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1‚2） 伍永平1‚2） 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 Zone‚EDZ）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