内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆索拉力测试与分析测试方案及初期测试成果汇报.doc

内蒙古银宏能源开发有限公司泊江海子矿井内蒙古银宏能源开发有限公司泊江海子矿井 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/ /索拉力测试与分析索拉力测试与分析 测试方案及初期测试成果汇报测试方案及初期测试成果汇报 泊 江 海 子 矿 安徽理工大学科研组 2011 年 4 月 29 日 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 I 页 目录 目录目录 .............................................................................................................................................................I 1泊江海子矿井工程地质概况泊江海子矿井工程地质概况..........................................................................................................1 1.1泊江海子井田概况.....................................................................................................................1 1.1.1地形、地貌及水系 ...........................................................................................................1 1.1.2地貌及水系 .......................................................................................................................1 1.1.3气象 ...................................................................................................................................1 1.2东胜煤田区域地质.....................................................................................................................1 1.3泊江海子井田地层及煤层.........................................................................................................3 1.3.1地层 ...................................................................................................................................3 1.3.2含煤地层 ...........................................................................................................................3 1.4泊江海子井田地质构造.............................................................................................................4 1.5水文地质条件.............................................................................................................................5 1.5.1矿井涌水量预计 ...............................................................................................................5 1.5.2矿区水文地质勘查结果总结 ...........................................................................................5 1.6煤质.............................................................................................................................................6 1.6.1煤的宏观特征 ...................................................................................................................6 1.6.2煤岩特征 ...........................................................................................................................6 1.7煤层顶底板岩石的工程地质特征.............................................................................................6 1.8瓦斯、煤尘、煤的自燃、地温及其它.....................................................................................7 1.8.1瓦斯 ...................................................................................................................................7 1.8.2煤尘 ...................................................................................................................................7 1.8.3煤的自燃 ...........................................................................................................................8 1.8.4地温 ...................................................................................................................................8 1.9矿井建设、生产影响因素.........................................................................................................8 1.9.1矿井将面临的自然灾害 ...................................................................................................8 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 II 页 1.9.2井下巷道支护难度大 .......................................................................................................9 2井底车场巷道支护方式井底车场巷道支护方式................................................................................................................10 2.1巷道布置...................................................................................................................................10 2.2主要支护形式...........................................................................................................................10 2.2.1设计支护形式 .................................................................................................................10 3地应力测试方案地应力测试方案............................................................................................................................18 3.1进行原始地应力测试的重要性...............................................................................................18 3.2原始地应力的基本特征...........................................................................................................18 3.2.1地应力相关的几个基本概念 .........................................................................................18 3.2.2地应力分布的若干规律 .................................................................................................19 3.3原始地应力基本特征分析.......................................................................................................19 3.3.1自重应力赋存特征分析 .................................................................................................20 3.3.2构造应力赋存特征分析 .................................................................................................21 3.3.3原始地应力的最终形态 .................................................................................................22 3.4现有地应力测试方法概况.......................................................................................................22 3.4.1应力恢复法 .....................................................................................................................23 3.4.2应力解除法 .....................................................................................................................23 3.4.3水压致裂法 .....................................................................................................................24 3.4.4地球物理方法 .................................................................................................................24 3.4.5地质测绘法 .....................................................................................................................25 3.5现有地应力测试方法评述.......................................................................................................25 3.5.1间接测试法 .....................................................................................................................25 3.5.2地质测绘法 .....................................................................................................................26 3.5.3直接测试法 .....................................................................................................................26 3.6泊江海子矿井地应力测试方案...............................................................................................26 3.6.1地应力测试方法的选择 .................................................................................................26 3.6.2“深埋压力盒法”主要使用仪器 .................................................................................27 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 III 页 3.6.3“深埋压力盒法”基本原理 .........................................................................................29 3.6.4地应力测试方案及步骤 .................................................................................................31 4巷道围岩松动圈测试方案巷道围岩松动圈测试方案............................................................................................................32 4.1进行围岩松动圈测试的重要意义...........................................................................................32 4.2测试仪器及原理.......................................................................................................................32 4.2.1测试仪器 .........................................................................................................................32 4.2.2测试原理 .........................................................................................................................33 4.2.3测试步骤 .........................................................................................................................33 5锚杆锚杆/锚索拉力测试方案锚索拉力测试方案...............................................................................................................35 5.1锚杆及锚索拉力测试的重要性...............................................................................................35 5.2测试仪器及测试方案...............................................................................................................35 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 1 页 1泊江海子矿井工程地质概况 泊江海子矿井的地质条件涉及内容很多，与巷道及硐室掘进、采煤工作面开采关 系比较密切的有如下几个方面。 1.1 泊江海子井田概况 1.1.1地形、地貌及水系 泊江海子井田位于鄂尔多斯高原之西北部，区域性地表分水岭 “东胜梁”的北侧。 属黄土高原地带。区内地形总体趋势是南高北低，在此基础上又表现为西高东低。最 高点位于勘查区西北部，海拔标高为 1505.92m；最低点位于勘查区中部 UN21 号孔附 近，海拔标高为 1372.5m。最大地形标高差为 133.42m；一般地形海拔标高在 1420～1380m 之间，一般地形标高差为 40m 左右。 1.1.2地貌及水系 井田属高原半沙漠地貌特征，大部分地区为风积沙，第四系广泛分布，志丹群基 岩仅在本区西北部梁峁地区零星出露，区内植被稀疏，为半荒漠地区。 区内沟谷仅有井田西南部的鸡沟河，为一季节性沟谷，枯水季节一般干涸无水， 但在丰雨季节，可形成短暂的溪流或洪流，洪流具有历时短、流量较大的特点。由西 北向东南流出区外。 1.1.3气象 井田气候特征属于半干旱的温带高原大陆性气候，太阳辐射强烈，日照丰富，干 燥少雨，风大沙多，无霜期短。冬季漫长而寒冷，夏季炎热而短暂，春季回暖升温快， 秋季气温下降显著，当地最高气温 36.6℃,最低气温为-27.9℃；年降水量为 194.7～531.6mm，平均为 396.0 mm，且多集中于 7、8、9 三个月内；年蒸发量为 2297.4～2833mm，平均为 2534.2mm，年蒸发量为年降水量的 5～10 倍。区内风多雨 少，最大风速为 14m/s，一般风速 2.2～5.2m/s，且以西北风为主。冻结期一般从 10 月 份开始至次年 5 月份，最大冻土深度为 1.71m，最大沙尘暴日为 40 天/年。 1.2 东胜煤田区域地质 东胜煤田地层划分属于华北地层区鄂尔多斯分区，具体位置处于高头窑小区和乌 审旗小区的交界地带。泊江海子井田处于高头窑小区与乌审旗小区的交界处，如下图 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 2 页 所示。 图 1-1 东胜煤田位置示意图 东胜煤田大地构造分区属于华北地台鄂尔多斯台向斜东胜隆起区,具体位置处于东 胜隆起区中东部。其构造形式总体为一宽缓的大向斜构造（台向斜） ，核部偏西，中部、 东部广大地区基本为水平岩层。东胜煤田基本构造形态为一向南西倾斜的单斜构造， 岩层倾角 13，褶皱、断层不发育，但局部有微弱的波状起伏，无岩浆岩侵入， 属构造简单型煤田。 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 3 页 图 1-2 东胜煤田区域构造图 1.3 泊江海子井田地层及煤层 1.3.1地层 井田位于东胜煤田的西北边缘，新生代地质营力的作用在井田内表现的较为强烈， 上部地层遭受剥蚀。区内地层由老至新发育有三叠系上统延长组（T3y） 、侏罗系中 下统延安组（J1-2y） 、侏罗系中统（J2） 、白垩系下统志丹群（K1zh）和第四系（Q） 。 1.3.2含煤地层 井田含煤地层为侏罗系中下统延安组（J1-2y） ，其沉积基底为三叠系上统延长组 T3y。依据沉积旋回和岩性组合特征可划分为三个岩段，现详述如下 第一岩段（J1-2y1） 位于延安组下部，从延安组底界至 51 煤层顶板，地层厚度 55.12～119.80m，平 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 4 页 均 74.08m，岩性下部为灰白色中粗粒石英砂岩，局部含细砾，砂岩成份以石英为主， 分选好，具大型交错层理，中上部为灰白色细粒砂岩、粉砂岩及深灰色砂质泥岩、泥 岩互层，具水平纹理及平行层理，含 5、6 煤组，含煤 1～5 层，其中 51 煤层为区内 主要可采煤层，其余煤层均为不可采煤层。 第二岩段（J1-2y2） 位于延安组中部，从 51 煤层顶板至 31 煤层顶板，地层厚度 56.09～80.08m， 平均 67.26m，岩性以灰白色中、细粒砂岩、深灰～灰黑色砂质泥岩、泥岩为主，砂岩 成分以石英、长石为主，富含岩屑、砂质泥岩及泥岩中富含植物化石，因其多为不完 整的茎叶部化石，难以确定属种。该岩段含 3、4 两个煤组，含煤 5 层，其中 31 和 42 煤层为井田内主要可采煤层，31 下、32、41 煤层为井田内次要可采煤层。 第三岩段（J1-2y3） 位于延安组上部，从 31 煤层顶板至延安组顶界，由于后期剥蚀,残存厚度变化较 大，据钻孔揭露,厚度 0～37.59m，平均 23.06m，岩性为灰白色粗、中粒砂岩，局部含 砾，夹深灰色粉砂岩、砂质泥岩，该岩段含 2 煤组，含煤 1～2 层，为不可采的薄煤层。 1.4 泊江海子井田地质构造 泊江海子井田位于东胜煤田的西北部边缘，其构造形态总体为一向北西倾斜的单 斜构造，倾向 N30～40W，地层倾角 1～3，地层产状沿走向及倾向均有一定变 化，但变化不大。沿走向发育有宽缓的波状起伏，区内未发现大的断裂和褶皱构造， 本次通过二维地震，井田内断裂构造不发育, 无大的断裂构造，仅发现有 6 个落差 3～13m 的断点（详述如下）多位于先期开采地段以外，对未来矿井开采影响不大。 井田内也无岩浆岩侵入。综合评价井田构造属简单类型。 1 DF1 正断层位于井田西南部 UN07 号孔西北 300 余 m 处，断层走向 NWW， 倾向 SSW，倾角 69，落差 13m，区内延伸 430m。 2 DF2 正断层位于井田西南部 UN17 号孔西南 80m 处，断层走向 NWW，倾向 NNE，倾角 68，落差 3m，区内延伸 240m。 3 DF3 正断层位于井田南部 UN16 号孔东南约 340m 处，断层走向 NWW，倾向 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 5 页 NNE，倾角 72，落差 3m，区内延伸 270m。 4 DF4 正断层位于井田东南部 UN33 号孔东北 250m 处，断层走向 NW，倾向 SW,倾角 62,落差 5m,区内延伸 285m。 5 DF5 正断层位于井田东南部 UN32 号孔西北约 350m 处，断层走向 NW，倾向 NE，倾角 73，落差 3m，区内延伸 350m。 6 DF6 正断层位于井田东北部边界以外，断层走向 NW，倾向 NE，倾角 40， 落差 7m，延伸长度 550m。 1.5 水文地质条件 1.5.1矿井涌水量预计 含水层参数如下 渗透系数K0.0141 m/d， 水柱高度H604.99 m； 含水层厚度M34.97 m； 开采引用半径r02067 m； 引用半径 R 1690 m； 矿井排水影半径R03757 m； 先期开采地段面积 F 13421581 （m2） 。 先期开采块段涌水量 Q 3050 （m3/d） 1.5.2矿区水文地质勘查结果总结 井田的直接充水含水层（J1-2y）以裂隙含水层为主，孔隙含水层次之，直接充水 含水层的富水性微弱，补给条件和径流条件较差，以区外承压水微弱的侧向径流为主 要充水水源，大气降水为次要充水水源；直接充水含水层的单位涌水量 q0.1L/sm（q0.00490L/sm） ，区内水库、湖泊等地表水体较少，沟谷没有常年地表 径流，雨季虽有溪流，但流量小，地表水库及河流与煤层的间距较大，平均在 500m 以 上，水文地质边界简单。 因此矿区水文地质勘查类型划分为第二类第一型, 即裂隙充水为主的、水文地质条 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 6 页 件简单的矿床。 1.6 煤质 1.6.1煤的宏观特征 区内煤呈黑色，条痕为褐黑色，沥青光泽，参差状、棱角状断口，内生裂隙较发 育，常为黄铁矿及方解石薄膜充填，煤层中见黄铁矿结核。条带状结构，层状构造。 宏观煤岩组分以暗煤、亮煤为主，见丝炭，属半暗型煤。 1.6.2煤岩特征 各煤层显微煤岩组分以镜质组为主，在 21.8～65.7，其次丝质组在 23.1～62.8 之间，半镜质组 3.0～20.3。三者之和一般在 95以上。稳定组分一般在 5以下。 各煤层原煤灰分 4.72～28.7，平均 11.59。 煤层挥发分31.42～43.56，平均 36.34。 煤层原煤含硫量在 0.102.56之间，平均 0.70。 原煤磷含量一般在 0.05以下。 煤层原煤高位发热量 21.7930.01MJ/kg。 煤层的煤灰软化温度在 10601360℃之间，以低熔灰分为主，其次为高熔及易熔灰 分。 粘结性、煤的焦渣类型为 2，粘结指数为 0，煤无粘结性。 以特低～低中灰煤、特低硫-低硫、特低磷煤-低磷不粘煤及长焰煤。 当反应温度为 950℃时，煤对 CO2 还原率在 73.996.1；热稳定性较高～高； 煤层的焦油产率（Tar,d）一般在 7以下，以含油煤为主，是良好的民用及动力用 煤良好的气化用煤 。 1.7 煤层顶底板岩石的工程地质特征 井田煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、粉砂岩，次为中、细粒砂岩。 砂质泥岩暴露地表易风化破碎，砂岩多为泥质填隙，硬度较小。 岩石物理、力学性质试验成果岩石的孔隙率 3.83～25.18，含水率为 0.137.89， 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 7 页 吸水率 0.116.65，抗压强度自然状态 9.153.0MPa，平均 27.2Mpa，吸水状态 4.6～14.8Mpa，平均 11.0Mpa。普氏系数 0.935.41，抗拉强度 0.555.54MPa，抗剪强 度 2.0316.55MPa，软化系数 0.08～0.55 。 自然状态下岩石的节理裂隙不太发育，岩芯较完整，但岩芯取出地表后易风化， 岩石质量指标（RQD）值较低，为 2556，平均 36；因此，自然状态下岩石的质 量等级为Ⅳ级，即岩石质量低劣，岩体完整性差。 由此可能引发的工程地质问题有 1 煤层底板软化变形煤层底板软化变形 根据邻区生产矿井资料以及本次地质勘探成果煤层直接底板多为一层泥岩，厚 度一般在 1m 以内，力学强度低，遇水易软化变形，对井下的煤炭生产及巷道中车辆的 运煤工作等会造成一定的影响。 2 煤层顶板冒落煤层顶板冒落 矿区煤层顶板岩石的力学强度低，以软弱岩石为主，稳固性较差，未来煤矿开采 形成采空区后，易发生顶板局部冒落及掉块现象，严重威胁井下生产人员的人身安全。 1.8 瓦斯、煤尘、煤的自燃、地温及其它 1.8.1瓦斯 据钻孔瓦斯测定成果可知，煤层 CH4 含量在 0.00～0.10ml/g燃，自然瓦斯成分中 CH4 为 0.00～56.63，瓦斯分带一般在 580m 深度以浅为二氧化碳～氮气带，580m 以 深为氮气沼气带。东胜煤田钻孔瓦斯测试成果一般浅部为二氧化碳氮气带，深 部氮气沼气带。本区煤层埋藏较深，所以未来煤矿生产过程中，应加强通风管理， 设置专人对井下瓦斯进行严密监测，防止井下通风不良使瓦斯局部富集，而造成人员 伤亡和不必要的经济损失。 1.8.2煤尘 区内各可采煤层的煤尘爆炸指数在 30～40，易发生煤尘爆炸。UN14 号钻孔中对 31、42、51 煤层进行了煤尘爆炸性试验。试验结果火焰长度大于 400mm 时， 抑止煤尘爆炸最低岩粉量为 60～70，煤尘有爆炸性，故本区有煤尘爆炸危险性。因 此在设计生产时应考虑防爆设施，并加强煤尘的预测工作，采取综合防尘措施，以防 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 8 页 事故发生。 1.8.3煤的自燃 煤层变质程度低，抗风化能力差，煤中丝炭组分多，氢含量低，无粘结性，吸氧 性强，尤其煤层裂隙中常含黄铁矿薄膜和黄铁矿结核，因此更易与空气中的氧发生化 学作用，使温度积累、升高，发生自燃。煤的自燃发火期为 40～60 天， 钻孔煤芯煤样中测试了煤层的自燃倾向等级，还原样着火温度（T1）在 288～332℃之间，还原样与氧化样着火温度之差（△T1-3）在 27～49℃，煤层自燃倾 向等级为易自燃～很易自燃。 1.8.4地温 区内变温带的深度在 0～60m 左右，变温带温度 9.6～13.0℃；恒温带深度在 60～120m 左右，恒温带地温 10.7～16.2℃；平均地温梯度 1.23～1.58℃/100m，平均 1.48℃/100m。在 UN03 号孔 720m 深处，地温最高为 25.7℃。本平均地温梯度小于 3℃ /100m，属地温正常区，未来井下开采无地热危害。 1.9 矿井建设、生产影响因素 1.9.1矿井将面临的自然灾害 水水 a、煤层回采后的冒落带高度不够； b、大气降水与第一、二含水层的关系； c、开采面积与矿井涌水量的关系。 火火 a、煤层的自燃发火期； b、巷道的支护形式； c、工作面的回采时间； 有害气体有害气体 a、N2 放电产生 N0---氧化生成 N02 易产生酸化；空气氧气浓度低于 18时，呼吸困难； 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 9 页 积聚后遇火产生爆炸。 b、CO2 易产生温室效应；加快呼吸速度，麻痹中枢神经，产生呼吸性酸中毒；空气氧气 浓度低于 17时，CO2 浓度大于 4时，造成大脑缺氧，产生肺水肿、脑水肿，造成 代谢性酸中毒。 c、瓦斯 井下通风不畅造成瓦斯积聚，产生事故。 1.9.2井下巷道支护难度大 虽然构造应力不能对巷道产生大的影响，但地应力和采动应力将给井下巷道支护 带来一定的难度； 随着矿井开采面积增大，井下涌水量增大，由于巷道围岩的特殊性，加大巷道的 变形量，也加大巷道得维修量。 安徽理工大学 内蒙泊江海子矿地应力、松动圈、锚杆/索拉力测试与分析 第 10 页 2井底车场巷道支护方式 2.1 巷道布置 泊江海子矿井风井井筒、风井井筒与井底车场连接处掘进施工完毕，即将施工井 底车场巷道，井底车场主要有风井绕道车场，副井环形车场及联络巷等。 风井绕道车场主要有东绕道 161.045m，西绕道 133.65m，断面型式半圆拱 5.4m4.4m，矸石仓皮带巷 134.665m，其中斜巷部分 70m。 副井环形井底车场共 1409.853m，主要有车场西大巷 344.021m,半圆拱断面，断面 型式 5.2m4.3m；空车线 85.8m，半圆拱断面，设计断面型式 5.2m4.3m；储车线 475.186m，半圆拱形断面，断面型式 5.2m4.3m；一号、二号调车巷 41.806*2 m,半圆 拱形断面，断面型式 4.03m；副井车场西联巷 280.950m，半圆拱形断面，断面型式 5.24.3 m；东运道 86.596 m，半圆拱形断面，断面型式 5.24.3m；一号交叉点长 18.8m,二号交叉点长 18.8m，三号交叉点长 20.1m，四号交叉点长 20.1m，五号交叉点 长 21.1 m，六号交叉点长 18.2m，七号交叉点长 18.2m。 井底车场标高为 803.5m。后附图 2-1 井底车场平面图。 2.2 主要支护形式 2.2.1设计支护形式 井底车场内，风井、副井相关的巷道主要采区锚网锚索喷射混凝土的