深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理研究

      随着煤层开采层位的加深,对煤系软岩水稳性的研究越来越重要。巨野3号煤顶底板岩层以泥质岩为主,赋存深度900～1200 m,为典型的深部煤系软岩。通过水理性试验、X射线衍射试验及电镜扫描试验,对巨野煤田深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理进行分析研究。研究发现软岩水稳性较差,浸水后在30 min内开始崩解;岩样粘土矿物以高岭石及蒙伊混层为主,结构上表现为明显的疏松性及定向排列性。通过分析认为深部煤系软岩崩解是粘土矿物内外膨胀联合作用的结果,其中软岩结构特征是导致该类岩石遇水崩解的主要因素。     

煤矿软岩的粘土矿物成分及特征

煤矿软岩的工程地质特征取决于其物质组成，特别是其中的粘土矿物成分．本文按成生时代和粘土矿物组成特点，把煤矿软岩分为３种类型，并分别讨论了其结构特征，物理力学性质及水理性质．最后，对软岩的变形力学机制进行了分析和讨论．     

我国煤矿软岩的主要工程地质性质

随着大量新煤田的开发和开采深度的增加,煤矿软岩问题已成为煤矿生产和建设中的一大难题。作者在做了大量调查的基础上,对我国主要软岩矿区软岩的工程地质性质、物质组成与结构进行了研究,探讨了软岩的物质组成与工程地质性质之间的关系,从本质上揭示了软岩工程地质性质极差的原因,并据此提出了一些软岩支护的合理建议。     

山东巨野煤田3煤层厚度变化原因分析

分析了沉积基底、聚煤时期分流河道及Ｓ２砂体对３煤厚度的影响,阐明了３煤厚度变化的原因,对煤田勘探有一定指导意义。     

红层软岩遇水作用的孔隙结构多重分形特征

红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。     

软岩饱水软化过程微观结构演化的临界判据

针对红层软岩遇水软化问题,在已开展的粉砂质泥岩饱水软化试验结果的基础上,从建立软岩微观结构模型出发,定量化研究软岩软化的力学机制。首先将描述粉砂质颗粒特性的结构元件引入到M. Tuller、D. Or提出的黏土矿物微结构模型中,提出了软岩微观结构组合元件;然后结合软岩饱水软化试验中微观结构测试结果,考虑天然状态软岩微观结构的基本类型特征,建立了描述粒状结构与致密条块状结构软岩的两类典型微观结构单元;在此基础上,采用重整化群方法,分别建立了两类软岩软化的重整化模型,并基于重整化原理,分析了软岩软化过程微观结构演化的临界判据,搭建了软岩微观结构与其力学特性之间的定量关系。通过对比软岩饱水软化过程力学性质试验结果,验证了所建立模型的合理性,为进一步开展软岩软化全过程定量化研究奠定基础。     

山东聊城煤田赋岩赋煤盆地构造特征

聊城盆地主要受聊（城）—（兰）考断裂、齐（河）—广（饶）断裂、牛角店断裂(刘集断裂)和汶泗断裂（颜村铺断裂）的控制,盆地赋煤构造的大小、范围及形态,决定了聊城煤田的规模、含煤建造、煤层时空分布及其勘查开发前景。聊城煤田为全掩盖式华北型含煤岩系,为华北型煤矿的重要组成部分,聚煤期为石炭—二叠纪,含煤岩石类型以碎屑岩为主,其次为碳酸盐岩、可燃有机岩(煤)。粗碎屑含量由南向北、自西向东逐渐增加,石灰岩南厚北薄,煤层层位北低南高,成煤期北早南晚,且呈现东西成带、南北分异之现象。     

水-应力作用下软岩细观结构摩擦接触分析

针对我国南方地区红层软岩变形破坏特点,在典型软岩细观结构显微观察试验基础上,概化出其细观结构模型,据此探讨软岩骨架颗粒摩擦接触关系,包括直接和间接摩擦接触两种关系:(1)直接摩擦接触分为静摩擦接触和动摩擦接触两个过程考虑,静摩擦接触中的最大静摩擦系数会随着实际接触面积、法向荷载、停留时间增大而增大;动摩擦接触中的动摩擦系数则随着速度突然增大而增大。(2)间接摩擦接触作用主要体现在黏土矿物的抗剪强度上,其主要由充填其间的黏土矿物颗粒间的摩擦系数和黏结强度决定。在此基础上,研究水对软岩骨架颗粒摩擦的弱化作用:水的弱化作用主要体现在对骨架颗粒接触应力的改变和黏土矿物本身的弱化效应,具体表现为水作用下骨架颗粒与黏土矿物间的接触应力降低、黏土矿物的黏聚力和内摩擦角减小。这一弱化效应将有效降低软岩骨架颗粒间的摩擦力,从而造成软岩结构强度降低,使得破坏过程更容易发生。以上分析可以在一定程度上反映软岩三轴压缩试验过程。     

软岩饱水试验与软化临界现象研究

针对华南地区广为分布的“红层”软岩遇水软化问题,选择粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等典型软岩为研究对象,在软岩饱水软化试验的基础上,采用“自组织临界性”理论深入分析了软化试验中的临界现象,结合软岩物理力学性质、微观结构以及水溶液离子浓度变化的试验结果,得出：在饱水3个月和6个月时,对应于所研究软岩软化的临界时间点,其物理、力学性质与水溶液离子浓度的变化在前3个月内变化幅度较大,3个月后较为平缓,并可能出现波动,6个月后开始趋于稳定;而其微观结构变化满足1～3个月变化较小,3～6个月自行调整而趋于有序,6个月之后结构类型完全改变。在此基础上,分析了软岩系统自组织临界现象中最显著的两个特征：自组织性和临界特性,并从系统演化的角度探讨了饱水软岩系统中一种具有一定稳定性的非平衡自组织有序结构的产生过程,给出了水作用下软岩工程特性变异达到稳定的临界时刻。     

淮南,铁法煤矿膨胀型软岩力学化学特征

膨胀型软岩由于其性质的复杂性和工程的严重危害性而成为我国煤矿工程研究中最复杂的问题之一。膨胀型软岩能与水发生物理化学反应使含水量或体积发生变化，是地质历史长期作用的产物，随着时间场和空间场的不同，其力学化学特征有明显的差异，作者根据对淮南５个煤矿、铁法２个煤矿软岩的实际研究，总结二者在成份、物理化学特征、力学性质以及膨胀机制等方面的差异，为工程有效支护提供理论依据。     

鄂西仁和坪向斜煤系高岭岩的矿石特征及应用前景

对鄂西仁和坪向斜二叠系梁山组煤系高岭岩成矿地质特征及矿石组分的研究表明,该地区高岭岩矿床属碎屑沉积型,以硬质高岭岩为主,矿层层位稳定,矿石中高岭石多呈隐晶至微晶片状结构,且纯度高(高岭石含量90%～95%),具有低Mn(<30×10-6)高Ti(>0.5%)的特点,矿石中Fe、Mg、Ca、Na、K、Mn、S、As及重金属元素Cu、Pb、Zn、Cd、Tl等有害组分含量普遍较低。综合分析认为本区高岭岩属功能化极强的优质高岭石原料,在橡胶、塑料、涂料、药用包装等领域有广阔的应用前景。     

巨野煤田矿坑热水特征及其开发利用

根据矿坑热水水质、水量、水温,立足矿山实际,因地制宜提出了综合开发利用方式：赵楼煤矿矿坑水可向巨野县城提供洗浴用水;彭庄煤矿矿坑水宜作为种植冬暖式大棚蔬菜的热源;经热能梯级利用后,郭屯煤矿矿坑水可与低氟水混合后作为水产养殖用水;龙堌煤矿矿坑排水量大,距巨野县城较近,经降酸处理后可作为城镇工业供水水源。矿坑水经全部梯级利用后,可节省地下水资源及煤炭资源费2 493.84万元/a。     

淮南矿区地应力条件及其对煤层顶底板稳定性的影响

通过现场地应力测量和理论分析以及数值模拟计算,研究了淮南矿区地应力分布规律,探讨了圆形硐室围岩应力分布和不同侧压下回采工作面顶板稳定性分布。研究结果表明:淮南矿区原岩应力主要表现为自重应力场,除局部构造应力集中外,不存在高构造应力;区内侧压力系数λ值一般为0.49~1.49,平均为0.92,并且与测点距地表深度有一定的趋向性,表现为在浅部λ值较大,变化范围也大,而在深部λ值渐小,变化范围也缩小;回采工作面顶底板稳定性与侧压系数λ的大小密切相关,且随侧压系数λ的增大,顶板垂直位移减小,顶板岩层易于形成结构平衡而保持稳定,但底板垂直位移量增大,且易于形成底鼓破坏。这些认识为研究区煤层顶底板岩层支护控制提供了科学依据。     

山东省巨野煤田梁宝寺井田水文地质条件及充水因素分析

通过对巨野煤田梁宝寺井田含水层、隔水层及断层导水规律的分析,指出了对煤矿生产所造成的影响及生产中应注意的问题,认为梁宝寺井田开采上组煤的水文地质类型为裂隙、岩溶类简单至中等类型,开采下组煤的水文地质类型为岩溶裂隙类中等至复杂型。     

山东省煤炭资源与赋煤规律研究

山东煤炭资源丰富,已累计查明煤炭资源储量312.3亿吨,保有煤炭资源储量274.1亿吨。其中,基础储量占保有量的2/5,可采、预可采储量占保有量的1/5。煤类以烟煤为主,褐煤、无烟煤以及炼焦用煤、天然焦较少。山东煤炭可采储量偏低,炼焦用煤储量更少。山东省是产煤大省和消费大省,年产量1.5亿吨左右,居全国第七位,调入2.5亿吨;年消费量3.9亿吨左右,占全国1/10。2014年我国煤炭产量38.7亿吨,占全国能源生产总量的73.2%;消费量35.1亿吨,占一次能源消费总量的64.2%。在一定时期内我国能源结构以煤炭为主形势下,已设立的煤炭勘查及后续采矿工作仍需推进。山东聚煤期有石炭—二叠纪、中侏罗世坊子期、古近纪五图期三个时期,石炭—二叠纪是最重要的聚煤期。太原组在潟湖及潮汐三角洲远端的部位形成的煤层也较好,局部达可采厚度;山西组河控浅水三角洲在大面积范围内迅速发展,形成了厚度较大、分布面积较广的主采煤层;坊子组及李家崖组聚煤作用发生在盆地水域扩张—盆地萎缩早期,煤聚积由扇三角洲平原及前缘向盆缘方向扩展。随着聚煤期后发生的印支、燕山及喜马拉雅期等一系列构造运动,煤层赋存遭受了不同程度的剥蚀和影响。研究发现,山东及邻区的赋煤构造总体上表现为"掀斜式构造,北断南超",呈"凹凸相间"的构造样式;其赋煤规律是:具有经济意义的煤层通常赋存在"隆起中的凹陷,凸起的边缘、潜凹陷中的地垒、潜凸起中的地堑";创建的覆盖区的找煤模式是"凹中找垒,凸中找堑",鲁中隆起则是断陷盆地,局部在断块凸起的边缘。根据赋煤规律研究成果,新发现了单县煤田和曹县煤田。在此基础上又给出了山东今后的找煤靶区预测,在菏泽及其南北邻区的河南省、聊城、济南、济宁、德州及邻区的河北省以及鲁中的部分地区,优选了6个找煤靶区。     

鲁西南地区煤成气盖层类型及分布

运用石油地质学与煤成气地质学等研究方法,分析了鲁西南地区煤成气盖层类型及其分布特征。研究表明,鲁西南地区除发育较好的煤成气烃源岩、储集层外,盖层保存也较完整,具备了该地区良好的煤成气成藏条件。在各凹陷区内,石炭—二叠系保存完整,其煤层上覆的泥质岩分布广泛,且多含有机质,厚度100～400m,其中包括一套对煤成气封闭能力最佳的杂色铝土质泥岩层(俗称"B层铝土"),厚10～30m;古近系也发育了多套以泥质岩为主的沉积,泥质岩总厚度达1000m以上,这些泥质岩大多为暗色,富集有机质。这些形成于不同时期的煤系地层上覆泥岩层共同构成了本区较好的区域性盖层。尤其在成武凹陷、鱼台凹陷和大汶口凹陷发育的古近系化学蒸发岩类——石膏、岩盐,是该地区煤成气最重要的区域盖层。     

浑江煤田石炭二叠纪含煤岩系层序地层与聚煤作用

运用层序地层学有关理论和方法,分析了浑江煤田石炭系-二叠系含煤岩系的层序,探讨了聚煤作用的控制因素。石炭纪-二叠纪含煤地层共识别出4个层序边界,划分为3个三级层序。为分析煤层厚度与地层厚度及砂岩百分含量的关系,绘制了三维相关图。研究表明,层序2地层厚度在40-70 m时,层序3地层厚度在50-80 m时,煤层发育较厚,而此时砂岩百分含量小于50%,表明有利于煤层聚积的环境是沉降速率中等、陆源碎屑供给相对较少的沉积环境,主要是三角洲间湾以及下三角洲平原地区。研究区含煤岩系层序地层格架中,不同层序沉积时期,煤层的分布有所不同,对于层序2来说,主要可采煤层分布在最大海泛带两侧,而层序3主要可采煤层分布在海侵面附近,此时较低的泥炭堆积速率与较慢的可容空间增加速率相平衡,从而形成该煤层。     

鲁西南隐伏区单县煤田曹县煤田的发现及其意义

继巨野煤田之后,近期在鲁西南隐伏区又相继发现了单县煤田和曹县煤田。它指示着隐伏区赋煤规律及找煤方向是：掀斜断凸的北缘,大型潜凸的周边,凹陷中的凸起,凸起中的凹陷。表明山东省深部找煤潜力巨大,前景广阔。应系统开展曹县一鄄城、阳谷一茌平、黄河北、章丘煤田深部、淄博煤田外围、单县一嘉祥6个含煤预测区的深部找矿工作。     

高地应力破碎软岩巷道底臌特性及综合控制对策研究

高地应力破碎软岩巷道底臌问题,由于其地质条件的复杂性,是煤矿开采的技术难题之一。通过总结分析高地应力破碎软岩巷道底臌的变形破坏特性,研究了底臌治理对策。研究结果表明,底板围岩呈现出挤压剪切流变特性,在支护对策上应将支护体系视为完整体系,在加强修复固结、应力转移和扩大承载圈的同时强调调动帮、顶部的间接控制作用。提出了以底板超挖、高强度预应力锚索、深孔注浆、底脚、拱角锚杆和回填为技术支撑的综合治理对策,通过FLAC3D建立的三维数值分析模型,分析了在综合治理对策下围岩位移场及塑性区的变化,验证了该方法的有效性。将综合治理对策应用到淮南潘二煤矿东二采区主要大巷,取得了良好的支护效果。     

Analysis of rock structure stability in coal mines

In this paper, the theory of limit point instability is used to analyse the stability of rock structures in coal mines. A general method of analysing stability of rock structures is put forward and a uniform instability condition of rock structures is set up. Some instability phenomena, such as rock bursts in circular roadways, pillars and long walls, and the outburst of coal and gas from circular roadways, are discussed analytically. At a later stage, the critical point of rock structure instability is determined. The influence of relative parameters (such as the mechanical properties of rock, coal, and the geometric sizes) on the stability of the rock structures is carefully analysed. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.