峻德煤礦構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)及對(duì)礦井沖擊地壓影響研究

＊張俊杰 LE QUY BAO 趙考琪 連鴻全 Mirzo Yunusov

（1.龍煤集團(tuán)鶴崗礦業(yè)公司 黑龍江 154100 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院 遼寧 123000）

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)引發(fā)沖擊地壓的影響因素、沖擊地壓的防治等方面進(jìn)行了大量的研究工作，研究發(fā)現(xiàn)沖擊地壓的發(fā)生受多種因素影響，其中地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境是引起沖擊地壓的必要因素，礦井在地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境的影響下受其他因素共同作用導(dǎo)致了沖擊地壓的發(fā)生。由于各礦井所處區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、開采深度等條件的不同，使得沖擊地壓的發(fā)生的方式、時(shí)間均不相同，因此對(duì)沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間和量級(jí)做出預(yù)測是非常困難的，但是判斷是否具有沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境是可能的。因此，需要開展區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布特征研究，以確定礦井區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布特征和對(duì)沖擊地壓的影響。

1.峻德煤礦構(gòu)造應(yīng)力場分析

峻德煤礦共進(jìn)行了3個(gè)地點(diǎn)的地應(yīng)力測試工作，分別為：三水平北一皮帶石門、三水平北三九層回風(fēng)石門、三水平南三區(qū)—363總軌道石門。地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)見表1，通過測量數(shù)據(jù)可以看出峻德煤礦最大水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力，在進(jìn)行峻德煤礦巖體應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)用最大水平主應(yīng)力最大值33.42MPa，方向?yàn)?N87°E進(jìn)行計(jì)算。

表1 峻德煤礦地應(yīng)力測量結(jié)果

根據(jù)峻德煤礦地應(yīng)力測量結(jié)果與區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特征進(jìn)行對(duì)比，3個(gè)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向均為NE向與黑龍江東部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場方向基本一致。根據(jù)中國現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場東北地區(qū)應(yīng)力場分布特點(diǎn)，確定峻德煤礦應(yīng)力場屬于水平應(yīng)力場，說明峻德煤礦地應(yīng)力主要受水平壓應(yīng)力影響[1]。

如圖1所示，對(duì)峻德煤礦最大水平主應(yīng)力與深度進(jìn)行擬合得到峻德煤礦應(yīng)力梯度規(guī)律。根據(jù)擬合結(jié)果，峻德煤礦最大水平主應(yīng)力隨埋深變化而增大，最大水平主應(yīng)力增加梯度為4.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主應(yīng)力值增加4.42MPa，通過最大水平主應(yīng)力增加梯度與峻德煤礦地應(yīng)力測試結(jié)果可得到峻德煤礦構(gòu)造應(yīng)力集中系數(shù)。

圖1 峻德煤礦應(yīng)力梯度規(guī)律

2.構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算模型構(gòu)建

斷裂構(gòu)造作為影響構(gòu)造應(yīng)力場與能量場變化的主要因素，為確定研究區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造利用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法基于從宏觀到具體的原則，以繪圖法為主結(jié)合地形圖及區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)考察，對(duì)研究區(qū)域的活動(dòng)構(gòu)造進(jìn)行劃分，劃分為I～Ⅴ級(jí)斷塊圖，本文僅應(yīng)用Ⅴ級(jí)斷塊，峻德煤礦Ⅴ級(jí)斷塊如圖2所示。在根據(jù)地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法劃分的峻德煤礦Ⅴ級(jí)斷塊圖的基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)構(gòu)造與采掘工程相聯(lián)系的地質(zhì)構(gòu)造模型，為峻德煤礦巖體應(yīng)力計(jì)算提供模型。峻德煤礦應(yīng)力計(jì)算模型尺寸大于井田范圍，應(yīng)力計(jì)算模型長度為8km，寬度為5km，面積40km2，依據(jù)峻德煤礦Ⅴ級(jí)斷塊圖建立的井田地質(zhì)造模型如圖3所示。

圖2 峻德煤礦Ⅴ級(jí)斷塊圖

圖3 峻德煤礦地質(zhì)構(gòu)造模型

3.區(qū)域巖體應(yīng)力狀態(tài)分析

(1)峻德煤礦17號(hào)煤層最大主應(yīng)力分布

峻德煤礦17號(hào)煤層為主采煤層，共發(fā)生沖擊地壓18次占總沖擊地壓次數(shù)的69%，因此對(duì)峻德煤礦17煤層進(jìn)行巖體應(yīng)力分析是十分必要的。

17號(hào)煤層巖體應(yīng)力分析采用“巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)”對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分（圖4、圖5）。對(duì)17煤層巖體應(yīng)力計(jì)算模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑瑢⑾嚓P(guān)巖體應(yīng)力計(jì)算信息（彈性模量、泊松比、地應(yīng)力大小等）錄入到計(jì)算模型中。利用“巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)”對(duì)劃分好的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算[2-3]，將計(jì)算結(jié)果用等值線圖的形式描繪。峻德煤礦17煤層水平最大主應(yīng)力等值線圖，如圖6所示。根據(jù)描繪的最大主應(yīng)力等值線圖利用應(yīng)力集中系數(shù)ks進(jìn)行應(yīng)力區(qū)域劃分：高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力梯度區(qū)，低應(yīng)力區(qū)[4-5]。

圖4 巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)

圖5 17煤層巖體應(yīng)力計(jì)算模型

圖6 峻德煤礦17煤層最大水平主應(yīng)力等值線圖(單位：MPa)

①高應(yīng)力區(qū)：處于高應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤巖體構(gòu)造應(yīng)力值較大，受構(gòu)造應(yīng)力作用強(qiáng)烈，更容易集聚彈性變形能。當(dāng)受到外部因素影響導(dǎo)致煤巖體高應(yīng)力急劇降低，彈性能瞬時(shí)釋放，對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生將產(chǎn)生重要影響。

②應(yīng)力梯度區(qū)：處于應(yīng)力梯度區(qū)的煤巖體變形模量都有較大比例的增長，導(dǎo)致彈性波與電導(dǎo)率急劇變化。同時(shí)處于該區(qū)域的煤巖體含水率較低，引起巖石的脆性增大、破壞強(qiáng)度降低，對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生也將產(chǎn)生重要影響。

③低應(yīng)力區(qū)：處于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)明顯降低，礦物組成成分之間的粘結(jié)力減小。通常情況下，處于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤巖體，對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生影響較弱。

(2)構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分與沖擊地壓分布特征

由圖7可以看出，峻德煤礦17煤層水平最大主應(yīng)力值為26～44MPa。將最大主應(yīng)力等值線圖按照應(yīng)力集中系數(shù)ks進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分：當(dāng)ks＞1.2時(shí)為高應(yīng)力區(qū)；應(yīng)力梯度區(qū)為0.8＜ks＜1.2之間；當(dāng)ks＜0.8時(shí)為低應(yīng)力區(qū)。最大主應(yīng)力區(qū)劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 峻德煤礦17煤層最大主應(yīng)力區(qū)域劃分

峻德煤礦17煤層最大主應(yīng)力區(qū)劃分情況如下[6-10]：

①高應(yīng)力區(qū)主要有2個(gè)區(qū)域，分別位于井田東南部與井田東北部，應(yīng)力值為38～44MPa。其中東南部高應(yīng)力區(qū)面積為2.31km2，受Ⅳ-15、Ⅴ-11、Ⅴ-12、Ⅴ-13、Ⅴ-17斷裂影響；東北部高應(yīng)力區(qū)面積為2.34km2，受Ⅳ-15、Ⅴ-18、Ⅴ-27斷裂影響，區(qū)域?yàn)榫锷畈块_采區(qū)[5]。東北部高應(yīng)力區(qū)布置有三水平北17煤層多個(gè)工作面，其中三水平北17層一段發(fā)生多次沖擊事故，該區(qū)域共發(fā)生沖擊地壓18次。

②應(yīng)力梯度區(qū)2個(gè)區(qū)域，分別位于井田中南部與中北部，應(yīng)力值為30～36MPa。其中中南部應(yīng)力梯度區(qū)面積為0.94km2，受Ⅴ-10、Ⅴ-11、Ⅴ-12斷裂影響；中北部應(yīng)力梯度區(qū)面積為1.98km2，受Ⅴ-9、Ⅴ-13、Ⅴ-17斷裂影響。中南部應(yīng)力梯度區(qū)布置有三水平南一二區(qū)17層多個(gè)工作面。

③低應(yīng)力區(qū)共2個(gè)區(qū)域，分別位于井田西南部以及西北部，應(yīng)力值為26～30MPa。其中西南部低應(yīng)力區(qū)面積為3.13km2，受到Ⅴ-10、Ⅴ-11斷裂影響；西北部低應(yīng)力區(qū)面積為1.58km2，受到Ⅴ-9、Ⅴ-23斷裂影響。該區(qū)域?yàn)榫餃\部開采區(qū)。二水平南17層在西南部低應(yīng)力區(qū)布置多個(gè)工作面。

4.結(jié)論

（1）揭示了峻德煤礦最大主應(yīng)力方向均為NE向與黑龍江東部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場方向基本一致，地應(yīng)力以水平壓應(yīng)力為主。

（2）確定了峻德煤礦最大水平主應(yīng)力增加梯度為4.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主應(yīng)力值增加4.42MPa。

（3）劃分了峻德煤礦17煤層高應(yīng)力區(qū)2個(gè)，應(yīng)力梯度區(qū)劃分為2個(gè)，低應(yīng)力區(qū)2個(gè)。揭示了三水平北17煤層發(fā)生的18次沖擊地壓均位于東北部高應(yīng)力區(qū)。