伊利诺斯州地下煤矿顶板岩体特征

Abdolreza Osouli1 bull; Iman Shafii1

接收时间:2015年7月1日/接收时间:2016年3月25日/在线发布时间:2016年4月7日

斯普林格出版社维恩2016年

在美国所有的地下煤田中，伊利诺斯州的地下煤田由于顶板岩石单元软弱且对水分极为敏感，顶板坍塌事件发生率最高。岩体特征分析是设计安全、经济的井下顶板控制措施的关键步骤。本文研究了基于性能的顶板岩体特性。考虑地质条件、地下矿山地理条件、顶板崩落分析、采矿方法、辅助顶板控制措施、顶板岩体单元的岩土特性等，将顶板性能与岩体特征联系起来。采用煤矿顶板分级(CMRR)岩体特征分析方法，对伊利诺斯州某煤矿顶板条件及顶板支护设计进行了评价。介绍和讨论了几次矿井访问图的结果、实验室测试结果以及岩土技术问题和关注事项。根据岩体特性分析了顶板支护设计，并与实测结果进行了比较。研究表明(1)CMRR指标是一种合理的顶板岩体表征方法;(2)在顶板条件较弱的矿山，水平方向的水敏性和层理强度是顶板支护设计的重要参数;(3)顶板锚杆系统分析在所研究矿井顶板支护设计中的适用性存在问题。

关键字 伊利诺斯州煤炭盆地地下采煤岩体特征研究

1介绍

根据煤矿安全与健康管理局(MSHA 2006)的一份报告，在美国煤矿每年发生的1500次顶板坠落中，伊利诺斯盆地的顶板坠落数量最多。屋顶倒塌是由于屋顶单元薄弱或支撑不足造成的。

岩体特性和岩层岩土特性是设计顶板支护和避免顶板倒塌的关键因素。理想的方法应该考虑不同屋顶单元的厚度和数量、屋顶层的湿度敏感性、岩石单元的剪切和压缩强度以及地下水的存在(Hill 2007)。这些参数可用岩石实验室试验或地下现场资料来获得。在任何一种情况下，都应考虑无侧限抗压强度(UCS)和岩石的湿度敏感性，以及层理面、节理集、滑面和其他不连续点的间距和频率。在这些参数中，水分敏感性是评价顶板稳定性的关键因素之一。在短期应用中，岩石的水敏性不一定会影响岩石强度;然而，在长期应用中，它可能会损坏岩石并导致强度降低(Mark and Molinda 2007)。岩体特征通过以下几个方面为岩土工程实践做出贡献:

• 它融合了多种岩石性质，反映了单一合理的岩体强度代表指标。因此，可以用一个指标来代替许多影响岩体质量的参数。
• 它有助于制定经验顶板控制准则，并为比较影响开挖区域稳定性的地质性质提供了一种有用的措施。
• 它有助于确定在没有支持的情况下进行挖掘的可行性。在面板开发过程中，没有顶板支撑的开挖(约6米)是常见的，称为扩展切割(Mark 1999)。

不同的岩体特征描述系统，如迪尔的RQD、比尼奥斯基的RMR、巴顿的Q质量指数和CMRR，已经被开发出来量化岩石的能力(比尼奥斯基1974,1976,1989;迪尔和米勒1966年;巴顿等，1974;Mark等，2001;Deb 2003;Palei和Das 2008)。自成立以来，它们被应用于各种目的，如加固设计或估计隧道或地下施工的站立时间(Lauffer 1958;Terzaghi 1946)。

对于煤矿，Molinda和Mark(1994)提出了一种称为煤矿顶板分级(CMRR)的具体分类系统，该系统主要基于美国阿巴拉契亚煤田的数据来表征顶板能力和设计顶板支护。与美国其他一些煤田相比，这些煤田的顶板通常性能更好。因此，CMRR及其配套的顶板支护设计在其他一些煤田的应用遇到了困难。在这些情况下，CMRR岩体特性被放弃或使用受到限制。

本研究的主要目的是系统地验证CMRR在伊利诺斯州某煤矿的适用性。摘要以某煤矿井下采煤为例，采用房柱开采法，研究了顶板岩体特征与顶板支护系统性能之间的关系。讨论了软弱、湿敏岩石岩体特征分析方法的优缺点，并用实测结果进行了验证。采用基于cmrr的“锚杆系统分析(ARBS)”方法，对所研究矿井的顶板控制方案进行了验证。

2岩体特征

2.1 CMRR背景

CMRR是在RMR的基础上发展起来的，适用于煤矿井下顶板岩石，是一个0 ~ 100%的指标，其中100%代表强顶板岩石和能干顶板岩石(Mark et al. 2001;Molinda等，2001)。CMRR反映具有和不具有水敏效应的岩体能力，分别为湿性CMRR和干性CMRR。如果矿山环境暴露在潮湿环境中，对水分敏感的顶板岩石退化较快。在此条件下，湿式CMRR代表顶板岩体的岩体质量指数。煤层上方没有含水顶板或者没有滴水的，认为矿井是干的;然后，dry CMRR代表岩体。在含湿性岩石的伊利诺斯煤盆地，可以观察到，在开采后很长一段时间内，由于矿井入口内湿度的增加，顶板岩石失去了强度(Osouli和Moradi 2015)。因此，对于开采后需要长时间保持开放状态的区域，采用湿式CMRR指标进行顶板控制设计。

CMRR是在对几个地下煤矿的顶板质量和所需顶板支护进行评估的基础上开发的，这些煤矿大多来自具有合格顶板单元的阿巴拉契亚煤田。因此，主要关注的是顶板单元较弱的煤矿顶板岩石的CMRR表征可能存在局限性。Calleja(2006)也注意到CMRR岩体特征表征方法应谨慎地应用于岩石特征与原始CMRR发展不相匹配的矿山。顶板岩体特征不正确可能导致顶板控制方案错误、顶板倒塌，从而增加维护费用。

CMRR方法已应用于许多地面控制相关的应用中。DeMarco(1994)利用CMRR设计了长壁开采的屈服柱栅路，Mark and Barczak(2000)利用CMRR对锚杆性能进行了评价。Colwell等(2003)将改良的CMRR应用于澳大利亚地下煤田。

CMRR可以通过地下信息或岩芯数据，以及实验室测试两步确定。在第一步中，确定了直接采矿顶板内每个顶板层的单位岩体等级。如式1所示，单位岩体等级是岩石强度、不连续强度和抗剪强度、多次不连续调整和水敏度的函数。这些数据可以通过顶板裸露区域在井下探矿时确定。在难以接近该矿的情况下，可使用钻孔岩心数据和岩石实验室试验。在第二步中，将螺栓连接区间内所有单元评级的基于厚度的加权平均报告为CMRR指数。本文中螺栓间距是指螺栓打入的顶板岩石的厚度，如图1所示。该图还显示了基于单位额定值的CMRR计算过程。第2.2节和2.3节分别讨论了根据地下信息和岩心数据确定单位等级的细节。

单位评级frac14;ffrac12;岩石强度;不连续面强度eth;spacing persistenceTHORN;;不连续面抗剪强度eth;cohesion roughnessTHORN;;

多个不连续的调整;水分敏感扣除

eth;1THORN;

2.2基于地下信息的CMRR

为了确定螺栓间距内的CMRR，需要对螺栓间距内的层进行单元评级。螺栓间距是指螺栓打入顶板岩石的厚度，如图1所示。岩石强度等级、不连续强度等级和不连续抗剪强度等级之和为单元等级。在地下信息法中，岩层的强度是根据Williamson(1984)的方法根据球钉锤在岩石表面的脚印来确定的，如图2a所示。表1给出了基于球头锤试验的岩石强度等级。剪切强度(粘聚力)、粗糙度、间距和内部不连续的持久性用图2b进行检验。不连续强度的评估使用的标准程序定义的岩体特征(ISRM 1982)。表2显示了基于地下信息的层理/不连续强度等级(Mark et al. 2002)。

直接作用于顶板(即煤层上方岩石)的最临界荷载一般为侧向荷载，是由覆岩荷载向顶板柱转移所产生的水平应力引起的(Mark and Barczak 2000)。因此，代表顶板承受水平应力能力的不连续/层理抗剪强度应作为煤层顶板岩体特征的一部分。不连续性的抗剪强度(内聚力)是用9厘米的石匠凿和分离器测量的，并计算劈理层所需的凿击次数。如果劈裂层理所需的吹风次数为1-3、4-7或大于7，则指定不连续面的抗剪强度为弱，

(一)

(b)

图2基于球头锤试验的岩石强度指标(2010年CMRR手册修订后)。b确定剪切强度(粘合力)、粗糙度、间距和内部不连续的持久性的度量(在CMRR手册2010之后修改)

分别是中等和强壮。如果床上用品太薄，不需要任何凿击来劈开，则称为光滑面床上用品(见图2b)。顺层表面粗糙度分为锯齿状、波浪状和平面状三大类，如图2所示(Barton et al. 1974)。层理/不连续性抗剪强度等级是根据表3 (Mark et al. 2002)中的不连续性抗剪强度参数(即黏聚力和粗糙度)确定的。

还应用了两个调整，包括多个不连续点的影响和岩石的湿度敏感性。多个不连续点会削弱屋顶单元;

表1基于UCS和球头锤试验计算CMRR的岩石强度等级

因此，表4所示的调整适用于单位额定值。为了考虑岩石的湿度敏感性，表5所示的调整适用于单元额定值。湿度敏感性的调整是根据对岩石样品进行的浸水试验或倾斜耐久性试验(ASTM D1280和ASTM D4644)确定的。例如，为了澄清起见，假设图1中的第1层有两组不连续点，根据浸泡指数或表5中Slake耐久性试验结果，将其归类为对水分暴露“微敏感”。如果层内的两组不连续性具有表6所示的特征，则利用表2和表3确定层1的两组不连续性的不连续性等级分别为39和33。由于两组的不连续性额定值都小于40，因此根据表4，所需的调整为-4。因此，确定第1层的不连续性等级为29(即， 33 - 4)，作为两个集的较小的不连续度。如果球钉锤试验显示第1层为“篮板”强度等级，则该层强度等级为30，如表1所示。第1层的单元等级是由不连续和强度等级之和减去-3的水敏调整量来确定的，根据表5，对于一个稍微敏感的分类层。因此，确定第1层的单位额定值为56(即,29日?30 - 3).对于螺栓连接区间内的第2层、第3层和第4层，必须按照此过程计算顶板层的CMRR，如图1所示。

2.3基于钻芯程序的CMRR

与用地下信息法测定CMRR相似，对各层内的单元进行评级

表3利用地下资料计算CMRR时，基于黏聚力和粗糙度的不连续剪切强度等级

锯齿状的 35 29 24 10

波浪 35 27 20. 10

平面 35 25 16 10

表4利用地下信息计算CMRR的多次不连续调整

螺栓间距应确定。在岩心法中，每个顶板岩层的单元定级是通过岩心样品的岩石力学实验室测试以及钻孔日志信息确定的。在这种情况下，单位额定值为各层抗压强度额定值和不连续性额定值之和。抗压强度等级计算基于UCS试验，使用图3。由于轴向点载荷(APL)指数与UCS相关，且APL制备样品较UCS简单，成本较低，因此可以选择使用APL测试结果。Rusnak和Mark(2000)建议APL应该乘以21来估计USC，这是基于对美国6个州超过10,000个岩心测试的评估。然而，Osouli等(2014b)对11 ~ 21种不同岩石类型推荐了不同的转换因子

英语原文共 21 页

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