東榮二礦井田構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)特征及其應(yīng)用研究

劉洪泉 楊振華

（1、黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 雙鴨山分公司東榮二礦，黑龍江 雙鴨山 155100 2、遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

1 井田概況及地質(zhì)構(gòu)造模型

1.1 井田概況

東榮二礦開采過程中已發(fā)生多次礦井動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，其中17#煤層發(fā)生動(dòng)力顯現(xiàn)的次數(shù)較多、強(qiáng)度較大。文中主要對(duì)17#煤層的構(gòu)造應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算和分區(qū)，研究構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)特征對(duì)礦井動(dòng)力顯現(xiàn)的影響。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造模型構(gòu)建

基于地質(zhì)構(gòu)造形式、現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征和斷裂活動(dòng)特征，從板塊構(gòu)造的尺度出發(fā)，根據(jù)斷塊的主從關(guān)系和大小從高級(jí)到低級(jí)按順序確定出Ⅰ～Ⅴ級(jí)各級(jí)斷塊，建立了現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系。依據(jù)Ⅴ級(jí)區(qū)劃圖確定的斷塊構(gòu)造邊界，建立了東榮二礦井田地質(zhì)構(gòu)造模型，如圖1 所示。

圖1 東榮二礦井田地質(zhì)構(gòu)造模型

2 構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算模型

2.1 頂板巖性分布特征確定

根據(jù)東榮二礦井田地面勘探鉆孔及井巷采掘工程揭露的煤層頂板巖性信息，運(yùn)用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃信息管理系統(tǒng)軟件，進(jìn)行巖性分布計(jì)算及巖體分區(qū)，確定17#煤層頂板巖性分布特征。

2.2 裂及頂板巖性力學(xué)參數(shù)確定

東榮二礦17#煤層直接頂巖性以細(xì)砂巖和粉砂巖為主，井田范圍內(nèi)存在Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)區(qū)劃斷裂。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到的不同巖性的物理力學(xué)參數(shù)，確定頂板巖性分類及斷裂力學(xué)特征參數(shù)，見表1。

表1 東榮二礦17#煤層頂板巖性及力學(xué)參數(shù)

2.3 邊界及加載條件確定

參考東榮二礦的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，確定東榮二礦17#煤層構(gòu)造應(yīng)力模型的σ1為32.20 MPa，σ3為23.32 MPa。

2.4 應(yīng)力計(jì)算模型構(gòu)建

結(jié)合東榮二礦井田地質(zhì)構(gòu)造模型，建立構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算模型。模型長(zhǎng)度為8 km，寬度為7 km，面積為56 km2，共劃分22701個(gè)節(jié)點(diǎn)，44800 個(gè)單元，應(yīng)力計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 17#煤層巖體應(yīng)力計(jì)算模型

3 構(gòu)造應(yīng)力分析及應(yīng)用

3.1 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

應(yīng)用巖體應(yīng)力分析系統(tǒng)，根據(jù)表1 中的斷裂及巖性力學(xué)參數(shù)，為計(jì)算模型中的煤層頂板和斷裂賦值。計(jì)算得到東榮二礦17#煤層井田的最大主應(yīng)力值、最小主應(yīng)力值和剪應(yīng)力值，得到17#煤層頂板的構(gòu)造應(yīng)力分布，如圖3 所示。

3.2 構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)

由圖3 可知，17# 煤層井田范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力值為13～25 MPa，結(jié)合礦井實(shí)際情況，將井田區(qū)域劃分為高應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力梯度區(qū)和低應(yīng)力區(qū)3 類應(yīng)力區(qū)域。東榮二礦17#煤層構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)結(jié)果如圖4 所示。高應(yīng)力區(qū)：劃分3 個(gè)區(qū)域。①位于井田中東部，應(yīng)力值為22～25 MPa，Ⅳ-19、Ⅴ-31、Ⅴ-33、Ⅴ-34斷裂從其中穿過，影響范圍為2.11 km2；②位于井田東部，應(yīng)力值為22～23 MPa，影響范圍為0.25 km2；③位于井田南部，應(yīng)力值為22～25 MPa，Ⅴ-24、Ⅴ-32 斷裂在該區(qū)域交匯，Ⅴ-25 斷裂從其中穿過，影響范圍為0.91 km2。應(yīng)力梯度區(qū)：劃分6 個(gè)區(qū)域。①位于井田東北部，應(yīng)力值為17～22 MPa，影響范圍為0.70 km2；②位于井田中東部，應(yīng)力值為17～22 MPa，影響范圍為1.33 km2；③位于井田東部，應(yīng)力值為17～22 MPa，影響范圍為0.23 km2；④位于井田東南部，應(yīng)力值為17～22 MPa，影響范圍為0.29 km2；⑤位于井田南部，應(yīng)力值為17～22 MPa，影響范圍為0.28 km2；⑥位于井田西部，應(yīng)力值為17～22 MPa，影響范圍為2.65 km2。

圖3 東榮二礦17#煤層構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布

圖4 東榮二礦17#煤層構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)

低應(yīng)力區(qū)：劃分4 個(gè)區(qū)域。①位于井田東北部，應(yīng)力值為16～17 MPa，Ⅴ-39 斷裂從其中穿過，影響范圍為0.53 km2；②位于井田西部，應(yīng)力值為13～17 MPa，Ⅴ-29、Ⅴ-30、Ⅴ-31 斷裂從其中穿過，影響范圍為1.85 km2；③位于井田東部，應(yīng)力值為16～17 MPa，Ⅳ-20 斷裂從其中穿過，影響范圍為0.25 km2；④位于井田南部，應(yīng)力值小于17 MPa，影響范圍為0.40 km2。

3.3 構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)對(duì)礦井動(dòng)力顯現(xiàn)的影響

井田東北部應(yīng)力梯度區(qū)位于東二上采區(qū)范圍內(nèi)；井田中東部應(yīng)力梯度區(qū)，對(duì)中一上邊界塊段一面初采階段有一定影響；井田東部和東南部應(yīng)力梯度區(qū)位于已關(guān)閉采區(qū)范圍內(nèi)；井田南部應(yīng)力梯度區(qū)位于南四上采區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)該采區(qū)的零一面有一定影響；井田西部應(yīng)力梯度區(qū)目前主要對(duì)南四上采區(qū)的五面有一定影響。

井田低應(yīng)力區(qū)分別位于井田東北部、西部、東部和南部。17#煤層近三年接續(xù)工作面中，東二上采區(qū)三面里部部分位于東北部低應(yīng)力區(qū)范圍內(nèi)；西部、東部和南部低應(yīng)力區(qū)范圍內(nèi)目前無接續(xù)工作面。東榮二礦17#煤層開采過程中已發(fā)生的4 個(gè)動(dòng)力顯現(xiàn)點(diǎn)中，3 個(gè)位于劃分的應(yīng)力梯度區(qū)范圍內(nèi)，1 個(gè)位于正常應(yīng)力區(qū)范圍內(nèi)。表明應(yīng)力分區(qū)對(duì)礦井開采中的動(dòng)力顯現(xiàn)具有控制作用。東榮二礦17#煤層構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)與采掘工程位置關(guān)系。

4 結(jié)論

4.1 基于井田地質(zhì)構(gòu)造模型、頂板巖性分布及應(yīng)力位移邊界條件，構(gòu)建了東榮二礦17#煤層構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算模型，得到了井田構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律，17#煤層井田范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力值為13～25 MPa。

4.2 根據(jù)井田構(gòu)造應(yīng)力分布和礦井實(shí)際情況，在井田范圍內(nèi)劃分了3 個(gè)高應(yīng)力區(qū)、6 個(gè)應(yīng)力梯度區(qū)及4 個(gè)低應(yīng)力區(qū)；17#煤層已發(fā)生的4 個(gè)動(dòng)力顯現(xiàn)點(diǎn)中，3 個(gè)位于劃分的應(yīng)力梯度區(qū)范圍內(nèi)，表明應(yīng)力分區(qū)對(duì)礦井動(dòng)力顯現(xiàn)具有控制作用。

4.3 東榮二礦17#煤層近三年接續(xù)工作面中，南四上采區(qū)零一面、五面和六面位于高應(yīng)力區(qū)影響范圍內(nèi)，中一上邊界塊段一面部分位于應(yīng)力梯度區(qū)影響范圍內(nèi)，回采時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，提前采取卸壓防治措施。