D0I:10.13374/1.issnl00I53.2006.04.002 第28卷第4期 北京科技大学学报 Vol.28 No.4 2006年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2006 西部矿区深部复杂应力环境下开采扰动区 松软岩层力学特性 来兴平1)伍永平12) 任奋华)蔡美峰) 1)西安科技大学，西安7100542)教育部西部矿井开采与灾害控制重点实验室，西安710054 3)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要对西部石嘴山一矿38区深部+600m轨道巷开采扰动区进行了全面的工程地质调查. 采用MOTIC-BA3 DOPOL型偏光显微镜等综合分析了砂岩、泥岩的矿广物成分、物理性质、自然状态 以及饱和状态下的力学及变形特性：结合现场围岩变形、应力监测与构造异常探测等，研究了深部 复杂应力环境下松软岩层力学特性 关键词西部矿区：深部开采；扰动区；现场监测：构造探测 分类号TD315+.1 在地下工程中，复杂围岩环境条件出现具有 现采用综合机械化开采，为其服务的38区十600 随机性，同时由于目前测试技术和水平所限，对 m轨道巷处于550m,其开采扰动区(Excavation 已经探测到的大范围复杂环境条件下围岩的物理 Disturbed Zone,EDZ)内围岩松软，矿压显现非常 力学性质及其变化的了解具有很大的局限性，对 剧烈，巷道底臌很大（最大达1.2m),开采扰动影 于较小尺度工程环境的变化还缺少有效的探测手 响严重，如何有效加固十600m巷道的围岩，控制 段，因此，一旦出现工程对象综合属性改变，构成 其变形并保持长期稳定，使其真正有效、安全地发 复杂围岩环境条件，就会引发安全问题或留下安 挥作用，对石嘴山一矿乃至宁夏煤业集团的安全 全隐患，在矿山井巷施工中、因复杂围岩环境条 绩效具有举足轻重的作用，这一问题亟待解 件导致的人身伤亡事故占有相当大的比重或已经 决[5-6].通过对石嘴山一矿38区十600m轨道巷 成为人身伤亡的首要因素，由复杂围岩环境安全 全面、系统的工程地质调查、岩石力学实验、综合 问题导致的设计方案变更和无效工程造成的直接 的监测与探测等，为现场工程治理和解决采掘接 经济损失高达数千万元·由此可见，复杂围岩环 续和安全开采提供了科学的依据 境是影响地下工程安全和经济与否的重要因素， 1 现场工程与地质环境特征 在一定程度上已经成为了制约地下工程安全性与 合理性的主导因素。根据我国煤矿的地质条件、 石嘴山一矿38区十600m轨道巷开采扰动 开采技术水平、矿压分布特征等，一般采深在800 区工程特征概括为：(1)采深大；(2)岩层软弱破 m及以上或软岩矿井采深600m以上为深部开 碎；(3)构造与应力复杂；(4)高瓦斯；(5)地下水 采).随着对煤炭需求的日益增加，西北某些矿 耦合作用问题严重.图1简单描述了十600m轨 区浅部煤炭资源枯竭，面临着“煤竭矿衰“的境地， 道巷工程与地质环境，图2描述了工程现场破坏 因而逐步进入深部开采的行列， 情况，其中(a)描述了巷道顶部坍塌；(b)和(c)分 石嘴山一矿是有40多年开采史的老矿井，开 别反映巷道鼓胀破坏与地下水促进了对岩层应力 采深度已达750m,其中为下组煤及首采9煤层 腐蚀状况 收稿日期：2005-11-02修回日期：2006-02-20 2岩石物理与力学性质实验 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.10402033:No 实验主要分析砂岩、泥岩的矿物成分、物理性 50490271):教有部西部矿山开采与灾害控制重点实验室重点项 目(No.04S19):陕西省自然科学基金资助项目(N。.2003E213) 质及自然状态以及饱和状态下的力学及变形特 作者简介：来兴平(1971一)男，教授，博士 性，为开采扰动区巷道稳定性分析、计算以及最终 成功进行工程治理提供可靠的依据
西部矿区深部复杂应力环境下开采扰动区 松软岩层力学特性 来兴平12） 伍永平12） 任奋华3） 蔡美峰3） 1） 西安科技大学西安710054 2） 教育部西部矿井开采与灾害控制重点实验室西安710054 3） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 摘 要 对西部石嘴山一矿38区深部＋600m 轨道巷开采扰动区进行了全面的工程地质调查． 采用 MOTIC－BA300POL 型偏光显微镜等综合分析了砂岩、泥岩的矿物成分、物理性质、自然状态 以及饱和状态下的力学及变形特性．结合现场围岩变形、应力监测与构造异常探测等研究了深部 复杂应力环境下松软岩层力学特性． 关键词 西部矿区；深部开采；扰动区；现场监测；构造探测 分类号 TD315＋∙1 收稿日期：20051102 修回日期：20060220 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （No．10402033；No． 50490271）；教育部西部矿山开采与灾害控制重点实验室重点项 目（No．04JS19）；陕西省自然科学基金资助项目（No．2003E213） 作者简介：来兴平（1971－）男教授博士 在地下工程中复杂围岩环境条件出现具有 随机性．同时由于目前测试技术和水平所限对 已经探测到的大范围复杂环境条件下围岩的物理 力学性质及其变化的了解具有很大的局限性对 于较小尺度工程环境的变化还缺少有效的探测手 段．因此一旦出现工程对象综合属性改变构成 复杂围岩环境条件就会引发安全问题或留下安 全隐患．在矿山井巷施工中、因复杂围岩环境条 件导致的人身伤亡事故占有相当大的比重或已经 成为人身伤亡的首要因素由复杂围岩环境安全 问题导致的设计方案变更和无效工程造成的直接 经济损失高达数千万元．由此可见复杂围岩环 境是影响地下工程安全和经济与否的重要因素 在一定程度上已经成为了制约地下工程安全性与 合理性的主导因素．根据我国煤矿的地质条件、 开采技术水平、矿压分布特征等一般采深在800 m 及以上或软岩矿井采深600m 以上为深部开 采［14］．随着对煤炭需求的日益增加西北某些矿 区浅部煤炭资源枯竭面临着“煤竭矿衰”的境地 因而逐步进入深部开采的行列． 石嘴山一矿是有40多年开采史的老矿井开 采深度已达750m其中为下组煤及首采9＃煤层 现采用综合机械化开采为其服务的38区＋600 m 轨道巷处于550m其开采扰动区（Excavation Disturbed ZoneEDZ）内围岩松软矿压显现非常 剧烈巷道底臌很大（最大达1∙2m）开采扰动影 响严重．如何有效加固＋600m 巷道的围岩控制 其变形并保持长期稳定使其真正有效、安全地发 挥作用对石嘴山一矿乃至宁夏煤业集团的安全 绩效具有举足轻重的作用这一问题亟待解 决［56］．通过对石嘴山一矿38区＋600m 轨道巷 全面、系统的工程地质调查、岩石力学实验、综合 的监测与探测等为现场工程治理和解决采掘接 续和安全开采提供了科学的依据． 1 现场工程与地质环境特征 石嘴山一矿38区＋600m 轨道巷开采扰动 区工程特征概括为：（1） 采深大；（2） 岩层软弱破 碎；（3） 构造与应力复杂；（4） 高瓦斯；（5） 地下水 耦合作用问题严重．图1简单描述了＋600m 轨 道巷工程与地质环境．图2描述了工程现场破坏 情况其中（a）描述了巷道顶部坍塌；（b）和（c）分 别反映巷道鼓胀破坏与地下水促进了对岩层应力 腐蚀状况． 2 岩石物理与力学性质实验 实验主要分析砂岩、泥岩的矿物成分、物理性 质及自然状态以及饱和状态下的力学及变形特 性为开采扰动区巷道稳定性分析、计算以及最终 成功进行工程治理提供可靠的依据． 第28卷 第4期 2006年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．4 Apr．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．04．002
Vol.28 No.4 来兴平等：西部矿区深部复杂应力环境下开采扰动区松软岩层力学特性 .313. 38区+680轨道巷二 690m 720m 640m F<85 H:2 m 南翼立风并中央石门 G5(613.523) 680m 38区600m轨道巷 G4(612,505) G2气811.797) T101(694.466) G1812.797) 680m 3651中运顺 T501(691.241) F364,<85H2m F364<6H4.5m- 620m 640m 图138区十600m巷道巷EDZ工程地质与环境特征 Fig.1 The engineering and environmental characteristics of the No.38 EDZ at the depth of 600m (b) 图2轨道巷工程现场破坏情况 Fig.2 Imsitu collapsing conditions of the roadway 2.1岩石成分分析 变形破坏过程，寻找其对工程注浆的应力腐蚀（物 煤岩体的物质成分、岩性组构是决定其力学 理化学作用)和时效性（浆体凝固时间等）的影响 与工程性质的内在属性78].为了准确而详细地 机制.采用MOTIC BA3 OOPOL型偏光显微镜对 分析砂岩、泥岩的矿物成分，从煤岩的微观结构出 岩石样本在无应力EF-Plan放大条件下进行单 发，研究岩石的物质成分对力学特性、强度特征、 偏光观察.图3描述了砂岩和泥岩在不同尺度下 图3砂岩与泥岩结构显微特征描述.(a)砂岩；(b)砂岩残蚀；()砂岩裂理；(d)泥岩 Fig.3 Microscopical photos of sandstone and mud-stone 结构与组分显微特征， 并与对比，对采集的数据进行计算处理与分析，最 同时，又采用D/MAXTA型X射线衍射仪对 终得出岩石成分，如表1所示. 泥岩进行成分分析1.D/MA文rA型X射线衍射 2.2岩石力学特性实验 仪的高频高压X射线发生器对岩块产生的衍射 随着开采深度的增加，岩石破坏机理也随之 谱(C,K谱线)数字化记录进行分析处理，X射 转化，由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转 线衍射仪自动控制衍射系统作连续扫描，同时进 化为深部开采条件下由侧向应力控制的断裂生长 行数据采集，对所得的衍射谱进行谱图加减、合 破坏，实际上就是由浅部的动态破坏转化成为深
图1 38区＋600m 巷道巷 EDZ 工程地质与环境特征 Fig．1 The engineering and environmental characteristics of the No．38EDZ at the depth of600m 图2 轨道巷工程现场破坏情况 Fig．2 In-situ collapsing conditions of the roadway 2∙1 岩石成分分析 煤岩体的物质成分、岩性组构是决定其力学 与工程性质的内在属性［78］．为了准确而详细地 分析砂岩、泥岩的矿物成分从煤岩的微观结构出 发研究岩石的物质成分对力学特性、强度特征、 变形破坏过程寻找其对工程注浆的应力腐蚀（物 理化学作用）和时效性（浆体凝固时间等）的影响 机制．采用 MOTIC－BA300POL 型偏光显微镜对 岩石样本在无应力 EF－Plan 放大条件下进行单 偏光观察．图3描述了砂岩和泥岩在不同尺度下 图3 砂岩与泥岩结构显微特征描述．（a） 砂岩；（b） 砂岩残蚀；（c） 砂岩裂理；（d） 泥岩 Fig．3 Microscopical photos of sandstone and mud-stone 结构与组分显微特征． 同时又采用 D／MA〜XrA 型 X 射线衍射仪对 泥岩进行成分分析［9］．D／MA〜XrA 型 X 射线衍射 仪的高频高压 X 射线发生器对岩块产生的衍射 谱（CuK 谱线）数字化记录进行分析处理．X 射 线衍射仪自动控制衍射系统作连续扫描同时进 行数据采集．对所得的衍射谱进行谱图加减、合 并与对比对采集的数据进行计算处理与分析最 终得出岩石成分如表1所示． 2∙2 岩石力学特性实验 随着开采深度的增加岩石破坏机理也随之 转化由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转 化为深部开采条件下由侧向应力控制的断裂生长 破坏实际上就是由浅部的动态破坏转化成为深 Vol．28No．4 来兴平等： 西部矿区深部复杂应力环境下开采扰动区松软岩层力学特性 ·313·
,314 北京科技大学学报 2006年第4期 表1岩石成分和结构特征 Table 1 Characteristics of composition and texture of rock 岩石类型 组分 主要结构和特征 石英 表面裂纹较发育，可能为沿层理受力而致，约占50%以上· 岩屑 有少量多晶石英岩岩屑，泥质岩屑涓云母化严重，约占10%~15%. 细砂岩 长石 以钾长石为主，部分边缘有碳酸盐化，约占8%. 杂基 基底式，有重结晶现象，部分已对长石，石英，碎屑，占15%~20%. 云母 为白云母，占5%左右： 石英 占50%以上；多为同沉积形式，碳酸盐化明显，占15%左右. 长石 以钾长石为主，少量斜长石，约占5%~8%左右 中细砂岩 云母 占5%左右：重矿物，以黄铁矿为主，大多呈立方体形，占1一3%. 杂基 重结晶较明显，与泥质岩屑有假胶结现象，占15%左右· 泥岩 凝灰岩 伊利石含7%，高龄石5%，石英5%，铁白云石79%，黄铁矿2% 部的准静态破坏，以及由浅部的脆性力学响应转 现，随着碎屑颗粒（石英）含量的增加，岩石的强度 化为深部的潜在的延性行为力学响应10].岩体 增强，细粒的片状矿物（云母、蒙脱石和高岭石 工程活动不可避免地造成局部岩体的破坏，这对 等)增多，岩石的刚性减小.图4描述了+600m 工程加固过程中渗透特性有很大的影响山.为 轨道巷砂岩和泥岩的应力与应变演化规律，为定 此，要进行有效注浆耦合加固，必须了解其应力与 量确定合理注浆加固与耦合支护参数提供定量化 应变演化规律.与岩石成分实验结果对照分析发 依据. 27.5 35 25.0 (a) (b) 22.5 30 20.0 15.0 12.5 10.0 一试件1 7.5 10 ◆试件2 -砂岩抗均线 5.0 试件3 一拟合线 2.5 0 20040060080010001200 005 101520253035 E/% /MPa 24 40 (c) (d) 21 砂指湿抗剪曲线 35 一泥岩抗剪曲线 一拟合线 304 一拟合曲线 15 3 0 5 101内20广253035 0610202530340 @/MPa o/MPa 图4砂岩和泥岩的飞关系实验曲线 Fig.4 Stress-strain experimental curve of sandstone and mud-stone 形)、两帮相对移近量（反映水平变形）、“顶一帮” 3 现场监测设计与分析 和“底一帮”变形量（反映巷道挤压、收缩与底臌） 根据现场工程实际，对十600m轨道巷监测 3.1变形监测 进行收缩变形监测、压力监测和构造异常探测三 在轨道巷布置了8个(1#~8#)表面位移监 个部分.图5(a)是监测站布置工程平面布局情 测断面，38区+600m轨道巷由于开采深度较大， 况，变形监测分为巷道表面测量和巷道深部围岩 工程地质环境复杂，造成围岩变形也非常复杂 运动变化，包括顶底板相对移近量（反映垂直变 图5(b)是监测巷道下沉变形，图5(c),(d)分别描
表1 岩石成分和结构特征 Table1 Characteristics of composition and texture of rock 岩石类型 组分 主要结构和特征 石英 表面裂纹较发育可能为沿层理受力而致约占50％以上． 岩屑 有少量多晶石英岩岩屑泥质岩屑涓云母化严重约占10％～15％． 细砂岩 长石 以钾长石为主部分边缘有碳酸盐化约占8％． 杂基 基底式有重结晶现象部分已对长石石英碎屑占15％～20％． 云母 为白云母占5％左右． 石英 占50％以上；多为同沉积形式碳酸盐化明显占15％左右． 中细砂岩 长石 以钾长石为主少量斜长石约占5％～8％左右． 云母 占5％左右；重矿物以黄铁矿为主大多呈立方体形占1～3％． 杂基 重结晶较明显与泥质岩屑有假胶结现象占15％左右． 泥岩 凝灰岩 伊利石含7％高岭石5％石英5％铁白云石79％黄铁矿2％． 部的准静态破坏以及由浅部的脆性力学响应转 化为深部的潜在的延性行为力学响应［10］．岩体 工程活动不可避免地造成局部岩体的破坏这对 工程加固过程中渗透特性有很大的影响［11］．为 此要进行有效注浆耦合加固必须了解其应力与 应变演化规律．与岩石成分实验结果对照分析发 现随着碎屑颗粒（石英）含量的增加岩石的强度 增强．细粒的片状矿物（云母、蒙脱石和高岭石 等）增多岩石的刚性减小．图4描述了＋600m 轨道巷砂岩和泥岩的应力与应变演化规律为定 量确定合理注浆加固与耦合支护参数提供定量化 依据． 图4 砂岩和泥岩的 σ－ε关系实验曲线 Fig．4 Stress-strain experimental curve of sandstone and mud-stone 3 现场监测设计与分析 根据现场工程实际对＋600m 轨道巷监测 进行收缩变形监测、压力监测和构造异常探测三 个部分．图5（a）是监测站布置工程平面布局情 况变形监测分为巷道表面测量和巷道深部围岩 运动变化包括顶底板相对移近量（反映垂直变 形）、两帮相对移近量（反映水平变形）、“顶－帮” 和“底－帮”变形量（反映巷道挤压、收缩与底臌）． 3∙1 变形监测 在轨道巷布置了8个（1＃～8＃）表面位移监 测断面38区＋600m 轨道巷由于开采深度较大 工程地质环境复杂造成围岩变形也非常复杂． 图5（b）是监测巷道下沉变形图5（c）（d）分别描 ·314· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第4期
Vol.28 No.4 来兴平等：西部矿区深部复杂应力环境下开采扰动区松软岩层力学特性 .315. 述了监测巷道顶底下沉变形、左右“顶一帮”和“底 变形阶段，同时，地质构造和断层以及断层水也对 一帮”围岩最大挤压变形统计规律.由图可见， 其施加了不同的耦合作用，使得左右两帮出现拉 1#,2#和3监测断面距离掘进面较远，巷道下沉 伸和收敛变形，且存在异常变形现象，这就说明该 和变形较大，究其原因主要是巷道已经进入二次 区域内有构造或断层作用， LA-A 单位 1025 2674042291 5本G44443421本8h+12 阁侧：△收效监测上州补测结。应力测量G4构造探测 (©)现场综合监测（点）布置 (b)岩层下沉监测 8 ■26测线 ■46测线 "_"收敛变形： ”“收敛变形： “+”拉伸变形 “+”拉伸变形 ■12测线 ■14测线 1 -500 5001000 600-500-400-300-200-1000100200 最大累计收缩-拉伸变形mm 累计收敛变形量mm (©)左右“顶-帮”变形 (d左右“底-帮”变形 图5开采扰动区内巷道不同部位挤压变形规律 Fig.5 Comparison of the regular of squeezing deformation in EDZ 3.2应力监测与分析 事故的教训3=1].在十600m轨道巷附近从G4 查明地壳的地应力大小和方向是采矿工程的 测点向南已施工104m,轨道巷迎头岩石（泥岩、 基础，总的来看，地壳中垂直地应力的分布规律 高岭石泥岩)破碎，易冒，而且小断层发育，综合分 比较简单，即垂直应力随深度增加呈线性增大，而 析预计，轨道巷已进入F1断层破碎带，有构造或 水平应力的变化规律比较复杂].为了准确预 断层水以及瓦斯等有害气体的耦合作用，因此， 计开采扰动中围岩应力演化趋势，在轨道巷设置 为了预防F1断层面的水和有害气体突然涌出，确 了2个(I,Ⅱ)应力测站进行监测，每个监测站在 保安全生产，对600m轨道巷进行构造异常与断 巷道左右两侧岩墙上分设2个应力监测仪器.其 层水进行了探测.探放F1断层且疏放F1断层面 中I,Ⅱ应力监测站相距11.5m,I测站与1#收 的水及有害气体，并探明了下组9煤的位置及厚 缩变形测站相距26.1m,图6是现场应力监测结 果与统计规律，从图中可看出，在巷道掘进过程 10 中，由2*，3*表围岩压力增加迅速，经35d围岩 8 o3表 变形，1,3,4表基本趋于稳定，而2表仍保 6 持增长趋势，2表受F1断层及小断层破碎带影 1*表 4 响导致围岩压力持续上升：右帮压力达11.2 4 MPa,左帮压力达7.1MPa,最大压力差为6.8 MPa,巷道两帮压力呈现非对称分布，从而造成巷 10152025303540 时间d 道两帮及顶板挤压和扭曲变形. 3.3构造异常探测 图6现场应力监测结果 鉴于近年来由于构造探测不清造成了多矿难 Fig.6 Result of imsitu stress monitoring
述了监测巷道顶－底下沉变形、左右“顶－帮”和“底 －帮” 围岩最大挤压变形统计规律．由图可见 1＃2＃和3＃监测断面距离掘进面较远巷道下沉 和变形较大．究其原因主要是巷道已经进入二次 变形阶段同时地质构造和断层以及断层水也对 其施加了不同的耦合作用使得左右两帮出现拉 伸和收敛变形且存在异常变形现象这就说明该 区域内有构造或断层作用． 图5 开采扰动区内巷道不同部位挤压变形规律 Fig．5 Comparison of the regular of squeezing deformation in EDZ 3∙2 应力监测与分析 查明地壳的地应力大小和方向是采矿工程的 基础．总的来看地壳中垂直地应力的分布规律 比较简单即垂直应力随深度增加呈线性增大而 水平应力的变化规律比较复杂［12］．为了准确预 计开采扰动中围岩应力演化趋势在轨道巷设置 了2个（ⅠⅡ）应力测站进行监测每个监测站在 巷道左右两侧岩墙上分设2个应力监测仪器．其 中ⅠⅡ应力监测站相距11∙5mⅠ测站与1＃收 缩变形测站相距26∙1m．图6是现场应力监测结 果与统计规律．从图中可看出在巷道掘进过程 中由2＃3＃表围岩压力增加迅速经35d 围岩 变形1＃3＃4＃表基本趋于稳定而2＃表仍保 持增长趋势2＃表受 F11断层及小断层破碎带影 响导致围岩压力持续上升；右帮压力达 11∙2 MPa左帮压力达7∙1MPa最大压力差为6∙8 MPa巷道两帮压力呈现非对称分布从而造成巷 道两帮及顶板挤压和扭曲变形． 3∙3 构造异常探测 鉴于近年来由于构造探测不清造成了多矿难 事故的教训［1314］．在＋600m 轨道巷附近从 G4 图6 现场应力监测结果 Fig．6 Result of in-situ stress monitoring 测点向南已施工104m轨道巷迎头岩石（泥岩、 高岭石泥岩）破碎易冒而且小断层发育综合分 析预计轨道巷已进入 F11断层破碎带有构造或 断层水以及瓦斯等有害气体的耦合作用．因此 为了预防F11断层面的水和有害气体突然涌出确 保安全生产对600m 轨道巷进行构造异常与断 层水进行了探测．探放 F11断层且疏放 F11断层面 的水及有害气体并探明了下组9＃煤的位置及厚 Vol．28No．4 来兴平等： 西部矿区深部复杂应力环境下开采扰动区松软岩层力学特性 ·315·
,316 北京科技大学学报 2006年第4期 度，现场探测表明，7,8#层煤顶板中砂岩组成 中国环境科学出版社，2002：179 和厚度较稳定（一般为2.4~7.0m),最大涌水量 [2]冯夏庭.深部大型地下工程开采与利用中的几个关键岩石 为52.8m3h-1;在4*~9层煤的含水层中，含 力学问题∥科学前沿与未来，第175次香山科学会议.北 京：中国环境科学出版社，2002：202 水性不均，浅部风化破碎带含水较大，向深部逐渐 [3]Kidybinski A,DubinskiJ.Strata Control in Deep Mines.Rot- 减溺，单位最大涌水量为0.044Ls1m1;在 terdam:AA Balkema.1990:1 F11的构造带中存在一定耦合作用，采用开采面积 [4]Bronw E T.Hoek E.Trends in relationships between mea 法求得38采区预计涌水量为22m3h-1. sured rock in situ stress and depth.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1978.15:211 4结论 [5]来兴平.西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害控制，北京 科技大学学报，2004,26(1)：1 轨道巷处于大采深、岩层软弱破碎、构造与应 [6]周宏伟，谢和平，左建平，深部高地应力下岩石力学行为 力复杂、高瓦斯、地下水耦合作用等问题严重的地 研究进展.力学进展，2005,35(1)：91 质与工程环境之中，通过实验、监测和定性与定 [7]孟召平，彭苏平，屈洪亮·煤层顶底板岩石成分和结构与 其力学性质的关系.岩石力学与工程学报，2000,19(2)： 量分析结果表明，岩石的物质成分对力学特性、强 136 度特征、变形破坏过程和后期工程注浆的时效性 [8]黄德发，王宗敏，杨彬，等.地层注浆堵加固施工技术.江 有密切关系，尤其对达到高强度支护效果的可注 苏：中国矿业大学出版社，2003：367 性起很大作用.同时，开采扰动下巷道下沉和变 [9]西安科技大学，教有部西部矿井开采与灾害控制重点实验 形比较大，地质构造和断层以及断层水也对其施 室，宁夏煤业集团石嘴山一矿·高应力松软复杂岩层稳定 加了不同的耦合作用，使得左右两帮围岩存在的 性控制及综合支护研究报告.西安：西安科技大学，2006 [10]谢和平，彭苏萍，何满潮.深部开采基础理论与工程实 挤压和收缩变形大小和速率也不相同，且存在异 践.北京：科学技术出版社，2006：15 常突变变形，因而在后期的开挖过程中一定要加 [11]王金安，孟召平，彭苏平.岩石三轴全应力应变过程中的 强构造异常与地下水的探测与综合预测 渗透规律.北京科技大学学报，2001,23(6)：489 [12]Cai M F.Techniques for in situ stress measurement at great 致谢感谢教育部西部矿井开采与灾害控制 depth.JUniv Sci Technol Beijing.2004.6(11):486 [13]来兴平.开采扰动下大尺度采空区衍生动力灾害监测与 重点实验室的苏普正和地质工程实验室的姚改换 控制[博士后研究工作报告]·北京：北京科技大学，2005 [14]宁夏石嘴山矿务局一矿，安徽煤田地质局物探测量队，宁 参考文献 夏石嘴山矿务局一矿旷南部采区二维地震勘探报告，宁夏 [1]谢和平.深部高应力下的开采一现状，基础科学问题与 石嘴山矿务局一矿，1999 展望∥科学前沿与未来，第175次香山科学会议.北京： Mechanical characteristics of soft -rock at excavation disturbed zone in the com- plex stress environment of deep mining in the western coal mine region of China LAI Xingping2),WU Yongping2),REN Fenhua,CAI Meifeng 1)Energy School.Xi'an University of Science and Technology.Xi'an 710054.China 2)West Mining and Havard Control Key Laboratory.the Ministry of Education.Xian 710054.China 3)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI This paper investigated the comprehensive in situ engineering and environmental characteris- tics of No.38 excavation disturbed zone(EDZ)at the depth of 600 m in Shizuishan Mine in western China. The mineral composition,physical characteristics and mechanical properties in nature and saturation condi- tions of sandstone and mud-stone were analyzed by microscope and material testing machine.The collapsing regularity and stress characteristics of soft rock in the complex stress environment of deep mining were quantificationally gained based on deformation and stress monitoring and tectonic detecting. KEY WORDS western coal region:deep mining:disturbed zone;in situ monitoring;tectonic detection
度．现场探测表明7＃8＃ 层煤顶板中砂岩组成 和厚度较稳定（一般为2∙4～7∙0m）最大涌水量 为52∙8m 3·h －1 ；在4＃ ～9＃ 层煤的含水层中含 水性不均浅部风化破碎带含水较大向深部逐渐 减弱单位最大涌水量为0∙044L·s －1·m －1 ；在 F11的构造带中存在一定耦合作用采用开采面积 法求得38采区预计涌水量为22m 3·h －1． 4 结论 轨道巷处于大采深、岩层软弱破碎、构造与应 力复杂、高瓦斯、地下水耦合作用等问题严重的地 质与工程环境之中．通过实验、监测和定性与定 量分析结果表明岩石的物质成分对力学特性、强 度特征、变形破坏过程和后期工程注浆的时效性 有密切关系尤其对达到高强度支护效果的可注 性起很大作用．同时开采扰动下巷道下沉和变 形比较大地质构造和断层以及断层水也对其施 加了不同的耦合作用使得左右两帮围岩存在的 挤压和收缩变形大小和速率也不相同且存在异 常突变变形因而在后期的开挖过程中一定要加 强构造异常与地下水的探测与综合预测． 致谢 感谢教育部西部矿井开采与灾害控制 重点实验室的苏普正和地质工程实验室的姚改换． 参 考 文 献 ［1］ 谢和平．深部高应力下的开采－－－现状、基础科学问题与 展望∥科学前沿与未来第175次香山科学会议．北京： 中国环境科学出版社2002：179 ［2］ 冯夏庭．深部大型地下工程开采与利用中的几个关键岩石 力学问题∥科学前沿与未来第175次香山科学会议．北 京：中国环境科学出版社2002：202 ［3］ Kidybinski ADubinski J．Strata Control in Deep Mines．Rotterdam：A A Balkema1990：1 ［4］ Bronw E THoek E．Trends in relationships between measured rock in situ stress and depth．Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr197815：211 ［5］ 来兴平．西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害控制．北京 科技大学学报200426（1）：1 ［6］ 周宏伟谢和平左建平．深部高地应力下岩石力学行为 研究进展．力学进展200535（1）：91 ［7］ 孟召平彭苏平屈洪亮．煤层顶底板岩石成分和结构与 其力学性质的关系．岩石力学与工程学报200019（2）： 136 ［8］ 黄德发王宗敏杨彬等．地层注浆堵加固施工技术．江 苏：中国矿业大学出版社2003：367 ［9］ 西安科技大学教育部西部矿井开采与灾害控制重点实验 室宁夏煤业集团石嘴山一矿．高应力松软复杂岩层稳定 性控制及综合支护研究报告．西安：西安科技大学2006 ［10］ 谢和平彭苏萍何满潮．深部开采基础理论与工程实 践．北京：科学技术出版社2006：15 ［11］ 王金安孟召平彭苏平．岩石三轴全应力应变过程中的 渗透规律．北京科技大学学报200123（6）：489 ［12］ Cai M F．Techniques for in-situ stress measurement at great depth．J Univ Sci Technol Beijing20046（11）：486 ［13］ 来兴平．开采扰动下大尺度采空区衍生动力灾害监测与 控制［博士后研究工作报告］．北京：北京科技大学2005 ［14］ 宁夏石嘴山矿务局一矿安徽煤田地质局物探测量队．宁 夏石嘴山矿务局一矿南部采区二维地震勘探报告．宁夏 石嘴山矿务局一矿1999 Mechanical characteristics of soft-rock at excavation disturbed zone in the complex stress environment of deep mining in the western coal mine region of China LAI Xingping 12）W U Yongping 12）REN Fenhua 3）CAI Meifeng 3） 1） Energy SchoolXi’an University of Science and TechnologyXi’an710054China 2） West Mining and Hazard Control Key Laboratorythe Ministry of EducationXi’an710054China 3） Civil and Environmental Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT This paper investigated the comprehensive in-situ engineering and environmental characteristics of No．38excavation disturbed zone （EDZ） at the depth of600m in Shizuishan Mine in western China． The mineral compositionphysical characteristics and mechanical properties in nature and saturation conditions of sandstone and mud-stone were analyzed by microscope and material testing machine．The collapsing regularity and stress characteristics of soft rock in the complex stress environment of deep mining were quantificationally gained based on deformation and stress monitoring and tectonic detecting． KEY WORDS western coal region；deep mining；disturbed zone；in-situ monitoring；tectonic detection ·316· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第4期