淺談煤系地層巖石的性質

淺談煤系地層巖石的性質

　　論文關鍵詞：巖石斷層節理解理 
　
　　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構物設計是很復雜的。巖石的破壞不只是和原巖的變形有關。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、節理和其他不連續面。這些都影響巖石，特別是較堅硬巖石的性質。本文就這幾點進行如下論述。 
　　　　 
　　雖然在煤系巖石中，剪切帶是最重要的地質構造，但巖石還包含其他的構造。這些構造會在很大程度上與煤礦地下結構物產生相互影響。這些問題很難用一般的方法進行討論。但考慮它們之間的一些關系還是十分有用的。 
　　在相對地未受干擾的煤系地層中，大多數斷層是與垂直方向呈傾斜600～700的正斷層。這一部分是由于與煤系形成的沉積旋回有關的上翹曲和下翹曲造成的。在發生侵蝕的地方，也可能出現與垂直方向成200～300的逆斷層。這兩種類型的運動被地質學家分別命名為造陸運動和造山運動。 
　　在英國煤系地層中，東部煤田一般未受擾動，而西部煤田特別是南威爾斯正處于海西尼（Hercynian)造山運動階段。在這兩種情況下，斷層和所有其他構造一般都遵循這一主要運動形式。因此，在英國東部主要煤田中，構造是由后石炭二疊紀運動決定的。該運動造成了由走向北東、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，存在水沿斷層面流動的可能性。根據沿斷層運動的程度，被剪切的地層可從簡單的分離變化到主要斷層剪切帶并生層內剪切帶。因為造成剪切的最大主應力方向是垂直的，所以也可能在一些正斷層附近存在有高的垂直應力和低的水平應力，它將導致巷道的破壞。在長壁工作面開采時，因為從最經濟的角度出發，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加劇。然而正斷層最主要的在于它的存在和它對礦井系統的影響。 
　　在采礦工程中逆斷層具有更重要的影響，因為它們主要是由水平方向最大應力造成的。按其性質和必須克服高的被動垂直應力，這一水平應力必須很大，其比值可以通過考慮在蘭金被動條件下，當бh/бv=3,而ø=300時的破壞來說明，此時的巖石強度最低。值得注意的是實際中許多高的水平-垂直應力比是和逆斷層相聯系的，如果這樣高的應力比存在于一定深度條件下，那么它們可能造成嚴重的工程問題。在南威爾斯的阿貝納特煤礦，立井礦柱中的逆斷層附近，可能有相當大的應力在井底車場巷道施工中，在該處遇到很大的困難。 
　　大多數沉積巖中的節理與斷層方向大致平行，這是英國煤系地層中的情況。節理是裂隙或者裂縫，它們和斷層不同，沿節理沒有可見運動，它們的頻率比斷層要大幾個數量級。普賴斯指出，這一頻率與巖石的巖性、層厚和構造變形的程度有關。 
　　普賴斯證明前面提出的巖石中的節理數與巖石所能貯存的應變能力與強度/模量比，或者與其倒數常用的模量/強度比有關。后者對煤來說特別低（<50），對于頁巖和泥巖在50～150之間，對于砂巖在200以上，因為砂巖層一般比頁巖和煤層厚。普賴斯提出了巖層厚度和節理間距之間的一個近似的線性關系，這在某種程度上解釋了煤中的節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所組成，所以預期的節理頻度也將是廣泛變化的。 
　　從工程角度來看，節理是很重要的。特別是在受拉的頂板內，它們將形成潛在的弱面，該處的巖石將會在重力作用下松脫。由于水的流動和表面氧化降低了穩定性，這些弱面將隨著時間推移而惡化。在通常不足以造成整體巖石破壞的一般開采應力下，頂板穩定性和自穩時間愈來愈取決于頂板巖塊的松脫。這種趨向一部分可以通過科學方法來研究，而另一部分可以使用經驗方法

　　煤中的節理稱為解理面。解理面一般平行于局部節理形式呈現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，主解理具有“西北”這樣一個非常固定的方向。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白云石。 
　　解理的頻度依煤的品位、煤的地質年代和煤的類型而變化。例如，在干凈、明亮、低揮發分的高品位煤中，解理的頻度可達每米210面。在暗的，高有機物、低品位煤中，特別是含有暗煤硬質粘土時，它的頻度低到每米只有15面。 
　　關于解理的成因，從成巖的壓實、煤化過程到構造力作用，存在各種不同的理論。解理方向和其他構造之間存在密切的相互關系，在此就不作詳談。就是因為這種密切的相互關系使得解理在采礦作業中顯得非常重要，特別是現代采礦作業。從最經濟的角度出發，長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。當它與長壁工作面相交的角度很小時將造成附加解理，由此而造成的工作面和頂板的片幫冒落是確定工作面穩定的一個主要因素。 
　　結語：就上述所言，我們不難而知控制煤系巖石變形和破環因素是十分重要的，我們不能滿足于手里所掌握的資料，而要在煤礦開采的實際應力條件下，應該說變形特征的定性描述比強度的定量描述更有價值。 
　　 
　　參考文獻：I.W.法默.著，田家裕.等譯，煤礦地下結構[M]煤炭工業出版社1990年11月

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