煤礦井下地質構造對地應力分布的影響研究

馬超

摘 要：近幾年來，煤礦的開采過程中出現了很多問題，礦難的發生率也在逐年增加，當然這些礦難的發生與人們為謀求利益利益而對煤礦進行違規開采有很大關系，然而最主要的，還是因為煤礦的井下地質構造和相關地應力的分布。為了保證煤礦開采的安全性，我們必須要對煤礦井下的地質結構進行研究，觀察其對地應力分布所造成的影響。該文主要是通過對現場地應力的觀測分析來研究煤礦井下地質構造對地應力分布的影響。

關鍵詞：煤礦 井下地質構造 地應力分布 影響

中圖分類號：TD35 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0236-02

我國的國土資源豐富，相應的我國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，各個地區的地形差異比較大，這使得我們在開發及利用煤礦資源的時候遭受的影響比較大，所以我們在開采煤礦資源的時候大多采用將井下開采方式。由圖一可知，我國的煤礦資源比較豐富，同時分布范圍也比較廣泛。

然而，近幾年來，煤礦的開采過程中出現了很多問題，礦難的發生率也在逐年增加，當然這些礦難的發生與人們因為自身利益而對煤礦進行違規開采有很大關系，然而，最主要的，還是因為煤礦的井下地質構造和相關地應力的分布。為了保證煤礦開采的安全性，我們必須要對煤礦井下的地質結構進行研究，觀察其對地應力分布所造成的影響。

1 對現場的地應力分布進行觀測

一般情況下我們可以通過多種方式對地應力的分布進行測量，根據測量原理的不同，我們大體上可以分為以下幾種情況：根據測定巖體里的變形方式以及應變情況來判定巖體的力學。我們在測量的時候多采取地球物理方式，比如說對巖體內的電阻率、發射以及聲波的傳送規律進行探討研究。這樣一來我們就可以對煤礦井下巖體所破壞的程度以及其地質構造，進行確定，從而對地應力的分布情況進行確認。

1.1 測量井下地應力的設施以及方法

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

我們在測量煤礦現場地應力的過程中需要用到應力傳感器，大多時候我們采用的是由澳大利亞所生產的CSIROHT型的應力傳感器，這種傳感計的主要構造，是將已經準備好的應變花3組粘貼到提前制定好的環氧樹脂表面，這個環氧樹脂需要空心，應變花需要粘貼到環氧樹脂的柱面。應力計的工作原理為：在測量過程中，找到指定的安裝位置后，需要將已經備好的應力計放置于正確的位置，放好后需要擠出應力計里面的環氧樹脂液，一直到孔壁與應力計之間的空隙內充滿環氧樹脂液為止，之后需要等待液體凝固，一直到煤礦巖體能夠與應力計安全合為一體在對其進行消除，而消除的過程就是應力的實施。

1.2 測量井下地應力的參數以及位置

大多數煤礦的范圍都比較廣，因此要想了解煤礦的地應力分布情況非常復雜。為了能夠對其分布情況有一個更好的把控，我們可以根據煤礦井下的地質情況，尋找不同的測試位置，如此一來，我們在對煤礦的地應力進行測量時就可以嚴格按照將煤礦地應力的真實情況盡可能反應出來，以及使測試點盡最大可能覆蓋整個煤礦的原則來進行測量，最終我們得到的測量結果才能夠更貼近事實。

在測量煤礦的地應力過程中，我們可以根據所測量出來的巖性進行研究發現，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，我們在尋找傳感器放置位置時，大多數是在粉砂巖層進行。找到傳感器放置位置后需要進行導孔及安裝孔施工，而施工過程中我們需要對施工尺寸進行規范，比如說：我們在導孔時要保證孔的直徑為11厘米，而所鉆孔的深度需要達到13米。在安裝孔的過程中我們要保證安裝傳感器的孔直徑為4厘米，孔的長度要達到47厘米，而應力傳感器所放位置的深度應該達到13.5米。

1.3 根據測量煤礦地應力所得到的結論

在考慮到煤礦井下的地質環境前提下，加上我們經過對煤礦地應力所測量出來的最真實的數據，就可以對煤礦地區地應力的分布情況有一個基本的掌控，其具體特征如下：

第一，煤礦應力方向的位置傾向于東南以及東西兩個方向，這是應力場中最主要的應力，而這兩個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應力，在整個應力場中占有最主要的位置。地應力的應力區可以分為高等應力區以及中等應力區，通過測量應力可以發現，煤礦的地應力從東面到西面，應力區劃分為從中等應力區到高等應力區。由測量可知沿此方面的應力大小分布是從5MPa到33.5MPa。在整個礦區中，西部與東部在水平主應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。對于各個盤區的水平主應力進行對比發現，水平主應力最大的為四盤區，此盤區具有比較大的傾角，方向也比較偏向于東西方向，而水平主應力最小的是一盤區，此盤區的方向也比較偏向于東西方向，與一、四盤區方向不同的是，二盤區的水平主應力方向比較傾向于東南偏南方的位置。

第二，我們在測量過程中可以發現，所測得的水平應力是所有主應力中最小的主應力。最小水平主應力最低的是二盤區，此盤區的方向主要是西南以及東北方向，最小水平主應力最大的是四盤區，此盤區的方向是南北方向，一盤區的最小水平主應力方向傾向于南北方向。

第三，在同一個位置所測量出來的水平主應力，最大的主應力可以達到最小主應力的3倍到6倍不等。

第四，一般情況下，垂直的應力遠遠比不上最大水平應力，經過測量發現，與垂直應力相比，最大水平主應力可以達到其2倍到3倍。

第五，我們在開采煤礦過程中，需要注意其開采范圍，而在這個范圍里面煤層的傾斜方向，大多數時間與最大的主應力方向平行，向斜和背斜對于地應力所產生的方向，幾乎可以忽略不計，除了煤礦自身的軸部位置。最大主應力的方向以及大小跟多種因素有關，其中不僅僅包括沒煤層的傾角問題，煤層上面所覆蓋的巖層厚度，也能夠對主應力產生較大的影響，其中，對于煤礦地應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 地應力分布與煤礦井下地質構造的關系

我國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域也比較廣泛，再加上我國所具有的特定的地理環境，使得我們在開采煤礦資源時，大多數采取井下開采方式。多年來我們一直研究我國的開采煤礦位置的地質構造，對研究結果進行分析發現，我國的煤礦層大多都比較厚，而且傾斜的角度也比較大。我們在分析這種煤層的地應力分布情況時，可以根據褶曲以及斷層的大范圍走向來進行，這種煤層最小的為34米，最大的為69米，平均的厚度可以達到52米。通過對煤層進行分析可以發現，煤層上面是泥巖和粉砂巖，這就導致了煤礦地質的不穩定性。

我國的煤層可以分為緩傾斜與急傾斜兩個方面，這兩個方面的劃分是根據煤層的傾角來進行的。根據煤礦構造可知，在礦區中一般都是從向斜的軸部以及翼部來獲取最大主應力的方向。在煤礦開采過程中，我們可以通過觀察井下地質構造變化所形成的規律以及其分布的特點，來測量井下地質構造的地應力。在地應力測量過程中我們可以對典型的區域進行地應力變化分析，以我們所測量的數據為基礎，我們可以通過研究地應力變化的方向來了解煤礦井下的地質構造，從而對地應力的分布情況有一個比較明確的掌握。

3 結語

在煤礦資源如此豐富的國土進行煤礦開采是非常重要的事情，而在開采的過程中，了解煤礦的井下地質構造以及地應力的分布情況，尤為關鍵。因此，科研人員應該將工作的重心放置于我國煤礦資源的研究中。而為了能夠更好地分析我國煤礦井下的地質結構，了解地應力的分布情況，我們的科研人員需要繼續進行研究，找到新的理論知識，對研究我國煤礦構造有更新的研究成果。這樣我們才能夠加快對煤礦的開采事業，保證我國的煤炭開采過程具備足夠的安全性能，從而加快其開采速度，以此來促進我國經濟的快速發展。

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