煤矿井下地质构造对地应力分布的影响研究

马超

摘 要：近几年来，煤矿的开采过程中出现了很多问题，矿难的发生率也在逐年增加，当然这些矿难的发生与人们为谋求利益利益而对煤矿进行违规开采有很大关系，然而最主要的，还是因为煤矿的井下地质构造和相关地应力的分布。为了保证煤矿开采的安全性，我们必须要对煤矿井下的地质结构进行研究，观察其对地应力分布所造成的影响。该文主要是通过对现场地应力的观测分析来研究煤矿井下地质构造对地应力分布的影响。

关键词：煤矿 井下地质构造 地应力分布 影响

中图分类号：TD35 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0236-02

我国的国土资源丰富，相应的我国的煤矿资源也比较丰富，然而，由于煤矿资源的所在地分布范围比较广泛，各个地区的地形差异比较大，这使得我们在开发及利用煤矿资源的时候遭受的影响比较大，所以我们在开采煤矿资源的时候大多采用将井下开采方式。由图一可知，我国的煤矿资源比较丰富，同时分布范围也比较广泛。

然而，近几年来，煤矿的开采过程中出现了很多问题，矿难的发生率也在逐年增加，当然这些矿难的发生与人们因为自身利益而对煤矿进行违规开采有很大关系，然而，最主要的，还是因为煤矿的井下地质构造和相关地应力的分布。为了保证煤矿开采的安全性，我们必须要对煤矿井下的地质结构进行研究，观察其对地应力分布所造成的影响。

1 对现场的地应力分布进行观测

一般情况下我们可以通过多种方式对地应力的分布进行测量，根据测量原理的不同，我们大体上可以分为以下几种情况：根据测定岩体里的变形方式以及应变情况来判定岩体的力学。我们在测量的时候多采取地球物理方式，比如说对岩体内的电阻率、发射以及声波的传送规律进行探讨研究。这样一来我们就可以对煤矿井下岩体所破坏的程度以及其地质构造，进行确定，从而对地应力的分布情况进行确认。

1.1 测量井下地应力的设施以及方法

目前，我国对煤矿地应力的测量，大部分都选用在井下的一些巷道里进行，测量过程中我们采用的工具多为钻孔机，而且测量过程中对于角度的选择至关重要。选择的位置大部分为巷道内的顶板岩体，选择好位置后，我们需要仰角向所选位置进行钻孔施工，施工完毕后将选择好的传感器放置于所钻的孔道中，以此来测量煤矿的应力。选择好测量应力的地点之后我们需要进行应力计安装工程，多数情况下我们会采取施工的方式，进行导孔以及安装孔，具体方式如下：确定好安装部位后我们需要将应力计放于煤矿岩体完整的部位。然后再取出岩体内部连接着应力计的部位，一般情况取出的都是圆柱状的岩芯，在岩芯的取出的过程中采用的工具为金刚石岩筒。这样一来，我们就可以利用应力计所测量的数据，对煤矿岩体的地应力进行计算。在应力计安装施工过程中我们需要对连接着应力计的圆柱形岩芯，采取施压行为。施压过程中选择的工具为弹模率定仪，如此一来，岩体的压力在变化过程中所产生的应变，都可以通过此方法完完整整地进行记录，之后根据公式对煤矿的地应力进行测量。采取的公式为三维应力核算，在核算过程中我们还需要对岩体的泊松比以及弹性的模量进行核算。图二为由仪器扫描的电阻率断面图。

我们在测量煤矿现场地应力的过程中需要用到应力传感器，大多时候我们采用的是由澳大利亚所生产的CSIROHT型的应力传感器，这种传感计的主要构造，是将已经准备好的应变花3组粘贴到提前制定好的环氧树脂表面，这个环氧树脂需要空心，应变花需要粘贴到环氧树脂的柱面。应力计的工作原理为：在测量过程中，找到指定的安装位置后，需要将已经备好的应力计放置于正确的位置，放好后需要挤出应力计里面的环氧树脂液，一直到孔壁与应力计之间的空隙内充满环氧树脂液为止，之后需要等待液体凝固，一直到煤矿岩体能够与应力计安全合为一体在对其进行消除，而消除的过程就是应力的实施。

1.2 测量井下地应力的参数以及位置

大多数煤矿的范围都比较广，因此要想了解煤矿的地应力分布情况非常复杂。为了能够对其分布情况有一个更好的把控，我们可以根据煤矿井下的地质情况，寻找不同的测试位置，如此一来，我们在对煤矿的地应力进行测量时就可以严格按照将煤矿地应力的真实情况尽可能反应出来，以及使测试点尽最大可能覆盖整个煤矿的原则来进行测量，最终我们得到的测量结果才能够更贴近事实。

在测量煤矿的地应力过程中，我们可以根据所测量出来的岩性进行研究发现，一般情况下，我们可以在巷道的顶板上找到泥岩、煤层以及粉砂岩，他们的分布情况为：顶板之上是煤层，厚度为3.2米，煤层上面存在泥岩，厚度为1.8米，而泥岩的上面还有粉砂岩存在，我们在寻找传感器放置位置时，大多数是在粉砂岩层进行。找到传感器放置位置后需要进行导孔及安装孔施工，而施工过程中我们需要对施工尺寸进行规范，比如说：我们在导孔时要保证孔的直径为11厘米，而所钻孔的深度需要达到13米。在安装孔的过程中我们要保证安装传感器的孔直径为4厘米，孔的长度要达到47厘米，而应力传感器所放位置的深度应该达到13.5米。

1.3 根据测量煤矿地应力所得到的结论

在考虑到煤矿井下的地质环境前提下，加上我们经过对煤矿地应力所测量出来的最真实的数据，就可以对煤矿地区地应力的分布情况有一个基本的掌控，其具体特征如下：

第一，煤矿应力方向的位置倾向于东南以及东西两个方向，这是应力场中最主要的应力，而这两个方向的倾角与水平方向非常接近，因此，倾向于水平方向的这两个应力，在整个应力场中占有最主要的位置。地应力的应力区可以分为高等应力区以及中等应力区，通过测量应力可以发现，煤矿的地应力从东面到西面，应力区划分为从中等应力区到高等应力区。由测量可知沿此方面的应力大小分布是从5MPa到33.5MPa。在整个矿区中，西部与东部在水平主应力方向上还是存在很大的差异，这主要是由于煤矿的褶断带所造成的原因。对于各个盘区的水平主应力进行对比发现，水平主应力最大的为四盘区，此盘区具有比较大的倾角，方向也比较偏向于东西方向，而水平主应力最小的是一盘区，此盘区的方向也比较偏向于东西方向，与一、四盘区方向不同的是，二盘区的水平主应力方向比较倾向于东南偏南方的位置。

第二，我们在测量过程中可以发现，所测得的水平应力是所有主应力中最小的主应力。最小水平主应力最低的是二盘区，此盘区的方向主要是西南以及东北方向，最小水平主应力最大的是四盘区，此盘区的方向是南北方向，一盘区的最小水平主应力方向倾向于南北方向。

第三，在同一个位置所测量出来的水平主应力，最大的主应力可以达到最小主应力的3倍到6倍不等。

第四，一般情况下，垂直的应力远远比不上最大水平应力，经过测量发现，与垂直应力相比，最大水平主应力可以达到其2倍到3倍。

第五，我们在开采煤矿过程中，需要注意其开采范围，而在这个范围里面煤层的倾斜方向，大多数时间与最大的主应力方向平行，向斜和背斜对于地应力所产生的方向，几乎可以忽略不计，除了煤矿自身的轴部位置。最大主应力的方向以及大小跟多种因素有关，其中不仅仅包括没煤层的倾角问题，煤层上面所覆盖的岩层厚度，也能够对主应力产生较大的影响，其中，对于煤矿地应力分布情况作用比较大的就是土地表面的地貌以及地理形状。

2 地应力分布与煤矿井下地质构造的关系

我国拥有非常丰富的煤矿资源，而且所选择的煤矿资源使用的区域也比较广泛，再加上我国所具有的特定的地理环境，使得我们在开采煤矿资源时，大多数采取井下开采方式。多年来我们一直研究我国的开采煤矿位置的地质构造，对研究结果进行分析发现，我国的煤矿层大多都比较厚，而且倾斜的角度也比较大。我们在分析这种煤层的地应力分布情况时，可以根据褶曲以及断层的大范围走向来进行，这种煤层最小的为34米，最大的为69米，平均的厚度可以达到52米。通过对煤层进行分析可以发现，煤层上面是泥岩和粉砂岩，这就导致了煤矿地质的不稳定性。

我国的煤层可以分为缓倾斜与急倾斜两个方面，这两个方面的划分是根据煤层的倾角来进行的。根据煤矿构造可知，在矿区中一般都是从向斜的轴部以及翼部来获取最大主应力的方向。在煤矿开采过程中，我们可以通过观察井下地质构造变化所形成的规律以及其分布的特点，来测量井下地质构造的地应力。在地应力测量过程中我们可以对典型的区域进行地应力变化分析，以我们所测量的数据为基础，我们可以通过研究地应力变化的方向来了解煤矿井下的地质构造，从而对地应力的分布情况有一个比较明确的掌握。

3 结语

在煤矿资源如此丰富的国土进行煤矿开采是非常重要的事情，而在开采的过程中，了解煤矿的井下地质构造以及地应力的分布情况，尤为关键。因此，科研人员应该将工作的重心放置于我国煤矿资源的研究中。而为了能够更好地分析我国煤矿井下的地质结构，了解地应力的分布情况，我们的科研人员需要继续进行研究，找到新的理论知识，对研究我国煤矿构造有更新的研究成果。这样我们才能够加快对煤矿的开采事业，保证我国的煤炭开采过程具备足够的安全性能，从而加快其开采速度，以此来促进我国经济的快速发展。

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