9卷,不。2,47-49,1997页。视图:谷歌学术搜索
6. 陈平,“讨论岩溶陷落柱的成因峰峰面积河北,“Carsologica中央研究院,12卷,不。3,52 - 63年,1993页。视图:谷歌学术搜索
7. w·g·徐和g·r·赵”的含义吸入行动在岩溶矿区地面沉降,”地质审查,27卷,不。2、86 - 95年,1981页。视图:谷歌学术搜索
8. y j·李和s . p .彭”的分类和特点在华北煤田岩溶陷落柱,“COALGEOLOGY&探索,34卷,不。4,53-57,2006页。视图:谷歌学术搜索
9. j·g·赵、m . t .郭和w·s·李”的形态和结构特征在西山煤田岩溶陷落柱,“中国煤炭学会杂志》上,45卷,不。7,2389 - 2398年,2020页。视图:谷歌学术搜索
10. s . x阴问:吴,s . x王”人物和岩溶陷落柱的形成机理的研究在中国北部矿区,”中国岩石力学与工程学报,23卷,不。1,第123 - 120页,2004。视图:谷歌学术搜索
11. 她z .问:,“古岩溶的特征和预测方法柱状崩溃,”煤炭地质与勘查,18卷,不。2、使,1990页。视图:谷歌学术搜索
12. l .妞妞问:吴、李,“分类华北煤田岩溶陷落柱的内部结构的基于广义模型的列,“煤炭地质与勘查,43卷,不。3,页56 - 2015。视图:谷歌学术搜索
13. s . x阴问:吴,s . x王”含水特征和水文地质模型华北地区岩溶塌陷的支柱,“《岩石力学与岩土工程,24卷,不。1,第82 - 77页,2005。视图:谷歌学术搜索
14. w . j . Yu和k·李”,围岩变形机理和控制技术在深埋大跨度室,“Geofluids卷。2020年,22页,2020年。视图:谷歌学术搜索
15. w . j . Yu g·s·吴,b .锅”的力学性能试验研究sandstone-coal-bolt标本与常规三轴压缩下不同的角度,“国际地质力学杂志,21卷,不。6,04021067页,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. k·w·j . Yu李,z . Liu“围岩的力学特性和变形控制弱胶结粉砂岩,”环境地球科学,卷80,不。9日,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. d . Ma、张j . x和y l .黄”煤矸石废弃物的二次利用地下回填采矿:上覆岩层含水层的保护,”光化层,第264卷,第128400页,2021年。视图:谷歌学术搜索
18. 马·d·h . Wu, a·j·s .刺穿,“断裂现象和机制的脆性岩石在单轴机械载荷作用下和不同数量的开口,“地质力学和工程,25卷,不。6,481 - 493年,2021页。视图:谷歌学术搜索
19. d·马b·k·赛和z h·李,“wetting-drying周期对液压和机械性能的影响的巩固了粘贴回填回收固体废物、”光化层,第282卷,第131163页,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. d·马、王j。j和x Cai,“高度/直径比的影响在失败和花岗岩的破坏特性耦合的弯曲和变形,分裂”工程断裂力学,第220卷,第106640页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 吴邦国s h . g . x周、s . x杨”分析了陷落柱的地震响应特征,“煤炭地质与勘查32卷,2004。视图:谷歌学术搜索
22. j . h .宁和g >,“地震识别技术及其应用崩溃的列,“煤炭地质与勘查,33卷,不。3、64 - 67年,2005页。视图:谷歌学术搜索
23. j.p.左、s p .彭和y . j .李“岩溶塌陷调查基于三维地震技术,谢桥煤矿DDA方法,中国,“国际煤炭地质杂志》上,卷78,不。4、276 - 287年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 问:f .阴,d . m .锅和s·d·刘,j . c . Yu”研究煤矿陷落柱的地震识别技术”地球物理学进展,27卷,不。5,2168 - 2174年,2012页。视图:谷歌学术搜索
25. b·w·汉x b .刘、李问:“煤田平息列和采空区识别通过三维地震解释,“中国煤炭地质,27卷,不。9日,第70 - 67页,2015年。视图:谷歌学术搜索
26. f·j·l . Cheng Li和s . p .彭”研究进展和发展方向使巷道超前探测工作面利用地球物理方法,”中国煤炭学会杂志》上,39卷,不。8,1742 - 1750年,2014页。视图:谷歌学术搜索
27. 问:雪和j . c . Yu“新煤矿勘探TEM研究和应用的发展,“地球物理学进展,32卷,不。1,第326 - 319页,2017。视图:谷歌学术搜索
28. j·s·一个,问:太阳x和h .秋”试验研究地下崩溃列综合检测技术,”煤炭科学技术,43卷,不。10日,144 - 147年,2015页。视图:谷歌学术搜索
29. 国家煤矿安全规则煤矿防治水、北京、中国煤炭工业出版社,2018年。

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