煤系岩石中沉积岩中的节理与断层控制

1、煤系岩石中沉积岩中的节理与断层控制论文摘要：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的正断层。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200300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，东部煤田一般未受扰动，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层剪切带并生层内

3、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。在长壁工作面开采时，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。 在采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大应力造成的。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h/v=3,而=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水平-垂直应力比是和逆断层相联系的，如

4、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，立井矿柱中的逆断层附近，可能有相当大的应力在井底车场巷道施工中，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，这一频率与岩石的岩性、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），对于页岩和泥岩在50150之间，对于砂岩在200以上，因为砂岩

5、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，该处的岩石将会在重力作用下松脱。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采应力下，顶板稳定性和自稳时间愈来愈取决于顶板岩块的松脱。这种趋向一部分可以通过科学方法来研究，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

6、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。 解理的频度依煤的品位、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面。 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破环因素