韓 軍,張宏偉,蘭天偉,李 勝
(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧阜新 123000)
京西煤田沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境
韓 軍,張宏偉,蘭天偉,李 勝
(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧阜新 123000)
為了確定京西煤田沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境,分析了京西煤田的地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地應(yīng)力場(chǎng)、地殼應(yīng)變能,計(jì)算了京西煤田各礦井構(gòu)造反差強(qiáng)度,定量評(píng)估了京西煤田的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境,討論了京西煤田沖擊地壓的形成機(jī)制。研究表明,京西煤田屬于現(xiàn)代地殼隆升區(qū),新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈;煤田最大主應(yīng)力明顯高于全國(guó)平均水平,且最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差別顯著;京西煤田處于地殼高應(yīng)變密度能區(qū)域,地殼積累了高的彈性應(yīng)變能;京西構(gòu)造凹地反差強(qiáng)度大于0.5,該區(qū)域具有發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境,各礦井具有發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力條件。京西煤田地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境下的沖擊地壓是煤巖體在高構(gòu)造應(yīng)力條件下以塊體整體突然破壞而快速釋放能量的過(guò)程。
沖擊地壓;地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境;應(yīng)力場(chǎng);構(gòu)造凹地
沖擊地壓是巖石力學(xué)與采礦工程領(lǐng)域的重要研究課題。雖然國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理存在不同意見(jiàn),但普遍認(rèn)為沖擊地壓是一個(gè)煤巖體變形與破壞、能量積聚與釋放的力學(xué)過(guò)程[1-6]。И.М.佩圖霍夫提出了沖擊地壓的力-能量理論,首次指出“煤-圍巖”體系參與了沖擊地壓顯現(xiàn)的概念,認(rèn)為沖擊地壓的能量包括破壞煤體積蓄的能量和圍巖彈性變形能,后者傳達(dá)了沖擊地壓的動(dòng)力信息[7-8]。И.М.巴圖金娜等最早開(kāi)展了從地球動(dòng)力學(xué)的角度開(kāi)展沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害研究工作,建立了地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃理論[9]。張宏偉等通過(guò)對(duì)我國(guó)部分沖擊地壓礦區(qū)的區(qū)域構(gòu)造條件、構(gòu)造演化、現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)、區(qū)域淺源天然地震時(shí)空強(qiáng)特征等的分析,提出了沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力條件的概念[10]。韓軍等以海州立井沖擊地壓為實(shí)例從巖石力學(xué)系統(tǒng)的角度將沖擊地壓的機(jī)制問(wèn)題劃分為3個(gè)層次的系統(tǒng),即地質(zhì)構(gòu)造-沉積建造系統(tǒng)、煤層-圍巖系統(tǒng)和底板系統(tǒng),分析了沖擊地壓的發(fā)生和顯現(xiàn)過(guò)程中的非線性和層次性,指出地質(zhì)構(gòu)造-沉積建造系統(tǒng)是沖擊地壓發(fā)生的外在環(huán)境[11],以開(kāi)灤礦區(qū)為例確定了沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害具有由開(kāi)平向斜控制下的統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境[12]。宋佩德等指出高構(gòu)造應(yīng)力條件下,煤層及其頂?shù)装鍑鷰r中的高水平應(yīng)力為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件,而在高地應(yīng)力環(huán)境下所積聚的大量彈性應(yīng)變能為沖擊地壓的發(fā)生提供了能量條件[13]。王存文等從構(gòu)造形成機(jī)制的角度分析構(gòu)造區(qū)的應(yīng)力環(huán)境,認(rèn)為斷層、褶皺、相變等構(gòu)造誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理為構(gòu)造應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力疊加,向斜軸部、背斜軸部和翼部是沖擊地壓的易發(fā)區(qū)[14]。
沖擊地壓發(fā)生的動(dòng)力源和所需的能量不僅局限于巷道或者回采工作面這一局部范圍,參與沖擊地壓發(fā)生的巖體范圍遠(yuǎn)大于采掘空間尺度。因此需要進(jìn)一步從宏觀尺度對(duì)沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行研究。本文以京西煤田為例,從新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、地殼應(yīng)變能等角度分析京西煤田的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境,利用構(gòu)造反差強(qiáng)度進(jìn)行了地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境的定量評(píng)估,并從地應(yīng)力和煤巖體強(qiáng)度的角度分析了煤巖體的破壞形式和應(yīng)變能量釋放的條件,探討了地應(yīng)力在京西煤田沖擊地壓中的作用。
京西煤田大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)褶帶中段、華北斷坳西北隅。自太古帶以來(lái),本區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動(dòng)和多階段多旋回的地質(zhì)構(gòu)造演化。區(qū)域構(gòu)造基本格架顯示出早期的EW向或近EW向隆坳或褶皺斷裂被后期的NE、NNE或近SN向褶皺斷裂、斷坳或斷塊所交切復(fù)合的特點(diǎn)。
京西煤田構(gòu)造線總體走向呈NE—NEE向展布,由一系列相間排列的復(fù)式向斜、背斜組成。其中百花山、髻髻山—廟安嶺、九龍山—香峪3個(gè)向斜呈雁行式排列,其基本特征是向斜寬緩而其間背斜緊密,在以褶皺構(gòu)造為主的基礎(chǔ)上發(fā)育有走向斷裂構(gòu)造。煤田南部發(fā)育有北嶺向斜,其東被南大寨斷裂切割(圖1)。
圖1 京西煤田地質(zhì)構(gòu)造略Fig.1 Geological structure sketchmap of western Beijing coalfield
北京大多數(shù)地區(qū)屬不穩(wěn)定區(qū),新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)持續(xù)不斷。北京地區(qū)第四紀(jì)構(gòu)造格局是在新近紀(jì)“二隆夾一凹”(京西隆起、大興隆起和北京凹陷)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的(圖2)。京西煤田所處區(qū)域?yàn)榫┪鞯貐^(qū)。新生代以來(lái)京西地區(qū)處于強(qiáng)烈抬升狀態(tài),特別是中更新世后期開(kāi)始,北京西山遂有加速上升趨勢(shì),在距今0.100~0.012Ma的晚更新世期間,山脈上升幅度和速度達(dá)到第四紀(jì)各階段的最大值,其中山脈上升幅度達(dá)72 m,上升速度達(dá)0.82 mm/a。在0.012~0 Ma B.P.的全新世階段,山體仍較強(qiáng)烈上升,其上升幅度一般為3~5 m,最大達(dá)8m;最大上升速度為0.66mm/a,第四紀(jì)山體總上升量可達(dá)300~450 m[15]。
圖2 北京新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)略圖Fig.2 Neo-tectonic movement sketch map ofwestern Beijing coalfield
京西地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)性強(qiáng),特別是一系列NWW向的盆地和斷裂的分布與強(qiáng)震活動(dòng)密切相關(guān),構(gòu)成了以燕山山脈隆起為背景、面對(duì)華北平原廣大沉降帶強(qiáng)烈活動(dòng)的格局。從趨勢(shì)上看,地殼形變受第四紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)的控制。
現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)與地應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān),一般來(lái)說(shuō),現(xiàn)代隆起區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力(或剪應(yīng)力值)較高,而沉降區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力(或剪應(yīng)力)則較低。因此,京西地區(qū)的強(qiáng)烈隆起代表著該區(qū)域處于高構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài),最大主應(yīng)力要高于一般水平,這一點(diǎn)將在下面的地應(yīng)力場(chǎng)分析中加以說(shuō)明。
利用空心包體地應(yīng)力測(cè)量方法對(duì)京西煤田的長(zhǎng)溝峪井田、大臺(tái)井田、大安山井田、木城澗井田、門(mén)頭溝井田進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量,同時(shí)收集了門(mén)頭溝井田的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果[16]。京西煤田地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)分布如圖3所示,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。
圖3 京西煤田地應(yīng)力作用示意Fig.3 Sketch map of in situ stress ofwestern Beijing coalfield
表1 京西煤田地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table1 In-situ stressmeasurement results of western Beijing coalfield
京西煤田地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明,最大主應(yīng)力方位為NE—EW。最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力的比值為1.18~2.29,平均值為1.63。平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值為0.84~1.60。最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值為1.36~4.81,平均值為2.43。
趙德安、景鋒等[17-18]統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)大量地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù),得出華北地區(qū)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為
式中,σH為最大主應(yīng)力;σh為最小主應(yīng)力;h為深度。
圖4為根據(jù)式(1),(2)計(jì)算得到的全國(guó)最大主應(yīng)力及最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值和京西煤田的對(duì)比。圖4(a)表明,京西煤田最大主應(yīng)力遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平,特別是在-700 m深度以下,京西煤田的地應(yīng)力更加顯著。從圖4(b)可以看出,京西煤田最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值也明顯高于全國(guó)平均水平,表明京西煤田煤巖體承受更為強(qiáng)烈的非均勻構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境。
圖4 京西煤田地應(yīng)力與全國(guó)應(yīng)力地應(yīng)力對(duì)比Fig.4 In-situ stress comparison of Jingxicoalfield and all of China
根據(jù)彈性力學(xué)理論,單位體積內(nèi)的彈性應(yīng)變能W可以分解為體積變形的應(yīng)變能WV和形狀變化的應(yīng)變能WF兩部分。應(yīng)變能密度特指形狀變化的應(yīng)變能及其密度[19]。
對(duì)于彈性體地殼應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可表示為
由彈性體地殼應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可得地殼應(yīng)變能密度為
應(yīng)變能密度DE的單位是J/m3。
由式(3),(4)推得應(yīng)變能密度變化率公式為
式中,DE,εji,Θ分別為年應(yīng)變能密度變化率、應(yīng)變率及體膨脹率,DE的單位是J/(m3·a)。
應(yīng)變能密度變化率是衡量地殼積累能量高低的重要指標(biāo),應(yīng)變能密度變化率越大,地殼積累能量越高。地殼中積累的應(yīng)變能是包括沖擊地壓、地震等地殼破裂釋放能量的主要來(lái)源,是影響沖擊地壓和地震活動(dòng)的重要因素。圖5表明,京西煤田處于高應(yīng)變能密度變化率地區(qū),地殼積累能量高。因此京西煤田整體上具有發(fā)生沖擊地壓的能量條件。
圖5 北京地區(qū)面應(yīng)變能密度變化率Fig.5 Density of strain energy in Beijing
張宏偉、韓軍等根據(jù)針對(duì)具有煤巖動(dòng)力災(zāi)害礦區(qū)的地形地貌特征,提出了構(gòu)造凹地的概念,即礦區(qū)兩側(cè)或四周為隆起區(qū),中間為低凹區(qū),二者具有一定的高程差,指出構(gòu)造凹地具有較高的水平構(gòu)造應(yīng)力,且水平差應(yīng)力顯著[20-21]。建立了構(gòu)造凹地的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)——構(gòu)造反差強(qiáng)度及其計(jì)算方法
式中,C為構(gòu)造凹地的反差強(qiáng)度;Δh為構(gòu)造凹地最高與最低高程的差值,m;Δl為構(gòu)造凹地的寬度,km。
京西煤田山脈綿延,山峰林立,由一系列北東—南西走向,并大致平行排列的褶皺山脈組成。該系列山脈由西北向東南依次排列為:百花山—清水尖—妙峰山山脈,九龍山—香山山脈。以山地整體為對(duì)象可以將京西煤田劃分為中山帶、低山帶和山地溝谷河道。京西煤田所開(kāi)發(fā)的各礦井,普遍處于低山帶和山地溝谷地帶,既處于構(gòu)造凹地中(圖6)。
圖6 京西煤田三維地形Fig.6 3D topographymap ofwestern Beijing coalfield
根據(jù)構(gòu)造反差強(qiáng)度的計(jì)算方法對(duì)京西煤田各礦井的構(gòu)造反差強(qiáng)度計(jì)算表明,京西煤田7個(gè)構(gòu)造凹地的C值都大于0.50(表2)。構(gòu)造凹地反差強(qiáng)度從大到小依次為門(mén)頭溝礦、木城澗礦、城子礦、大臺(tái)井、大安山礦、長(zhǎng)溝峪礦和房山礦。門(mén)頭溝礦、城子礦、房山礦、長(zhǎng)溝峪礦、大臺(tái)井、木城澗礦、大安山礦都有沖擊地壓發(fā)生,其中尤以門(mén)頭溝礦、房山礦、城子礦和大臺(tái)井最為嚴(yán)重。大安山礦自1996年以來(lái)已多次發(fā)生震級(jí)較大的沖擊地壓。
表2 京西煤田構(gòu)造凹地反差強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Tab le2 Contrast of tectonic concave of western Beijing coalfield
通常情況下,當(dāng)構(gòu)造反差強(qiáng)度大于0.50時(shí),表明構(gòu)造凹地具有發(fā)生沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的動(dòng)力條件。從京西煤田各井田構(gòu)造反差強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果來(lái)看,構(gòu)造反差強(qiáng)度最小為房山礦(0.66),其次為長(zhǎng)溝峪礦(0.67)、大安山礦(0.68),表明京西煤田各礦井沖擊地壓災(zāi)害都具備發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的動(dòng)力條件。目前生產(chǎn)的礦井中,大臺(tái)井、大安山礦、長(zhǎng)溝峪礦等都具備發(fā)生嚴(yán)重沖擊地壓災(zāi)害的動(dòng)力條件。
地下開(kāi)挖空間巖體破壞的形式可以分為2類,一類是重力作用下巖塊沿結(jié)構(gòu)面的冒落,另一類是高應(yīng)力作用下巖體的破壞[22-24]。前者是在構(gòu)造應(yīng)力弱的條件下,巖體破壞沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)與構(gòu)造斷塊的冒落,構(gòu)造塊體本身并不會(huì)破壞,從過(guò)程上來(lái)講相對(duì)緩慢,從釋放能量的級(jí)別來(lái)看能量相對(duì)較低。后者是當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力很大時(shí),構(gòu)造塊體本身被壓壞的現(xiàn)象將占主導(dǎo)地位,這一過(guò)程屬于彈性能量的突然猛烈釋放。煤巖體在高構(gòu)造應(yīng)力條件下,無(wú)法實(shí)現(xiàn)沿構(gòu)造非均質(zhì)面的滑落而釋放其彈性變形潛能,這種彈性變形潛能往往會(huì)以塊體整體的突然破壞等較為強(qiáng)烈的方式釋放,即發(fā)生沖擊地壓。對(duì)于采礦工程而言,需要事先判斷煤巖體可能出現(xiàn)的破壞類型,以便在礦井開(kāi)拓開(kāi)采設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的措施以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。
Martin提出了評(píng)估巖體破壞類型決策樹(shù)模型(圖7)[25]。在該模型中,將巖體分為軟弱巖體(地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI<30)和堅(jiān)硬巖體(GSI>40)。從該模型中可以得出,只有巖體GSI高于40,且?guī)r體所受最大主應(yīng)力σ1>0.15σC時(shí),巖體才會(huì)發(fā)生脆性破壞,沖擊地壓作為煤巖體發(fā)生的一種突然的、強(qiáng)烈的脆性破壞,也應(yīng)該滿足上述條件。
圖7 地下開(kāi)挖破壞類型的決策樹(shù)模型[22]Fig.7 Decision tree of failure around underground openings[22]
采掘工程作為沖擊地壓地壓的誘發(fā)因素,是因?yàn)槠淦茐牧藥r體的原始平衡狀態(tài),在煤巖體中出現(xiàn)了應(yīng)力升高區(qū)域。Martin等利用最大切應(yīng)力σmax作為開(kāi)采引起應(yīng)力集中的指標(biāo),其計(jì)算方法[23]如下:
式(7)表明,開(kāi)采形成的應(yīng)力集中程度與最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力有關(guān),最大主應(yīng)力越大且與最小主應(yīng)力的差值越大,開(kāi)采形成的應(yīng)力集中程度越高,煤巖體發(fā)生破壞的可能性越大。京西煤田最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值大,采動(dòng)應(yīng)力集中程度高,煤巖體更容易發(fā)生破壞。
構(gòu)造應(yīng)力不僅影響巖體的破壞類型,同時(shí)也對(duì)其破壞后的釋放能量大小具有重要影響。圖8給出了最大切應(yīng)力、巖體強(qiáng)度與能量釋放之間關(guān)系[22]。巖體所承受的地應(yīng)力水平越高,巖體最大切應(yīng)力越高,其破壞后釋放的能量越大,特別是當(dāng)應(yīng)力與巖體強(qiáng)度的比值大于2.5時(shí),釋放能量顯著增加。沖擊地壓的顯著特點(diǎn)是釋放大量應(yīng)變能量,因此高地應(yīng)力是沖擊地壓發(fā)生的必要條件。
圖8 巖體破壞釋放應(yīng)變能量危險(xiǎn)[22]Fig.8 Strain energy release hazard of rock failure[22]
(1)京西煤田所處區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)性強(qiáng),現(xiàn)代地殼隆起幅度大,表明該區(qū)處于強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓區(qū),具有形成高構(gòu)造應(yīng)力的構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境。
(2)地應(yīng)力測(cè)量表明京西煤田最大主應(yīng)力明顯高于全國(guó)平均水平,最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值也高于全國(guó)平均水平,構(gòu)造應(yīng)力差(σ1/σ3)顯著,這是京西煤田沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力環(huán)境。
(3)京西煤田處于高應(yīng)變能密度變化率地區(qū),地殼積累能量高,形成了沖擊地壓煤巖體破裂釋放能量的主要來(lái)源,因此其具有發(fā)生沖擊地壓的能量環(huán)境。
(4)京西煤田構(gòu)造反差強(qiáng)度大于0.50,具有發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境,各礦井沖擊地壓災(zāi)害都具備發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的地質(zhì)動(dòng)力條件。
(5)煤巖體在高構(gòu)造應(yīng)力條件下,無(wú)法實(shí)現(xiàn)沿構(gòu)造非均質(zhì)面的滑落而釋放其彈性變形潛能,因而這種彈性變形潛能往往會(huì)以塊體整體的突然破壞等較為強(qiáng)烈的形式釋放,即發(fā)生沖擊地壓。
(6)沖擊地壓有其孕育的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境,在礦井開(kāi)采前,應(yīng)對(duì)礦井所處的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行評(píng)估,確定礦井是否具有發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力條件。
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Geodynam ic environm ent of rockburst in western Beijing coalfield
HAN Jun,ZHANG Hong-wei,LAN Tian-wei,LISheng
(College ofMining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)
To determine the rockburst’s geodynamic environment of western Beijing coalfield,analyzed geological structure,the neo-tectonic movement,stress field,crustal strain energy,calculated contrast of tectonic concave,assess of the geodynamic environment,and discussed the mechanism of rockburst.Research shows that western Beijing coalfield belongs to modern crustal uplift areas,the neo-tectonic movement is intensive;maximum principal stress is significantly higher than the average value,and the difference of maximum principal stress and minimum principal stress is significant;and the crustal strain energy density is higher than others because of high elastic strain energy.The contrast of tectonic concave is greater than 0.5,it shows thatwestern Beijing coalfield has the geodynamic condition of rock burst.The rockburst ofwestern Beijing coalfield is coal and rock sudden and rapid damage and release of energy as a whole block at high tectonic stress conditions.
rockburst;geodynamic environment;stress field;tectonic concave
煤礦科技規(guī)范名詞與廢棄名詞比對(duì)(9)
TD324
A
0253-9993(2014)06-1056-07
韓 軍,張宏偉,蘭天偉,等.京西煤田沖擊地壓的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1056-1062.
10.13225/j.cnki.jccs.2013.1426
Han Jun,Zhang Hongwei,Lan Tianwei,et al.Geodynamic environment of rockburst in western Beijing coalfield[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1056-1062.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1426
2013-09-29 責(zé)任編輯:常 琛
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104085);遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201204407);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(LJQ2013035)
韓 軍(1980—),男,內(nèi)蒙古臨河人,副教授,博士。Tel:0418-3350473,E-mail:hanj_lntu@163.com