忻州窯礦高集中應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律研究及應(yīng)用

張鄭偉

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同大科技研究院，山西大同037003）

0 引言

忻州窯礦主要開采大同煤田東北部侏羅系煤層，煤層埋藏深度200 m～350 m，頂?shù)装寮懊簩臃稀皟捎病碧攸c(diǎn)，該礦發(fā)生沖擊地壓深度約為300 m，屬于典型的“兩硬”條件下淺部沖擊，也是大同礦區(qū)發(fā)生沖擊地壓最為典型、最為嚴(yán)重的礦井。因此，掌握沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、有效防治高集中應(yīng)力區(qū)域沖擊地壓發(fā)生已成為忻州窯礦亟待解決的問題。1忻州窯礦沖擊地壓發(fā)生特征

沖擊地壓主要發(fā)生在井田的西一盤區(qū)、西二盤區(qū)和東三盤區(qū)，2005年以來(lái)，發(fā)生沖擊地壓37次，并全部集中于西二、西一2個(gè)生產(chǎn)盤區(qū)。忻州窯礦在開采西二盤區(qū)8935綜放面和8937綜放面期間出現(xiàn)多次沖擊地壓事故，且主要集中在鄰空側(cè)巷道超前工作面0 m～110 m范圍、上部3#煤層采空區(qū)保護(hù)煤柱下方以及斷層破碎帶對(duì)應(yīng)區(qū)域，造成支柱折損，巷道破壞嚴(yán)重。

2 礦區(qū)活動(dòng)構(gòu)造劃分及對(duì)沖擊地壓影響

2.1 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃基于板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，而礦井生產(chǎn)活動(dòng)與構(gòu)造塊體存在緊密聯(lián)系，它主要通過地形地貌來(lái)判斷研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的演化規(guī)律，以斷裂形式、最大主應(yīng)力、煤巖體及其力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力梯度等多種因素為依據(jù)來(lái)完成礦井動(dòng)力顯現(xiàn)預(yù)測(cè)工作[1-2]。

通常大比例尺圖件反應(yīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的“輪廓”，小比例尺圖件則體現(xiàn)具體構(gòu)造特征，這對(duì)地質(zhì)動(dòng)力預(yù)測(cè)至關(guān)重要。具體劃分原則見表1。

表1地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃斷塊劃分比例范圍

2.2 大同礦區(qū)構(gòu)造斷塊劃分

(1)Ⅰ級(jí)構(gòu)造斷塊的劃分

本文主要采用繪圖法，結(jié)合井下、地面調(diào)研資料、航衛(wèi)片資料、構(gòu)造特征等將忻州窯井田劃分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)五個(gè)等級(jí)的斷塊，并明確各級(jí)構(gòu)造斷塊的邊界—活動(dòng)斷裂[3-4]。

在1：200萬(wàn)比例尺的地形圖上將大同礦區(qū)劃出Ⅰ級(jí)活動(dòng)斷裂15條，用羅馬符號(hào)表示斷裂的級(jí)別，用阿拉伯?dāng)?shù)字作編號(hào)，圖1（a）。

(2)Ⅱ級(jí)構(gòu)造斷塊的劃分

Ⅱ級(jí)構(gòu)造斷塊的劃分是在Ⅰ級(jí)構(gòu)造斷塊劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。將已經(jīng)確定的Ⅰ級(jí)斷塊邊界轉(zhuǎn)繪到1：100萬(wàn)比例尺的地形圖上，進(jìn)一步劃分Ⅱ級(jí)構(gòu)造斷塊，在研究區(qū)域內(nèi)共劃出Ⅱ級(jí)活動(dòng)斷裂15條，圖1（b）。

(3)Ⅲ級(jí)構(gòu)造斷塊的劃分

在1：20萬(wàn)比例尺的地形圖上將大同礦區(qū)劃分出Ⅲ級(jí)活動(dòng)斷裂14條圖1（c），其中Ⅲ-5斷裂穿過忻州窯礦區(qū)。

(4)Ⅳ級(jí)構(gòu)造斷塊的劃分

在1：5萬(wàn)比例尺的地形圖上將大同礦區(qū)劃出Ⅳ級(jí)活動(dòng)斷裂17條，其中Ⅳ-6、Ⅳ-7、Ⅳ-10、Ⅳ-11斷裂穿過忻州窯礦井田范圍。

(5)Ⅴ級(jí)構(gòu)造斷塊的劃分

在1：1萬(wàn)比例尺的地形圖上將忻州窯井田劃出Ⅴ級(jí)斷裂共有8條圖1（d），其中Ⅴ-2、Ⅴ-5、Ⅴ-6、Ⅴ-7斷裂穿過忻州窯礦井田范圍。在這些斷裂中，NE、NW向斷裂以及EW向斷裂構(gòu)成了井田的構(gòu)造格局。

圖1大同礦區(qū)構(gòu)造斷塊等級(jí)區(qū)劃圖

3 高集中應(yīng)力區(qū)域巖體應(yīng)力狀態(tài)分析

3.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

運(yùn)用地質(zhì)動(dòng)力學(xué)劃分出忻州窯井田的Ⅰ～Ⅴ級(jí)斷塊圖，應(yīng)力計(jì)算選擇Ⅴ級(jí)斷塊并應(yīng)用“巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)”來(lái)建立模型，模型尺寸為10 km×10 km（圖2）?；趫D2進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共劃分了10 201個(gè)節(jié)點(diǎn)，20 000個(gè)單元。單元?jiǎng)澐滞戤吅?，將相關(guān)斷裂、井田邊界、煤層邊界線等信息輸入到模型中（見圖3)。

圖2忻州窯煤礦巖性分布

圖3巖體應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算模型

3.2 參數(shù)的定義

（1）地應(yīng)力參數(shù)確定

根據(jù)忻州窯井田的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，忻州窯煤礦地應(yīng)力場(chǎng)屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，地應(yīng)力是以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)，西二盤區(qū)11#層的最大主應(yīng)力值為12.95 MPa，方向 N29.3°W，最小主應(yīng)力值為 7.14 MPa，方向 N60.7°E。煤巖體應(yīng)力計(jì)算時(shí)將應(yīng)力值分別投影到坐標(biāo)軸的X向和Y向，進(jìn)行計(jì)算，投影的結(jié)果為：X向的應(yīng)力值為6.23 MPa，Y向的應(yīng)力值為11.29 MPa。

（2）巖體力學(xué)參數(shù)確定

忻州窯煤礦11#層頂板的巖性以細(xì)砂巖為主，根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，其彈性模量平均值為23.70 GPa，泊松比為0.11。由于各工作面的相繼回采，目前8939工作面以外的區(qū)域均為采空區(qū)，將井田范圍內(nèi)采空區(qū)定義為一類，彈性模量取值為2.37 GPa，泊松比取值為 0.11；煤層為一類：彈性模量取值為3.66 GPa，泊松比取值為0.32

斷裂帶力學(xué)參數(shù)的選取原則：Ⅰ級(jí)～Ⅲ級(jí)斷裂歸為一類，彈性模量取值取正常巖體參數(shù)的1/10，即0.237 GPa，泊松比取值為 0.11；Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)斷裂歸為一類，彈性模量取正常巖體參數(shù)的1/5，即0.474 GPa，泊松比取值為0.11。

3.3 應(yīng)力的計(jì)算

應(yīng)用“巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)”軟件，選取上述巖石力學(xué)參數(shù)與邊界載荷，計(jì)算西二盤區(qū)11#煤層頂板應(yīng)力分布，分別得到了煤巖層的水平最大主應(yīng)力值、水平最小主應(yīng)力值和水平剪應(yīng)力值。計(jì)算得到的8939工作面所在區(qū)域最大主應(yīng)力分布如圖4。

圖4 8939工作面所在區(qū)域最大主應(yīng)力分布圖

高應(yīng)力區(qū)域，由于應(yīng)力高，彈性能積聚，巖體處于極限平衡狀態(tài)。若此時(shí)平衡狀態(tài)遭到外界因素的破壞，巖體內(nèi)高應(yīng)力迅速減小，彈性能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，從而誘發(fā)沖擊地壓。

應(yīng)力梯度區(qū)域，由于應(yīng)力與變形模量增速加大，導(dǎo)致彈性波加速通過，導(dǎo)電率急劇變化。該區(qū)水分含量低，巖石脆性大，構(gòu)造復(fù)雜，煤炭資源難于開采。

低應(yīng)力區(qū)域，水分含量大，粘結(jié)力降低，巖石強(qiáng)度和變形都有較大改變，加之地下水的運(yùn)動(dòng)及化學(xué)溶蝕作用，不利于該區(qū)域能量的積聚[5-6]。

圖5同時(shí)給出了8939工作面所在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分，西二盤區(qū)原巖應(yīng)力7.29 MPa，高集中應(yīng)力區(qū)域工作面未開采時(shí)，高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力值為14 MPa，增加了92%，沿煤層走向影響范圍為434 m～678 m，最高應(yīng)力值已達(dá)到了應(yīng)力正常區(qū)域（14.58 MPa）的1.09倍。因此在未開采時(shí)，此處的應(yīng)力已處于很高水平，開采過程中疊加了采動(dòng)應(yīng)力后，形成了更為強(qiáng)烈的應(yīng)力集中作用，煤巖體承受了更高的應(yīng)力載荷，從而為沖擊地壓的發(fā)生提供了必要且充足的應(yīng)力條件。應(yīng)力梯度區(qū)在較小范圍內(nèi)應(yīng)力值從12.9 MPa增加值14 MPa，沿煤層走向影響范圍為265 m～434 m和678 m～1 131 m。高應(yīng)力是沖擊地壓發(fā)生的重要條件。在以上區(qū)域，特別是在高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行采掘工程時(shí)，需要采取具有針對(duì)性的措施以降低應(yīng)力集中程度，釋放煤巖體中積聚的能量，避免沖擊地壓的發(fā)生。對(duì)于應(yīng)力梯度區(qū)，則需要加強(qiáng)沖擊地壓監(jiān)測(cè)。

圖5 8939工作面所在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分

3.4 現(xiàn)場(chǎng)情況

2939巷煤柱側(cè)存在3個(gè)危險(xiǎn)的三角煤區(qū)域，需要對(duì)此區(qū)域進(jìn)行卸壓解危。建議卸壓鉆孔施工位置為400 m～441 m、710 m～739 m、784 m～812 m、1127 m～停采線，與構(gòu)造應(yīng)力區(qū)一致。在回采過程中，由于2939巷一側(cè)保護(hù)煤柱留設(shè)較寬，壓力顯現(xiàn)不如5939巷明顯。

在5939巷掘進(jìn)過程中，距離工作面切眼222 m～322 m的區(qū)域發(fā)生底鼓，與應(yīng)力梯度區(qū)域較為一致；8939工作面存在破碎帶區(qū)，位于2939巷實(shí)體煤側(cè)814 m～882 m與5939巷實(shí)體煤側(cè)885 m～955 m之間，巷道壓力顯現(xiàn)明顯，支護(hù)變形嚴(yán)重，與區(qū)劃應(yīng)力梯度較為一致。

利用巖體應(yīng)力分析計(jì)算構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況取得了較好的一致性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力梯度區(qū)的解危和防治，保證工作面的安全開采。

4 結(jié)論

(1)利用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法對(duì)大同礦區(qū)構(gòu)造斷塊進(jìn)行了劃分，將大同礦區(qū)分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)斷裂。對(duì)忻州窯井田具有重要影響的斷裂帶包括Ⅲ-5斷裂、Ⅳ-6斷裂、Ⅳ-7斷裂、Ⅳ-10斷裂、Ⅳ-11斷裂、Ⅴ-1斷裂、Ⅴ-2斷裂、Ⅴ-3斷裂、Ⅴ-5斷裂、Ⅴ-6斷裂和Ⅴ-7斷裂。Ⅲ-5斷裂從井田的東北延伸至西南，與口泉斷裂平行，對(duì)整個(gè)井田的應(yīng)力狀態(tài)具有重要作用。

(2)結(jié)合地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法所得斷裂，利用自主開發(fā)的巖體應(yīng)力分析軟件對(duì)煤巖體應(yīng)力進(jìn)行分析。忻州窯礦高集中應(yīng)力區(qū)域主要受Ⅴ-2斷裂的影響，在8939工作面未開采前，沿煤層走向影響范圍434 m～678 m，高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力值為14 MPa，為原巖應(yīng)力的1.92倍，為沖擊地壓重點(diǎn)防治區(qū)域。