Mechanical response analysis of surrounding rock bearing structure of soft rock roadway based on full-length anchorage
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摘要:
为研究高应力软岩巷道围岩在全长锚杆锚固后围岩力学承载结构的稳定性，考虑软岩峰后强度软化时的扩容特性和全长锚固锚杆受力边界条件，建立了全长锚固锚杆力学模型，推导得到锚杆受力解析式。并通过将锚固力等效为体积力的形式建立了全长锚固围岩力学模型，将其由浅及深依次划分为锚固残余区、锚固塑性软化区、非锚固塑性软化区及弹性区，推导了各分区的应力表达式。结合工程算例分析了空间效应、扩容系数、锚杆长度和托盘反力等因素对围岩应力和锚杆受力的影响规律。结果表明：受空间效应影响，巷道变形破坏呈现渐进式发育，借此提出了“锚固调控区”的概念，即在全长锚固锚杆支护过程中，围岩的虚拟支护力和锚固力处于此消彼长的状态，从而抑制围岩应力向深部转移，有效减小了塑性区范围。锚杆安装时机越早，作用于杆体的围岩变形越大，且与围岩之间更易形成共同承载体；锚杆轴力与扩容系数呈正比关系，随着扩容系数增大，锚固力增长速率显著加快，保证了锚杆对围岩径向应力的恢复作用；锚杆长度越大，围岩/锚固剂界面粘结范围越广，使得沿杆体的轴力分布及其峰值明显增大，进而使围岩切向应力峰值区向洞壁方向偏移；全长锚固锚杆托盘反力对残余区和塑性区边界的影响较小，其作用主要体现在改善锚杆受力情况，充分发挥锚杆锚固作用及护表能力。
Abstract:A mechanical model of full-length anchoring bolt is established to study the stability of mechanical bearing structure of surrounding rock in high stress soft rock roadway after full-length anchoring bolt. The model considers the dilatancy characteristics of soft rock post-peak strength softening and the stress boundary conditions of full-length bolt, and the analytical formula of bolt stress is derived. Furthermore, the mechanical model of full-length anchored surrounding rock is established by equivalent the anchoring force to the form of volume force. From shallow to deep, it is divided into anchorage residual zone, anchorage plastic softening zone, non-anchorage plastic softening zone and elastic zone, and the stress expression of each zone is deduced. Combined with engineering examples, the influence of space effect, expansion coefficient, bolt length and tray reaction force on surrounding rock stress and bolt stress is analyzed. The results show that under the influence of spatial effect, the deformation and failure of roadway presents progressive development. The concept of ' anchorage control zone ' is proposed, that is, in the process of full-length bolt support, the virtual support force and anchoring force of surrounding rock are in a state of reciprocal growth and decline, thus inhibiting the transfer of surrounding rock stress to the deep and effectively reducing the plastic zone. The earlier the anchor bolt is installed, the greater the deformation of the surrounding rock acting on the rod body, and the easier it is to form a common bearing body with the surrounding rock. The axial force of the anchor bolt is proportional to the expansion coefficient. With the increase of the expansion coefficient, the growth rate of the anchoring force is significantly accelerated, which ensures the recovery effect of the anchor bolt on the radial stress of the surrounding rock. The axial force distribution and peak value of the rod body will increase with the increase of the length of the bolt and the bonding range of the surrounding rock/anchoring agent interface, and then the peak area of the tangential stress of the surrounding rock will shift to the direction of the tunnel wall. The effect of the reaction force of the full-length bolt tray is mainly reflected in improving the stress of the bolt, giving full play to the anchoring effect of the bolt and the ability to protect the surface, and having little effect on the boundary of the residual zone and the plastic zone.
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0. 引 言
煤炭是一种形成过程极其复杂的特殊沉积有机岩石，可在其形成过程中富集多种战略性金属元素，在特殊地质和地球化学条件下形成“煤系战略性金属矿床”[1-5]。战略性金属矿产在新材料、新能源、现代信息技术和国防军工等新兴产业具有不可替代性，对国民经济的持续发展和国防安全有着直接的关系[6-7]。由于传统战略性金属矿产资源储量相对较少，全球战略性金属矿产资源日趋紧缺，供应风险高，而煤系战略性金属矿产资源不断被发现，作为传统战略性金属矿产的重要补充资源，世界各国对煤系战略性金属矿产高度重视，使其成为新型战略性金属矿产资源勘查的重要领域和重要方向[1-2]。由于不同类型煤系战略性金属矿产的成矿过程、赋存环境和组合形式不同，其时空分布呈现分区成带的基本特点[8]。前人对中国煤系战略性金属矿产（铀、锂、镓、锗、铌、锆、镓、稀土）的分布特征进行了研究，东北赋煤区煤中主要富集锗矿产，其主要分布在内蒙古胜利煤田乌兰图嘎矿区及伊敏煤田五牧场矿区。华北赋煤区主要富集煤系镓、锂、铀等矿产，煤系镓（铝）矿产主要分布在鄂尔多斯盆地北部准格尔煤田，煤系锂矿产主要分布在山西宁武、平朔等矿区，煤系铀矿产主要分布在鄂尔多斯盆地东胜矿区。西北赋煤区主要富集煤系镓、铀等矿产，煤系镓（铝）矿产主要分布在吐哈盆地等地区，煤系铀矿床主要分布在吐哈盆地十红滩、伊犁盆地南缘。华南赋煤区主要富集煤系镓、铌、锆、稀土等矿产，煤系锂矿产主要分布在广西上林万福矿区、扶绥煤田；铌、锆、镓、稀土多金属共富集矿产主要分布在川东、黔西以及滇东等地区。滇藏赋煤区主要富集煤中锗、煤系铀、镓等矿产，煤中锗和煤系铀主要分布在云南临沧地区[1,8-10]。
目前煤炭资源勘查技术方法体系已比较成熟，中国煤炭地质总局依据中国煤炭资源的赋存特征及勘查特点，结合勘查项目实践，提出了煤炭资源综合勘查技术新体系[11]。曹代勇等[12-15]划分了4大类煤矿床勘查区类型，总结了不同勘查类型的基本特征，建立了勘查手段组合、勘查程序及勘查工程布置等相应的勘查模式。由于煤系战略性金属矿产与煤层的空间共存关系，煤系战略性金属矿产通常与煤层共同勘查，部分学者探讨了煤系矿产综合勘查/协同勘查技术方法。李增学等[16-17]提出了煤系矿产固态、液态、气态和分散元素“四位一体”协同勘查的基本思路和煤系多位态矿产资源的协同勘查系统。杨伟利[18]和王毅等[19]针对鄂尔多斯盆地多能源矿产的成矿背景、特点及赋存特征等划分了不同的协同勘探区，提出了相应的协同勘探方法。王怀洪等[20]对黄河北巨厚覆盖区多矿种协同勘查理论与技术体系开展了研究，取得了黄河北煤田煤层下富铁矿深部找矿成果。王佟等[21-22]建立煤与煤系共伴生矿产、煤盆地其他矿产协同勘查模式，强调在关注“煤”的同时，加强多矿产聚集规律和各类资源在整个煤系的研究，促进煤系及煤盆地多矿产资源进行协同勘查。笔者等[23]针对煤系矿产划分了煤与煤系异体固体矿产、煤与煤系同体固体矿产、煤与煤系气矿产、煤与砂岩型铀矿的组合类型，建立了相应的综合勘查模式。
由于不同类型煤系战略性金属矿产的成矿过程、赋存环境和组合形式专属性特征不同及其地球物理性质的差异，因此传统的或单一的勘查技术难以适应多样性的煤系关键金属矿床的勘查。为实现煤与煤系战略性金属矿产协同勘查经济效益最大化和勘查方法最优化，在前人研究成果的基础上，总结了煤与煤系战略性金属矿产的主要组合类型及其基本特征，探讨了煤与煤系战略性金属矿产协同勘查原理及方法，以期为我国煤与煤系战略性金属矿产的勘查工作提供理论基础。
1. 煤与煤系战略性金属矿产主要组合类型
含煤岩系发育的时−空差异性及特定的成矿机制，决定了煤系矿产资源的共生组合关系。根据前人对煤系矿产资源的划分及组合关系的探讨[24-26]，从煤系战略性金属矿产的赋存状态角度出发，以煤与煤系战略性金属矿产现今赋存层位为依据，划分了煤与煤系战略性金属矿产煤−锗、煤−锂、煤−镓、煤−铀及煤−铌、锆、镓、稀土等主要组合类型（表1）。
表 1 我国煤与煤系战略性金属矿产主要组合类型时空分布特征Table 1. Distribution characteristics of coal and strategic metal resources in coal-bearing strata in China组合类型 典型地区 赋存层位 文献 煤−铀 鄂尔多斯盆地东胜矿区 延安组（煤岩型铀矿床） [27-28] 鄂尔多斯盆地大营矿区 直罗组（砂岩型铀矿床） [29] 伊犁盆地库捷尔太矿区 西山窑组（砂岩型铀矿床） [30] 伊犁盆地洪海沟矿区 西山窑组（煤岩型铀矿床） [31] 煤−锂 宁武安太堡矿区 二叠系山西组、太原组煤层 [33] 煤−锂、镓 广西上林万福矿区 二叠系上统合山组煤层及顶底板、夹矸和底部炭质泥岩 [32] 煤−镓、铝 新疆准东煤田 侏罗系煤层及顶底板、夹矸 [34] 内蒙古准格尔黑岱沟 二叠系山西组、太原组煤层及顶底板、夹矸 [9] 煤−锗 云南临沧 新近系帮卖组煤层 [35] 内蒙古伊敏五牧场矿区 白垩系大磨拐河组煤层 [36] 内蒙古乌兰图嘎矿区 白垩系赛汉塔拉组煤层 [37] 煤−铌、锆、镓、稀土 贵州月亮田煤矿 二叠系龙潭组煤层 [41] 云南宣威 二叠系宣威组煤层及底部火山灰蚀变黏土岩夹矸 [38-39] 四川华蓥山 二叠系龙潭组煤层 [40] 川南煤田 二叠系宣威组煤层 [40] 煤−铀矿床组合类型主要分布在鄂尔多斯盆地东胜矿区[27-28]、内蒙古大营矿区[29]、伊犁盆地库捷尔太矿区[30-31]；煤−锂矿床组合类型主要分布在广西上林万福矿区[32]、山西宁武煤田[33]；煤−镓（铝）矿床组合类型主要分布在新疆准东煤田[34]、内蒙古准格尔煤田[9]；煤−锗矿床组合类型主要分布在云南临沧[35]、内蒙古五牧场矿区[36]、内蒙古乌兰图嘎矿区[37]；煤−铌、锆、镓、稀土多金属共富集矿床组合类型主要分布在云南宣威[38-39]、川南煤田[40]、四川华蓥山[40]等。
1.1 内蒙古大营矿区煤−铀矿床组合类型
内蒙古大营矿区位于鄂尔多斯盆地东北部，属于高原丘陵区的剥蚀堆积地貌[42]。大营铀矿床构造简单，总体上受近东西向分布的褶皱及局部正断层控制，断裂规模较小[43]。直罗组底部砂体规模较大，大营矿区找矿目的层主要为直罗组下段（J2z1），包括下亚段（J2z1-1）和上亚段（J2z1-2），大营矿区铀矿化主要赋存在直罗组上亚段的砂岩中[43]（图1）。在研究区内直罗组下亚段和上亚段的岩性主要为厚层砂体，下亚段砂体的粒度偏粗，顶部常发育薄煤层。
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1.2 广西上林万福矿区煤−锂、镓矿床组合类型
广西上林万福矿区位于贤按向斜西南端，地层倾角35°～75°，南段稍缓，北段较陡，且有往深部变缓的趋势[44]。二叠系上统合山组（P3h）为含煤地层，发现有煤矿床和煤型锂、镓矿床，共含煤5层。在二叠系合山组K1、K2、K3、K4、K5煤层及煤层顶底板、炭质泥岩、含炭泥岩、铝土岩、铁铝岩等发现锂、镓共伴生矿层。目前发现的锂矿层共有4个，从下至上分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿层，镓矿层主要分布层位与锂矿层相同（图2）。
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1.3 内蒙古乌兰图嘎矿区煤−锗矿床组合类型
乌兰图嘎矿区位于胜利煤田西南端，区内地层产状较平缓，为近水平～微倾单斜构造，断层构造较发育，无岩浆活动[37,46]。区内出露地层由老到新为白垩系下统巴彦花群和新生界。本区主要含煤地层为赛汉塔拉组（K1bs），包括6上、6-1、6-2煤层（图3）。6-1煤层为矿区的主要可采煤层，属稳定煤层，锗主要赋存在6-1煤层中，与褐煤属于同体共生矿产；6上、6-2煤层为局部赋存零星可采，属不稳定煤层。
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1.4 川南—黔西—滇东地区煤−铌、锆、镓、稀土矿床组合类型
在中国西南地区晚二叠世煤中分布大规模的碱性火山灰蚀变黏土岩（Tonstein），主要为滇东黔西宣威组底部K1、K3煤层[48-50]、四川华蓥山矿区龙潭组K1煤层[51-54]、重庆松藻矿区龙潭组煤层[55-57]，高度富集铌、锆、镓、稀土等多种关键金属。基于碱性Tonsteins在自然伽马曲线上表现正异常特征，DAI等在云南东部上二叠统宣威组发现厚度为5～8 m（局部达10 m以上）高度富集铌、锆、镓、稀土等多金属矿床[58]。以滇东地区宣威组煤为例，其中煤−铌、锆、镓、稀土共富集矿床主要赋存在宣威组(P3x)下部（煤层下部）及玄武岩组上部的火山蚀变黏土岩、凝灰质黏土岩和凝灰岩中[5]（图4）。
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2. 煤与煤系战略性金属矿产协同勘查原理
2.1 煤与煤系战略性金属矿产协同勘查意义
煤系中战略性金属元素的分散性和微量性，以及其与煤共生共存的特性，决定其很难作为一种独立矿种进行勘查开发，因此，进行煤与煤系战略性金属矿产的协同勘查是一条理论可据、经济合理、技术可行的必由途径。协同勘查是指多矿种的协同和技术方法的协同，在勘查部署的理论指导、技术方法的协同运用、最大效益的获得、矿产资源开发利用等诸多领域都具有重要意义[17-19]。前人已经提出了多种矿产协同勘查的理论，王毅等[19]提出多种能源矿产同盆共存富集成矿体系和协同勘探，突出矿产地质理论的重要性。李增学等[17]强调协同勘查要重视勘查理论的研究，在盆地多种矿产共生、共存富集的研究方面，突出研究的理论性、综合性和实用性。杨伟利等在多能源矿产的成矿背景、赋存规律及勘探理论等基础上，基于经济效益最大化和勘探方法最优化原则，建立了鄂尔多斯盆地多种能源矿产的协同勘探模式[18]。
煤与煤系战略性金属矿产的协同勘查要综合分析不同勘查技术方法在勘查区的合理性及适用性，进行技术方法的优化管理，互相验证，取长补短，优势互补；要依据固体矿产勘查规范、矿产地质勘查等相关规范；要遵循固体矿产勘查的一般原则；要遵循煤与煤系战略性金属矿产的协同勘查原则；要注重绿色协同勘查。绿色协同勘查系统包括协同勘查理论及技术方法的协同性，只有从理论和技术方法都具有科学性的协同和生态环境的协同，才能实现绿色协同勘查[22,59]。在煤与煤系战略性金属矿产的协同勘查过程中，选择有利于生态环境保护的勘查技术方法，在满足地质勘查目的和安全施工的前提条件下，实现对生态环境不良影响的最小化，推动煤与煤系战略性金属矿产协同勘查的绿色发展[60]。
2.2 勘查技术的响应原理与特征
不同岩石及矿产具有各自的地球物理特性，其对地球物理探测的响应特征存在差异性。煤层的放射性很低，但随着灰分的增加，放射性增强，弹性波在煤层中的传播偏低，且煤层密度低于岩层密度，煤层在测井曲线上的物性特征显著，呈现出电阻率高、声波时差大、密度值低、自然伽马值低等特征[61]。煤层是一个典型的低速薄层，煤层与上下岩层波阻抗差异明显，通过高分辨的反射地震剖面，可以实现对薄煤层的探测，煤质变化及煤层变薄均会使煤层反射波变差，波阻抗差异性变小，可以据此圈定煤层的变薄段[62]。
煤型铀矿床的铀赋存于煤层中，具有高放射性，煤中铀在测井曲线上电阻率、声波时差、密度值与煤层同特征，因此煤中铀呈现出自然伽马值高、电阻率高、声波时差大、密度值低等特征。砂岩型铀矿床通常产于砂岩、砂砾岩等碎屑岩中，通过自然伽马测井可以测量自然伽马射线的总强度，其放射性水平主要取决于铀、钍、钾的含量[63]。砂岩型铀矿放射性异常层具有高自然伽马值，一般情况下砂岩粒度越粗，其自然伽马值越低，密度值、三侧向电阻率值越高[64-65]。自然伽马能谱测井可根据铀、钍、钾含量的差别对放射性地层进一步细分，铀系释放1.76 MeV的伽马射线，钍系释放2.62 MeV的伽马射线，钾释放1.46 MeV的伽马射线，三种特征能量的伽马射线可以作为识别和测定铀、钍、钾的标志[66]。在铀含量较高的砂层中，伽马能谱测量表现出铀含量高，钍和钾含量低[67]。测井曲线的响应特征并不是绝对的，还受到地质条件、矿石形态、矿石富集程度及电位变化等多种因素的影响[68]。砂岩型铀矿床的氧化还原作用会引起岩石磁性的变化，通常还原带砂体以+2价磁铁矿和黄铁矿为主，具有较强磁性，在还原带或氧化还原过渡带磁性相对于氧化带要高[69]。
利用声波测井和高精度地震测量煤岩的弹性参数，体积模量与模量比的交叉图作为解释模板可以定量解释煤岩中勃姆石含量，再通过勃姆石和镓之间的相关性，可以定量解释煤岩中镓含量，故将其特征作为间接寻找煤中镓的地球物理标识[70]。
由于铌、钽、锆、铪、重稀土伴生元素为高场强元素，在变质和蚀变过程中相对稳定，会在火山灰沉积、蚀变过程中相对富集，碱性火山灰蚀变黏土岩中钍、铀含量较高，自然伽马测井曲线在碱性火山灰成因的铌−锆−镓−稀土矿层呈现高度正异常，将该地球物理响应特征作为寻找铌−锆−镓−稀土矿层的地球物理标识[1,5]。
3. 煤与煤系战略性金属矿产协同勘查方法
由于不同类型的煤系战略性金属矿产的成矿过程、赋存环境及组合形式专属性特征不同及其地球物理性质的差异，其与煤协同勘查的技术方法选择也不同。为了实现协同勘查工作经济效益最大化和勘查效果最优化，针对煤−铀、煤−锂、镓、煤−锗、煤−铌、锆、镓、稀土多金属矿床等主要组合类型，提出合理的煤与煤系战略性金属矿产协同勘查的技术方法，查明煤与煤系战略性金属矿产品位、分布、赋存状态及矿物组合类型等。
根据地形、地质及地物条件的差异，合理选择遥感技术、地质填图、山地工程、地面物探（地震、电磁）、钻探工程、测井和岩石地球化学等勘查技术方法是实现煤与不同类型煤系战略性金属矿产精细协同勘查的关键（图5）[62]。
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图 5 煤与煤系战略性金属矿产协同勘查技术方法Figure 5. Collaborative exploration method of coal and strategic metal resources in coal-bearing strata3.1 煤炭勘查技术方法
在煤炭地质勘查工作中选择各种技术方法，要注意综合运用。要以各阶段勘查任务为最终目标，因地制宜选择技术方法。常规的煤炭勘查技术方法包括遥感、地质填图、山地工程、地面物探（地震、电磁）、钻探、测井及岩石地球化学等。
遥感技术是通过对电磁波的吸收、反射及辐射呈现不同的特征，且在不直接接触物体的情况下，通过物体所反射和发射的电磁波感知和探测其性质，远距离识别目标进行不同地质岩性及构造的识别[71]。地质填图是通过对天然露头和工程揭露点进行系统的观测，调查勘查区内的地层、构造、煤层及其他有益矿产情况。在裸露和半裸露地区，应在探槽、探井及地面物探配合下进行地质填图[62]。山地工程是地质勘查暴露区或半暴露区重要的勘查技术方法，用于揭露被表土覆盖的含煤地层。地震勘探是利用人工激发的弹性波在不同地层的传播规律，以及通过界面的反射、折射查明地层及煤层的埋深、构造形态、断层、褶皱、陷落柱及岩性组成等[72]。电磁勘探是利用电磁场的变化特征，判断地下物质组成和结构[70]。钻探工程是地质勘查中使用最普遍和最常用的勘查技术方法。能直观揭露整个含煤地层，获得煤层、煤质、构造、水文地质、工程地质及其它开采技术条件等方面的资料[62]。测井是根据钻孔内岩层的电化学特性、密度及反射性等物理性质的差异，对不同的物性曲线进行综合解释，确定煤层及岩层的深度、厚度等[67]。岩石地球化学是通过样品的采集，分析煤岩和煤质，包括工业分析、发热量、硫分、元素分析、常量元素、微量元素等测试。
3.2 煤−铀矿床组合类型的协同勘查方法
3.2.1 煤−铀矿床的基本特征
铀矿具有高放射性，根据铀赋存位置不同，煤−铀矿床组合类型主要分为2种：①煤系砂岩型铀矿床。铀赋存在煤系砂岩中，按矿体形态分为板状、卷状[73]。砂岩型铀矿的铀源常分布于煤盆地的周缘地带，断裂构造是砂岩型铀矿成矿的重要条件。因此，在有利铀成矿区域，断裂构造附近通常会形成一个缓倾的氧化还原过渡带[74-75]，层间氧化还原过渡带是沉积盆地内砂岩型铀矿成矿的主要识别标志[76]。②煤岩型铀矿床。铀赋存在煤中，铀在煤中的赋存状态通常为有机结合态、黏土矿物吸附、以类质同象赋存在矿物中（磷灰石、锆石等）以及独立的铀矿物[77-78]。我国北方煤型铀多以低阶的褐煤与长焰煤为主要载体，低阶煤中铀通常为有机结合态，但也存在少量高阶烟煤发生铀矿化，高阶煤主要为铀矿物状态存在[78-80]。代世峰等[81]进一步证明煤中铀主要赋存在硅铝化合物及有机质结合态中。任德贻等[82]计算出中国煤炭总资源量中铀含量的算术均值为2.41 μg/g。孙玉壮等[83]考虑到砂岩型铀矿的开采大幅降低了铀的开发成本，建议原煤中铀的含量40 μg/g作为回收利用的工业指标。
3.2.2 铀矿床勘查技术方法
在勘查区开展遥感及地质填图，初步查明露头及放射性异常点分布等信息。在煤炭勘查的同时，优选铀矿矿化潜力较大区，开展伽马总量测量、伽马能谱测量等放射性物探工作。通常砂岩型铀矿化为深埋隐伏，在地表无矿化信息显示，开展氡及其子体测量对隐伏砂岩型铀矿化信息进行提取，对于寻找隐伏的铀矿体和断裂构造、破碎带的位置及展布方向较为有效[61,84]。对隐伏砂岩型铀矿的勘查要加强穿透性地球化学的勘查技术方法的利用，用于圈定远景区、靶区及定位矿体[75]。由于砂岩型铀矿氧化还原过渡带上通常存在有磁异常的变化特征，采用高精度磁法/电磁法技术方法，可以解决砂岩型铀矿氧化还原过渡带定位问题。通过地震勘探技术，对区内煤系地层及铀矿进行分步勘查，查明煤及砂岩型铀矿的成矿环境。采用测井技术，查明放射性铀矿的空间位置、厚度及品位变化。通过钻探工程对物探、化探圈定的放射性异常分布点布置钻孔进行验证，在钻探过程增加伽马录井，查明铀矿的层位、埋深及构造特征。对于铀异常分布层位，增加伽马取样，全面开展岩石地球化学勘探。
3.2.3 煤−铀矿床勘查技术方法的选择
在综合分析煤和铀矿床各种资料的基础上，根据煤和铀矿床勘查技术方法，煤−铀矿床协同勘查技术方法应加强遥感、地质填图、放射性勘查方法（伽马总量、伽马能谱、氡及其子体测量和伽马录井）、穿透性地球化学、地面物探（高精度磁法/地震/电磁法）、钻探、测井和岩石地球化学等技术方法的协同运用，查明煤−铀矿床的空间分布、品位、矿体规模等（图6）。
3.2.4 内蒙古大营矿区煤−铀矿床勘查技术方法
根据大营矿区区域矿产分布规律，进行勘查技术优化组合。由于大营矿区位于毛乌素沙漠东北部，地表植被覆盖较少，通过遥感技术提取地表浅层的矿化蚀变信息[43]。在开展煤炭勘查的同时，通过钻探工程同步进行放射性伽马测井，对含矿岩层直罗组、延安组上段岩心进行放射性地质编录、取样，分析目的层砂体的展布规律及层间氧化带发育特征，对层间氧化带前锋线的空间位置进行准确定位，圈出找矿靶区，为砂岩型铀矿床进一步勘查提供依据。
3.3 煤−锂、镓矿床组合类型的协同勘查方法
3.3.1 煤−锂、镓矿床的基本特征
锂为煤层的同体矿产，呈分散状（矿物或化合物）赋存在煤层、顶底板和夹矸中。我国煤中锂主要分布在石炭−二叠纪、晚二叠世煤中[85-86]。煤中锂成矿受风化壳影响较大，主要与铝的含量密切相关[34]。煤中锂赋存于高岭石、伊利石、绿泥石、锂绿泥石、云母、电气石等矿物之中，与有机质结合的锂较少[87-90]。煤中锂富集成因类型有陆源富集型、生物成因富集型、吸附成因富集型[86,91]。总结前人文献，发现煤中锂的富集主要与沉积物源密切相关，准格尔和宁武等煤田煤中锂的物质来源主要为华北赋煤区北部阴山古陆的钾长花岗岩[86,91]。物源中含锂矿物经过搬运与泥炭在成煤沼泽中共沉积发生富集，低温热液作用与构造活动对煤中锂富集同样产生重要影响[92]。孙玉壮等[93]计算中国煤中锂的平均值为28.94 μg/g，并将原煤中锂回收利用的指标定为120 μg/g[83]。
镓为煤层的同体固体矿产，以分散状赋存在煤层、顶底板及夹矸中。煤中镓主要赋存在无机物中，常见于高岭石、勃姆石、一水铝石等含铝矿物中，少部分赋存在有机质中[10,94-96]。代世峰认为准格尔超大型煤伴生镓矿床中的镓是赋存在勃姆石中，来源于古风化壳且受古地理环境控制。镓的富集在宏观上受物源区的控制，镓矿床一般以风化−沉积作用形成富镓铝土矿[94]，镓和铝以类质同象存在，生物沉积作用下镓有机态、无机态及混合形式形成富镓煤矿，热液作用可形成富镓铅锌矿[97]。王文峰等[98]认为准格尔煤中镓的富集受到物源区母岩性质、沉积环境、有机质和岩浆热液等多种因素影响。中国煤中镓的平均值为6.52 μg/g，工业品位为30 μg/g[82-83]。
3.3.2 锂、镓矿床勘查技术方法
在锂、镓矿床勘查时，对于条件适宜的地区，可采用遥感技术、地质填图和山地工程，了解含煤区地层及锂、镓成矿地质条件、矿体分布规律。由于镓在煤层、顶底板和夹矸中含量达不到地球物理特征的响应，但可通过高精度地震技术方法约束镓的赋存载体矿物勃姆石来进行镓矿床的间接勘查[70]。采用钻探、测井和岩石地球化学勘探，查明煤层及锂、镓矿床的分布特征，锂、镓的品位、赋存状态、矿物组分等。
3.3.3 煤−锂、镓矿床勘查技术方法的选择
基于煤和锂、镓矿床勘查技术方法，煤−锂、镓矿床协同勘查技术方法应加强遥感、地质填图、山地工程、地面物探（高精度地震）、钻探、测井和岩石地球化学等技术方法的协同运用，查明煤−锂、镓矿床分布特征、品位、赋存规律、埋深和矿物组分等（图7）。
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图 7 煤−锂、镓矿床协同勘查技术方法Figure 7. Collaborative exploration method of coal-lithium,gallium deposits3.3.4 广西上林万福矿区煤−锂、镓矿床协同勘查技术方法
广西上林万福矿区为丘陵地区，除西部茅口阶地层基岩出露较好外，其他地层大部分表土覆盖，地表植被较发育，通视条件较差，矿层的倾角较陡，埋深0～660 m。故煤−锂、镓矿床协同勘查时，勘查技术方法主要选择钻探工程、岩石地球化学和地球物理测井等。依据勘查目的及锂、镓矿床分布特征，合理进行钻探工程布置用于控制中深部煤层和构造，并获得完整的地质剖面。通过测井曲线解释，划分测井钻孔地质剖面，对煤层进行定性、定厚。在钻探过程中，开展岩石地球化学勘探，采取岩心和煤心，进行煤相关测试和锂、镓、钛、稀土等微量元素测试。
3.4 煤−锗矿床组合类型的协同勘查方法
3.4.1 煤−锗矿床的基本特征
锗为煤层的同体固体矿产，煤−锗矿床中的锗大部分赋存在有机质中，尤其是腐殖组或镜质组显微组分中，且富锗煤均是煤阶较低的褐煤或次烟煤[99]。煤中还有少部分锗以有机质吸附和黏土矿物吸附存在，同时在部分硫化物和硅酸盐矿物中也可能检测到少量锗[100]。富锗煤的形成需要含锗丰富的母岩提供物源基础，同时适宜的热液活动和局限还原的成煤环境也会促进富锗煤的形成[101-102]。我国多数煤中锗含量为0.5～10.0 μg/g，平均4 μg/g[103]；锗边界品位30 μg/g，最低工业品位为100 μg/g[104]。
3.4.2 锗矿床勘查技术方法
目前发现的煤−锗矿床处于煤盆地的边缘地带或邻近基底花岗岩，且多以埋深较浅的低阶煤（褐煤和次烟煤）为主。根据勘查区地质勘查资料，采用遥感技术、地质填图及山地工程，初步了解含煤区地层及锗矿床分布特征。采用钻探、测井和岩石地球化学勘探查明煤−锗矿床分布范围、品位变化等。
3.4.3 煤−锗矿床勘查技术方法的选择
基于煤和锗矿床勘查技术方法，煤−锗矿床协同勘查技术方法应加强遥感、地质填图、山地工程、钻探、测井和岩石地球化学等技术方法的协同运用（图8），尤其要加强锗矿床的岩石地球化学勘探。
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图 8 煤−锗矿床协同勘查技术方法Figure 8. Collaborative exploration method of coal-germanium deposits3.4.4 乌兰图嘎煤−锗矿床协同勘查技术方法
基于乌兰图嘎煤锗勘查资料的分析，主要采用地质填图、钻探工程、测井、岩石地球化学等协同勘查方法，以最少的工程量取得最大的勘查效果。通过地质填图，初步查明地层层序及构造特征。根据勘查目的及锗分布特征，考虑自然地理条件及经济条件，合理进行钻探工程布置，查明矿层深度、厚度及其结构特征等，并采取煤、锗、夹矸及顶底板样品。通过测井对煤层作定性及定量解释，查明勘查区煤层及其它有益矿产的赋存情况。开展岩石地球化学勘探，采取煤锗样、夹矸样、顶底板样进行锗含量测定、煤质分析、光谱分析和化学分析等，查明乌兰图嘎煤−锗矿床赋存情况、变化规律及工业用途等。
3.5 煤−铌、锆、镓、稀土矿床组合类型的协同勘查方法
3.5.1 煤−铌、锆、镓、稀土矿床基本特征
西南地区铌、锆、镓、稀土多金属共富集矿产为煤层的异体固体矿产，主要赋存于煤层下部的火山灰蚀变黏土岩（Tonstein）中。铌、锆、镓、稀土多金属共富集矿产主要分布在云南宣威、四川华蓥山、川南煤田等地区[38,105]。目前国际上报道煤中铌、锆主要有3种富集成因类型，同沉积火山活动、热液矿化、风化壳发育[106]。DAI等[107-108]发现煤−铌、锆、稀土、镓等多种元素共同富集受泥炭中碱性火山灰的输入的影响，且能达到成矿规模。不同时期含煤岩系中广泛分布的火山灰蚀变黏土岩（Tonstein）原始物质主要为同沉积酸性灰及中酸性火山灰[109-110]，少部分是基性火山灰[110]。碱性Tonstein及碱性火山灰成因铌、锆、镓、稀土矿层自然伽马在测井曲线上表现出高度正异常[58]。
3.5.2 铌、锆、镓、稀土矿床勘查技术方法
基于铌、锆、镓、稀土伴生元素高场强特征，勘查思路为通过遥感技术和地质填图，初步查明含煤区地层及铌、锆、镓、稀土矿产成矿地质条件、矿体分布规律。由于部分地区铌、锆、镓、稀土多种关键金属在含煤岩系下段，钻孔布置的深度要在矿层下部15～20 m。采用钻探、测井和岩石地球化学勘探查明煤−铌、锆、镓、稀土赋存层位和含量变化特征。
3.5.3 煤−铌、锆、镓、稀土矿床协同勘查技术方法的选择
基于煤和铌、锆、镓、稀土矿床勘查技术方法，煤−铌、锆、镓、稀土矿床协同勘查技术方法应加强遥感、地质填图、山地工程、钻探工程、测井（自然伽马）和岩石地球化学等技术方法的协同运用，查明煤−铌、锆、镓、稀土矿床层数、厚度、埋深及空间位置等（图9）。
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图 9 煤−铌、锆、镓、稀土矿床协同勘查技术方法Figure 9. Collaborative exploration method of coal-niobium, zirconium, gallium, rare earth deposits3.5.4 云南东部煤−铌、锆、镓、稀土矿床协同勘查技术方法
云南东部双河煤矿勘查区为山高谷深、沟谷发育，地形坡度大，且灌木植被繁茂，浅部地表塌陷、山麓坡积与崩塌物覆盖较多，煤系属隐伏煤层。针对上述实际条件，煤−铌、锆、镓、稀土矿床协同勘查在地表以1∶5000地质及水文地质填图及邻区现有生产矿井和邻区老窑调查的基础上，主要采用钻探、测井和岩石地球化学协同勘查。通过岩石地球化学勘探，采取岩样和煤样，进行煤相关测试和铌、锆、镓、稀土等微量元素测试。
4. 结 论
1）基于前人研究成果，以煤与煤系战略性金属矿产（铀、锂、镓、锗、铌−锆−镓−稀土）为研究对象，总结了煤与煤系战略性矿产的主要组合类型，包括煤−铀矿床、煤−锂、镓矿床、煤−锗矿床、煤−铌、锆、镓、稀土矿床。
2）根据不同岩石及矿产的物性差异，总结了不同勘查技术方法的响应原理及特征。通过对比分析煤系不同类型矿床对不同勘查方法的响应特点，进一步加强地质-地球化学-地球物理勘查方法的协同应用。
3）基于煤与煤系战略性金属矿产的分布规律、赋存层位等，针对煤与煤系战略性金属矿产的地质条件、地球化学条件和地球物理条件，总结了主要组合类型的基本特征。
4）基于煤和铀矿床勘查技术方法，煤−铀矿床协同勘查应加强遥感、地质填图、放射性勘查方法（伽马总量、伽马能谱、氡及其子体测量和伽马录井）、穿透性地球化学、地面物探（高精度磁法/地震/电磁法）、钻探、测井和岩石地球化学等方法的协同运用，查明煤−铀矿床的空间分布、赋存层位、规模、品位等。
5）基于煤和锂、镓矿床勘查技术方法，在勘查过程中，应加强遥感、地质填图、山地工程、高精度地震、钻探、测井和岩石地球化学等方法的协同运用，查明煤−锂、镓矿床分布特征、品位、赋存规律、埋深和矿物组分等。
6）基于煤和锗矿床勘查技术方法，煤−锗矿床协同勘查应加强遥感、地质填图、山地工程、钻探、测井和岩石地球化学等方法的协同运用，查明煤−锗矿床分布范围、品位变化、赋存层位、有机组分等。
7）基于煤和铌、锆、镓、稀土矿床勘查技术方法，勘查工作中应加遥感、地质填图、山地工程、钻探、测井（自然伽马）和岩石地球化学等方法的协同运用，查明煤−铌、锆、镓、稀土多金属矿床层数、厚度、埋深及空间位置等。
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图 1 全长锚杆锚固围岩力学模型
Figure 1. Mechanical model of full-length bolt anchoring surrounding rock
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图 2 围岩中全长锚固锚杆微单元受力示意
Figure 2. Stress components of full-length anchor element in surrounding rock
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图 3 全长锚固锚杆正常支护下的剪应力分布情况
Figure 3. Shear stress distribution of full-length anchoring bolt under normal support
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图 4 全长锚固锚杆−围岩楔形单元体
Figure 4. Wedge element of full-length anchoring bolt and surrounding rock
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图 6 无支护条件下空间效应对围岩应力的影响
Figure 6. Influence of spatial effect on surrounding rock stress under unsupported condition
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图 7 空间效应与围岩应力、锚杆轴力关系
Figure 7. Relationship between space effect and surrounding rock stress and axial force of anchor rod
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图 8 扩容系数与围岩应力、锚杆轴力关系
Figure 8. Relationship of expansion coefficient with surrounding rock stress and anchor rod axial force
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图 9 锚杆长度与围岩应力、锚杆轴力关系
Figure 9. Relationship between anchor length, surrounding rock stress and anchor axial force
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