浅谈煤系地层岩石的性质

1、浅谈煤系地层岩石的性质论文摘要：由于各种岩石的破坏特性不同，因此沉积岩层中的工 程结构物设计是很复杂的。岩石的破坏不只是和原岩的变形有关。沉 积岩中含有层理面(通常本身含有接触面或其他剪切带)、断层、节 理和其他不连续面。这些都影响岩石，特别是较坚硬岩石的性质。本 文就这几点进行如下论述。虽然在煤系岩石中，剪切带是最重要的地质构造，但岩石还包含 其他的构造。这些构造会在很大程度上与煤矿地下结构物产生相互影 响。这些问题很难用一般的方法进行讨论。但考虑它们之间的一些关 系还是十分有用的。在相对地未受干扰的煤系地层中，大多数断层是与垂直方向呈倾 斜600700的止断层。这一部分是由于与煤系形成的沉

2、积旋回有关 的上翘曲和下翘曲造成的。在发生侵蚀的地方，也可能出现与垂直方 向成200-300的逆断层。这两种类型的运动被地质学家分别命名为 造陆运动和造山运动。在英国煤系地层中，东部煤山一般未受扰动，而西部煤田特别是 南威尔斯正处于海西尼(hercynian)造山运动阶段。在这两种情况下, 断层和所有其他构造一般都遵循这一主要运动形式。因此，在英国东 部主要煤田中，构造是由后石炭二叠纪运动决定的。该运动造成了由 走向北东、北西向狭窄的断裂背斜所切割的大面积浅盆地。断层的工程意义是变化的，在正断层情况下，存在水沿断层面流 动的可能性。根据沿断层运动的程度，被剪切的地层可从简单的分离 变化到主要断

3、层剪切带并生层内剪切带。因为造成剪切的最大主应力 方向是垂直的，所以也可能在一些正断层附近存在有高的垂直应力和 低的水平应力，它将导致巷道的破坏。在长壁t作面开采时，因为从 最经济的角度出发，工作面总是布置成平行于断层方向，而回采巷道 总是紧靠断层带，所以巷道的破坏将会加剧。然而正断层最主要的在 于它的存在和它对矿井系统的影响。在釆矿工程中逆断层具有更重要的影响，因为它们主要是由水平 方向最人应力造成的。按其性质和必须克服高的被动垂直应力，这一 水平应力必须很大，其比值可以通过考虑在兰金被动条件下，当 6h/6v=3,而0=300时的破坏来说明，此时的岩石强度最低。值得注意 的是实际中许多高的

4、水平-垂直应力比是和逆断层相联系的，如果这 样高的应力比存在于一定深度条件下，那么它们可能造成严重的工程 问题。在南威尔斯的阿贝纳特煤矿，立井矿柱屮的逆断层附近，可能 有相当大的应力在井底车场巷道施t中，在该处遇到很大的困难。大多数沉积岩中的节理与断层方向大致平行，这是英国煤系地层 中的情况。节理是裂隙或者裂缝，它们和断层不同，沿节理没有可见 运动，它们的频率比断层要大几个数量级。普赖斯指出，这-频率与 岩石的岩性、层厚和构造变形的程度有关。普赖斯证明前面提出的岩石中的节理数与岩石所能贮存的应变 能力与强度/模量比，或者与其倒数常用的模量/强度比有关。后者对 煤来说特别低(50),对于页岩和泥

5、岩在50150之间，对于砂岩在 200以上，因为砂岩层一般比页岩和煤层厚。普赖斯提出了岩层厚度 和节理间距之间的一个近似的线性关系，这在某种程度上解释了煤中 的节理间距要比砂岩中的小得多。由于煤系沉积旋回层是由厚度和岩性广泛变化的岩层的各沉积 循环所组成，所以预期的节理频度也将是广泛变化的。从工程角度来看，节理是很重要的。特别是在受拉的顶板内，它 们将形成潜在的弱面，该处的岩石将会在垂力作用下松脱。由于水的 流动和表面氧化降低了稳定性，这些弱面将随着时间推移而恶化。在 通常不足以造成整体岩石破坏的一般开釆应力f,顶板稳定性和自稳 时间愈来愈取决于顶板岩块的松脱。这种趋向部分可以通过科学方 法来

6、研究，而另一部分可以使用经验方法。煤中的节理称为解理面。解理面一般平行于局部节理形式呈现出 垂直于层理面的两组解理面，这两组解理之间基本上互成直角。主要 的解理称为主解理，它的贯通程度很高。在英国，主解理具有“西北" 这样一个非常固定的方向。较小的解理也称为短而不清楚的解理或叉 解理，它们的贯通程度很差，和主解理相比它们的方向往往是不变的。 两种解理面一般充填有次生沉积物，通常是方解石或铁质白云石。解理的频度依煤的晶位、煤的地质年代和煤的类型而变化。例如, 在干净、明亮、低挥发分的高品位煤中，解理的频度可达每米210面。 在暗的，高有机物、低品位煤中，特别是含有暗煤硬质粘土时，它的 频度低到每米只有15血。关于解理的成因，从成岩的压实、煤化过程到构造力作用，存在 各种不同的理论。解理方向和其他构造之间存在密切的相互关系，在 此就不作详谈。就是因为这种密切的相互关系使得解理在采矿作业中 显得非常重要，特别是现代采矿作业。从最经济的角度出发，长壁工 作面趋向于和最大或最小断层方向平行布置，这就意味着工作面将趋 向于与解理方向平行。长壁工作面前方的支承压力往往足以引起剪切 和拉伸而造成顶板、煤层和底板的破坏。当它与长壁工作面相交的角 度很小时将造成附加解理，由此而造成的工作面和顶板的片帮冒落是 确定工作面稳定的一个主要因素。结语：就上述所言，我们不难而知控制煤系岩石变形和