山西大同同忻井田巖體應(yīng)力狀態(tài)分析及其應(yīng)用

車禹恒，張宏偉，韓 軍，陳 鎣

(遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧阜新 123000)

0 引言

地殼是由大量板塊構(gòu)成的。根據(jù)板塊大小不同，又分為不同的等級。同時，地殼巖體中應(yīng)力的形成主要與地球的各種動力作用有關(guān)，其中就包括斷塊間彼此相互擠壓、拉伸的相互作用。我國礦井多分布于構(gòu)造復(fù)合區(qū)域，井田內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)能量集中與釋放明顯且頻繁，對礦井安全生產(chǎn)帶來很大的安全隱患?？梢哉f礦井動力現(xiàn)象預(yù)測的準確性和可靠性，從根本上取決于對活動斷裂和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的研究水平［1］。

早期學者們通過物理模擬對區(qū)域應(yīng)力場進行分析。20世紀70年代中期，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，其與地質(zhì)學科的不斷結(jié)合，特別是有限單元法引入構(gòu)造應(yīng)力場分析后，數(shù)學模擬方法得到快速發(fā)展。許忠淮等(1992年)［2］根據(jù)觀測到的應(yīng)力方向，利用有限單元方法，反演中國大陸東部及附近地區(qū)板塊邊界作用力的大小。詹文歡(2004年)［3］等分析了南海及鄰區(qū)新構(gòu)造運動、地殼及巖石圈結(jié)構(gòu)、地震活動、地殼形變以及地應(yīng)力等多方面資料的基礎(chǔ)上，建立了地質(zhì)模型、計算機模型和應(yīng)力場反演的判據(jù)，論證了地殼運動的深部過程。

目前，國內(nèi)外主要采用已經(jīng)確定的斷裂來建立地質(zhì)構(gòu)造模型，從而對構(gòu)造應(yīng)力場和巖體應(yīng)力狀態(tài)進行研究，但是，還沒有針對礦區(qū)這樣大尺度范圍建立模型的好方法。本文采用的地質(zhì)動力區(qū)劃方法是以板塊學說為基礎(chǔ)，通過地貌學、遙感學等一系列學科，劃分查明區(qū)域內(nèi)的Ⅰ-Ⅴ活動斷塊圖［4］，這些斷塊構(gòu)成了區(qū)域構(gòu)造運動的格架，利用Ⅳ、Ⅴ斷塊圖建立模型，分析區(qū)域原巖應(yīng)力狀態(tài)，從而為人類的工程活動提供地質(zhì)環(huán)境信息和預(yù)測工程活動可能產(chǎn)生的地質(zhì)動力效應(yīng)［5-6］。

1 地質(zhì)概況及礦壓顯現(xiàn)情況

同忻井田位于大同煤田北東部。屬大同向斜的東翼。井田內(nèi)斷層稀少，僅發(fā)育有2條正斷層，沿北北東向展布，落差均為10 m左右。在南部邊界處白洞一帶發(fā)育一逆斷層，落差較大，另外在井田外東南部有一逆斷層。井田內(nèi)較大的褶曲有兩條，即刁窩嘴向斜和韓家窯背斜，另外，伴生有次一級小型褶曲。

同忻煤礦在開采過程中，遇到多次礦壓顯現(xiàn)，其中8100、8106綜放工作面礦壓顯現(xiàn)發(fā)生次數(shù)較多且明顯，并伴隨頂板垮落、底鼓以及片幫等現(xiàn)象。

2 劃分活動斷裂

地質(zhì)新構(gòu)造形式?jīng)Q定了地形地貌的基本形態(tài)和主要特征，據(jù)此原理，通過地形圖，從地形地貌出發(fā)，即可查明區(qū)域活動斷裂的形成與發(fā)展，即繪圖法。

在繪圖法劃分斷裂的基礎(chǔ)上，利用遙感影像圖進行輔助分析。遙感圖像不僅從宏觀上展現(xiàn)了活動斷裂與其它活動構(gòu)造的影像全貌，而且直觀地揭示了活動斷裂的影像信息。在遙感圖像的地質(zhì)解譯中，斷裂與線性構(gòu)造的解譯效果最好［7-9］。

本文選用的遙感數(shù)據(jù)ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus，增強型主題成像傳感器)系landsat7的傳感器獲得的數(shù)據(jù)，傳感器具有8個波段，波譜分辨率和空間分辨率較高，其中3，4，5，7波段對巖性、構(gòu)造等地質(zhì)特征識別較好。研究區(qū)8個波段的ETM+影像數(shù)據(jù)相關(guān)分析結(jié)果表明Band 7，4，3與其它波段的相關(guān)性系數(shù)較?。?0］。同時參考最佳波段組合指數(shù)法(式1):

其中Si為i波段的標準差，rij是第i波段與第j波段之間的相關(guān)系數(shù)。OIF值越大，說明3個波段所含的信息量就越多，對于斷裂的識別就更加有利，故將band 7，4，3作為遙感影像解譯的最終組合(圖1)。利用專業(yè)遙感圖像處理平臺ENVI將band7，4，3三個波段圖像進行RGB合成(圖1)。

圖1 Ⅲ-6斷裂遙感影像分析Fig.1 Fracture of remote sensing image analysis

從圖1中可以看出Ⅲ-6斷裂呈線性影像，斷裂兩盤具有較大的垂直高差，并且兩側(cè)地貌形態(tài)反差較大。上升一盤為起伏的低山丘陵臺地，下降的一盤為地勢較為平緩的平原，很明顯受斷裂控制。

根據(jù)以上介紹方法，對同忻煤礦進行活動斷裂劃分，繪制出以同忻礦區(qū)域為中心的Ⅰ-Ⅴ級區(qū)劃圖。從Ⅰ級到Ⅴ級進行斷塊劃分，即是在大比例尺圖上查明構(gòu)造活動的“輪廓”，從小比例尺圖區(qū)劃時抽象出個別構(gòu)造特征。Ⅰ-Ⅴ級斷塊劃分比例范圍依次為1∶250萬、1∶100 萬、1∶20 萬 ～1∶10 萬、1∶5萬 ～1∶2.5萬、1∶1萬，這樣就建立了大范圍板塊構(gòu)造與實際工程之間的聯(lián)系。為研究同忻煤礦原巖應(yīng)力場，提供了地質(zhì)構(gòu)造模型。

3 巖體應(yīng)力狀態(tài)分析

3.1 繪制最大主應(yīng)力等值線

利用巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)軟件進行同忻煤礦3～5煤層進行巖體應(yīng)力計算。

首先，應(yīng)力計算模型取Ⅴ級區(qū)劃圖(圖2)，模型長、寬分別為15km、11km，面積為165km2，模型共劃分了16761個節(jié)點，33000個單元。其次，設(shè)定所劃分斷裂的力學參數(shù)。Ⅰ～Ⅱ級斷裂帶的彈性模量取正常巖體參數(shù)的1/10，其它Ⅲ～Ⅴ級斷裂帶取1/5。由于斷裂大小不同，同時，按照計算上的要求，Ⅰ～Ⅴ級斷裂的寬度分別為1000 m、500 m、200 m、100 m、50 m。最后，以井田地應(yīng)力測量結(jié)果(最大主應(yīng)力為19.58MPa方位角245.92°)作為模型邊界加載方式(圖3)。

圖2 同忻井田Ⅴ級區(qū)劃圖Fig.2 GradingⅤblocks of Tongxin mine field1—井田邊界;2—活動斷裂

圖3 地質(zhì)構(gòu)造模型與網(wǎng)格剖分Fig.3 Geological structure model and mesh

在巖體應(yīng)力數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，繪制出3-5煤層頂板水平最大主應(yīng)力等值線圖(圖4)。

圖4 3－5煤層頂板水平最大主應(yīng)力等值線圖Fig.4 Maximum principal stress contour of 3－5 coal seam roof1—應(yīng)力等值線;2—活動斷裂

3.2 構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分

結(jié)合上述工作，并利用應(yīng)力集中系數(shù)法(式2)，將3～5煤層頂板構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分為高應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力梯度區(qū)和低應(yīng)力區(qū)(圖5)。

(1)高應(yīng)力區(qū)

① 被Ⅲ-5、Ⅴ-2、Ⅴ-3斷裂所圍限。水平最大主應(yīng)力值為22～30MPa，涉及井田西部，影響區(qū)域范圍3.01km2;② 位于井田北部，Ⅴ-6斷裂附近，水平最大主應(yīng)力值在23～26MPa變化。影響區(qū)域范圍約0.3km2;③位于Ⅴ-2、Ⅲ-5斷裂附近。位于井田中上部，水平最大主應(yīng)力值在22～29MPa變化，影響區(qū)域范圍約0.59km2;④ 位于井田東部，Ⅴ-11斷裂從其中穿過，水平最大主應(yīng)力值在24～27MPa變化。影響區(qū)域范圍約2.47km2。⑤ 位于Ⅳ-12、Ⅲ-5斷裂附近，位于井田中下部，水平最大主應(yīng)力值為25～27MPa，影響區(qū)域范圍0.51km2;

(2)高應(yīng)力梯度區(qū)

圖5 3－5煤層構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分圖(單位:MPa)Fig.5 Tectonic stress area division of 3－5 coal seam(unit:MPa)1—高應(yīng)力區(qū);2—高應(yīng)力梯度區(qū);3—低應(yīng)力區(qū);4—活動斷裂

①位于井田西部，應(yīng)力值在16～21MPa變化，影響區(qū)域范圍在西部上側(cè)靠近Ⅴ-2活動斷裂約0.5km2，西部下側(cè)約0.5km2;② 位于井田中部，應(yīng)力值在17～20MPa變化，影響區(qū)域范圍在中部上側(cè)和有Ⅲ-5斷裂穿過其中的中部都約為0.27km2，中部下由Ⅳ-12斷裂穿過影響區(qū)域范圍約0.18km2;③ 位于井田東部，應(yīng)力值在18～21MPa變化，影響區(qū)域范圍在東部上側(cè)約為0.32km2，東部下側(cè)約為0.33km2。兩者都由Ⅴ-11斷裂穿過。

(3)低應(yīng)力區(qū)

①位于Ⅳ-10、Ⅳ-6、Ⅲ-5、Ⅳ-7、Ⅴ-8斷裂交匯處附近，Ⅳ-6斷裂從其中穿過，水平最大主應(yīng)力值在10～15MPa變化。涉及井田東北部，影響區(qū)域范圍約0.34km2。② 位于Ⅴ-2、Ⅳ-12斷裂附近，Ⅲ-5斷裂從其中穿過，水平最大主應(yīng)力值在10～14MPa變化。涉及井田中部，影響區(qū)域范圍約1.67km2;③位于Ⅴ-9、Ⅳ-12、Ⅲ-5斷裂附近，Ⅴ-11、Ⅴ-10斷裂從其中穿過，水平最大主應(yīng)力值在12～15MPa變化。涉及井田東部，影響區(qū)域范圍約3.19km2;④位于Ⅴ-2、Ⅴ-3斷裂附近。水平最大主應(yīng)力值在9～15MPa變化。涉及井田西部，影響區(qū)域范圍約3.89km2;

4 同忻井田礦壓顯現(xiàn)分析

根據(jù)現(xiàn)場礦壓資料分析，8100工作面發(fā)生強烈礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域，處于Ⅲ-5斷裂、Ⅳ-12斷裂和Ⅴ-11斷裂所圍限的三角形區(qū)域內(nèi)。8106工作面的礦壓顯現(xiàn)則主要受到了Ⅴ-11斷裂的影響(圖6)。

高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)聚集了大量的彈性變形能，并處于平衡狀態(tài)，當工程活動破壞區(qū)域應(yīng)力平衡時，大量的能量得到釋放，這也是發(fā)生礦壓顯現(xiàn)的重要原因。根據(jù)區(qū)劃理論劃分的各構(gòu)造應(yīng)力區(qū)可以看出，8106工作面處于高應(yīng)力區(qū)內(nèi)(圖6)。

圖6 礦壓顯現(xiàn)與構(gòu)造應(yīng)力區(qū)及活動斷裂關(guān)系圖Fig.6 The relationship of strata behavior，tectonic stress area and active fault1—高應(yīng)力區(qū);2—高應(yīng)力梯度區(qū);3—低應(yīng)力區(qū);4—活動斷裂;5—礦壓顯現(xiàn)強烈區(qū)域

5 結(jié)論

(1)活動斷裂分布、相互作用形式是形成構(gòu)造應(yīng)力場的重要地質(zhì)因素，利用地質(zhì)動力區(qū)劃方法，由小比例尺大范圍至大比例尺小范圍，逐級對研究區(qū)域進行區(qū)劃分析，結(jié)合遙感技術(shù)輔助手段，劃分出同忻煤礦Ⅰ-Ⅴ活動斷裂圖，區(qū)域內(nèi)斷塊則構(gòu)成了構(gòu)造運動的格架，為建立地質(zhì)模型提供依據(jù)。

(2)利用巖體應(yīng)力數(shù)值模擬軟件構(gòu)建地質(zhì)模型，反演區(qū)域應(yīng)力場，并劃分出高應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力梯度區(qū)、低應(yīng)力區(qū)，得出各個應(yīng)力區(qū)的位置、范圍以及應(yīng)力強度。

(3)同忻井田礦壓顯現(xiàn)受活動斷裂控制明顯。在高應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力梯度區(qū)內(nèi)，礦山壓力的顯現(xiàn)相對于應(yīng)力正常區(qū)域或者低應(yīng)力區(qū)域要強烈。這對于同忻煤礦巷道布置以及支護方案提出提供了直觀、科學的依據(jù)。

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