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淺談煤系地層巖石的性質(zhì)
論文關(guān)鍵詞：巖石斷層節(jié)理解理
論文摘要：由于各種巖石的破壞特性不同，因此沉積巖層中的工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計是很復(fù)雜的。巖石的破壞不只是和原巖的變形有關(guān)。沉積巖中含有層理面（通常本身含有接觸面或其他剪切帶）、斷層、節(jié)理和其他不連續(xù)面。這些都影響巖石，特別是較堅硬巖石的性質(zhì)。本文就這幾點進行如下論述。
雖然在煤系巖石中，剪切帶是最重要的地質(zhì)構(gòu)造，但巖石還包含其他的構(gòu)造。這些構(gòu)造會在很大程度上與煤礦地下結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生相互影響。這些問題很難用一般的方法進行討論。但考慮它們之間的一些關(guān)系還是十分有用的。
在相對地未受干擾的煤系地層中，大多數(shù)斷層是與垂直方向呈傾斜600～700的正斷層。這一部分是由于與煤系形成的沉積旋回有關(guān)的上翹曲和下翹曲造成的。在發(fā)生侵蝕的地方，也可能出現(xiàn)與垂直方向成200～300的逆斷層。這兩種類型的運動被地質(zhì)學(xué)家分別命名為造陸運動和造山運動。
在英國煤系地層中，東部煤田一般未受擾動，而西部煤田特別是南威爾斯正處于海西尼（Hercynian)造山運動階段。在這兩種情況下，斷層和所有其他構(gòu)造一般都遵循這一主要運動形式。因此，在英國東部主要煤田中，構(gòu)造是由后石炭二疊紀運動決定的。該運動造成了由走向北東、北西向狹窄的斷裂背斜所切割的大面積淺盆地。
斷層的工程意義是變化的，在正斷層情況下，存在水沿斷層面流動的可能性。根據(jù)沿斷層運動的程度，被剪切的地層可從簡單的分離變化到主要斷層剪切帶并生層內(nèi)剪切帶。因為造成剪切的最大主應(yīng)力方向是垂直的，所以也可能在一些正斷層附近存在有高的垂直應(yīng)力和低的水平應(yīng)力，它將導(dǎo)致巷道的破壞。在長壁工作面開采時，因為從最經(jīng)濟的角度出發(fā)，工作面總是布置成平行于斷層方向，而回采巷道總是緊靠斷層帶，所以巷道的破壞將會加劇。然而正斷層最主要的在于它的存在和它對礦井系統(tǒng)的影響。
在采礦工程中逆斷層具有更重要的影響，因為它們主要是由水平方向最大應(yīng)力造成的。按其性質(zhì)和必須克服高的被動垂直應(yīng)力，這一水平應(yīng)力必須很大，其比值可以通過考慮在蘭金被動條件下，當бh/бv=3,而ø=300時的破壞來說明，此時的巖石強度最低。值得注意的是實際中許多高的水平-垂直應(yīng)力比是和逆斷層相聯(lián)系的，如果這樣高的應(yīng)力比存在于一定深度條件下，那么它們可能造成嚴重的工程問題。在南威爾斯的阿貝納特煤礦，立井礦柱中的逆斷層附近，可能有相當大的應(yīng)力在井底車場巷道施工中，在該處遇到很大的困難。
大多數(shù)沉積巖中的節(jié)理與斷層方向大致平行，這是英國煤系地層中的情況。節(jié)理是裂隙或者裂縫，它們和斷層不同，沿節(jié)理沒有可見運動，它們的頻率比斷層要大幾個數(shù)量級。普賴斯指出，這一頻率與巖石的巖性、層厚和構(gòu)造變形的程度有關(guān)。
普賴斯證明前面提出的巖石中的節(jié)理數(shù)與巖石所能貯存的應(yīng)變能力與強度/模量比，或者與其倒數(shù)常用的模量/強度比有關(guān)。后者對煤來說特別低（<50），對于頁巖和泥巖在50～150之間，對于砂巖在200以上，因為砂巖層一般比頁巖和煤層厚。普賴斯提出了巖層厚度和節(jié)理間距之間的一個近似的線性關(guān)系，這在某種程度上解釋了煤中的節(jié)理間距要比砂巖中的小得多。
由于煤系沉積旋回層是由厚度和巖性廣泛變化的巖層的各沉積循環(huán)所組成，所以預(yù)期的節(jié)理頻度也將是廣泛變化的。
從工程角度來看，節(jié)理是很重要的。特別是在受拉的頂板內(nèi)，它們將形成潛在的弱面，該處的巖石將會在重力作用下松脫。由于水的流動和表面氧化降低了穩(wěn)定性，這些弱面將隨著時間推移而惡化。在通常不足以造成整體巖石破壞的一般開采應(yīng)力下，頂板穩(wěn)定性和自穩(wěn)時間愈來愈取決于頂板巖塊的松脫。這種趨向一部分可以通過科學(xué)方法來研究，而另一部分可以使用經(jīng)驗方法
煤中的節(jié)理稱為解理面。解理面一般平行于局部節(jié)理形式呈現(xiàn)出垂直于層理面的兩組解理面，這兩組解理之間基本上互成直角。主要的解理稱為主解理，它的貫通程度很高。在英國，主解理具有“西北”這樣一個非常固定的方向。較小的解理也稱為短而不清楚的解理或叉解理，它們的貫通程度很差，和主解理相比它們的方向往往是不變的。兩種解理面一般充填有次生沉積物，通常是方解石或鐵質(zhì)白云石。
解理的頻度依煤的品位、煤的地質(zhì)年代和煤的類型而變化。例如，在干凈、明亮、低揮發(fā)分的高品位煤中，解理的頻度可達每米210面。在暗的，高有機物、低品位煤中，特別是含有暗煤硬質(zhì)粘土時，它的頻度低到每米只有15面。
關(guān)于解理的成因，從成巖的壓實、煤化過程到構(gòu)造力作用，存在各種不同的理論。解理方向和其他構(gòu)造之間存在密切的相互關(guān)系，在此就不作詳談。就是因為這種密切的相互關(guān)系使得解理在采礦作業(yè)中顯得非常重要，特別是現(xiàn)代采礦作業(yè)。從最經(jīng)濟的角度出發(fā)，長壁工作面趨向于和最大或最小斷層方向平行布置，這就意味著工作面將趨向于與解理方向平行。長壁工作面前方的支承壓力往往足以引起剪切和拉伸而造成頂板、煤層和底板的破壞。當它與長壁工作面相交的角度很小時將造成附加解理，由此而造成的工作面和頂板的片幫冒落是確定工作面穩(wěn)定的一個主要因素。
結(jié)語：就上述所言，我們不難而知控制煤系巖石變形和破環(huán)因素是十分重要的，我們不能滿足于手里所掌握的資料，而要在煤礦開采的實際應(yīng)力條件下，應(yīng)該說變形特征的定性描述比強度的定量描述更有價值。
參考文獻：I.W.法默.著，田家裕.等譯，煤礦地下結(jié)構(gòu)[M]煤炭工業(yè)出版社1990年11月
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