大型逆沖斷層區(qū)域沖擊地壓頻發(fā)地質(zhì)原因分析

張萬鵬，李松營，楊 培

(河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南 鄭州 450046)

義馬煤田位于河南省三門峽市，橫跨義馬和澠池兩地，是河南省境內(nèi)唯一開采中生代侏羅系煤層的煤田，面積100 km2，走向近東西，曾有6對生產(chǎn)礦井，5對井工礦和1個露天礦。5對井工礦井自西向東分別為楊村煤礦、耿村煤礦、千秋煤礦、躍進(jìn)煤礦和常村煤礦，1個露天礦為北露天礦，受資源枯竭和煤炭去產(chǎn)能政策影響，北露天煤礦、楊村煤礦和躍進(jìn)煤礦已相繼關(guān)閉。

義馬煤田沖擊地壓從20世紀(jì)八十年代開始顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為響“煤炮”、巷道局部輕度變形、設(shè)備輕微位移等，由于沒有影響正常生產(chǎn)，加之當(dāng)時缺乏對沖擊地壓的認(rèn)識，故未做記錄。首次有記錄的是千秋煤礦18152下巷掘進(jìn)工作面在1998年9月3日所發(fā)生的沖擊地壓，事故造成2人死亡，1人受傷，工作面停產(chǎn)60天。之后，義馬煤田中部5對礦井陸續(xù)出現(xiàn)沖擊地壓，不同程度地受到?jīng)_擊地壓威脅[1].近年來，義馬煤田5對生產(chǎn)礦井均轉(zhuǎn)入深部開采，最大開采深度已達(dá)1 060 m，距離大型義馬逆沖斷層(F16逆沖斷層)越來越近，并開始越過該斷層。隨著采深的增加和開采強(qiáng)度的加大，義馬煤田沖擊地壓災(zāi)害趨于嚴(yán)重。截至2019年底，義馬煤田已累計(jì)發(fā)生有記錄的較為明顯的沖擊地壓110余次，直接、間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元，成為全國沖擊地壓危害最嚴(yán)重的礦區(qū)之一。針對義馬煤田沖擊地壓災(zāi)害，國內(nèi)科研院所、高校等開展了一系列科研工作，取得了科研成果，對義馬煤田的沖擊地壓災(zāi)害防治工作起到了推動和示范作用，但以往研究多從開采條件方面著手，圍繞義馬煤田地質(zhì)條件，尤其是義馬煤田南部的F16大型逆沖斷層與沖擊地壓災(zāi)害之間關(guān)系的研究相對較少。本文圍繞義馬煤田南部F16斷層開展構(gòu)造應(yīng)力分析，研究義馬煤田深部F16大型逆沖斷層區(qū)域沖擊地壓頻發(fā)的地質(zhì)原因。

1 義馬盆地和F1逆沖斷層演化概述

義馬盆地位于崤熊構(gòu)造區(qū)西北部，發(fā)育在三角形的澠池義馬斷塊之上，該斷塊被近東西向、北西向和北東向等三組斷裂所圍限，即東北部的岸上斷層(走向北西)、西北部的扣門山斷層(走向北東)和南部的硤石-義馬斷層(走向近東西)，硤石-義馬斷層又稱為硤石-F16逆沖斷層。這3條斷層均為區(qū)域性斷層，特別是南部的硤石-義馬斷裂和東北部的岸上斷層，具長期活動歷史，對義馬煤盆地的形成和演化起了決定性的控制作用，義馬盆地構(gòu)造綱要圖見圖1.

圖1 義馬盆地構(gòu)造綱要圖

在三疊系地層沉積后抬升階段，受印支運(yùn)動影響，先期形成了硤石-南平泉逆沖斷層組，并與岸上斷層、扣門山斷層共同組成了義馬山間斷陷盆地。硤石-南平泉逆沖斷層組持續(xù)活動，燕山晚期更加劇烈。受其影響，中侏羅世豫西地區(qū)大面積隆起并伴隨大規(guī)模的巖漿活動，在隆起的邊緣地帶發(fā)生重力擴(kuò)展，同時伴有南部造山運(yùn)動后期的伸展運(yùn)動，產(chǎn)生由南向北的大規(guī)模擠壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致義馬盆地南部近東西向逆沖推覆構(gòu)造的形成，盆地內(nèi)近南北向張性、張扭性斷層的產(chǎn)生。

硤石-義馬逆沖推覆構(gòu)造體系的形成過程是由南向北擠壓的不斷擴(kuò)展過程，最先開始活動的應(yīng)是硤石-南平泉斷層以北一定范圍內(nèi)的二疊-三疊系地塊。由于受硤石-南平泉逆沖斷層活動影響和在由南向北的巨大擠壓應(yīng)力作用下，在硤石-南平泉逆沖斷層北邊巖層薄弱地帶發(fā)生錯動，形成斷裂面，下伏地層沿著斷裂面由下向上、由北向南發(fā)生不同程度的逆沖運(yùn)動，形成硤石-F16逆沖斷層組。先期形成的斷裂面，多遷就地層的軟弱面，以煤層和泥巖為主，會出現(xiàn)層間滑動，其次在砂巖-泥巖軟硬巖石接觸面。進(jìn)一步的擠壓作用又將引起硤石-南平泉逆沖斷層與硤石-F16逆沖斷層間二疊-三疊系地塊中一系列次級逆斷層的形成；

更進(jìn)一步的擠壓作用使硤石-F16逆沖斷層以南的次級逆斷層強(qiáng)烈活動，一方面造成各斷層間的楔形塊體擠壓變薄；另一方面，在運(yùn)動過程中由于速度不一，各楔形塊體將發(fā)生扭動，從而使得原始地層產(chǎn)狀發(fā)生變化。在F16斷層以北的廣大地區(qū)，擠壓作用力的加強(qiáng)將造成被正斷層切割開的地塊沿著泥巖段泥巖層頂面向北作逆沖運(yùn)動，從而開始大規(guī)模的逆沖滑移；同時，由于被正斷層切割開的各地塊逆沖運(yùn)動的速度有差異，各地塊之間的斷層界面將由于斷塊差異運(yùn)動而表現(xiàn)出扭性斷層的特點(diǎn)，此時，早期形成的張性斷裂轉(zhuǎn)變成扭性，斷層面上出現(xiàn)大量水平擦痕及擠碎的石英巖粉，由下部地層中向上貫入斷層帶中被揉搓形成的斷層泥也屬此時的產(chǎn)物。至此，義馬逆沖推覆構(gòu)造體系基本確立[2].

2 地面勘探和井下采掘揭露

F16斷層(義馬斷層)為受南北擠壓作用而形成的大型逆沖斷層，延伸長度約45 km，水平斷距20～1 080 m，最大垂直落差超過500 m，是義馬煤田的主控構(gòu)造，主要形成于燕山運(yùn)動時期。F16斷層走向近東西，大部分地段傾向南略偏東。斷層傾角上陡下緩，即在中、上部的砂巖和礫巖等堅(jiān)硬巖石段發(fā)生剛性斷裂，斷層面較陡，傾角多在70°以上；在底部煤層、泥巖等軟弱巖段則以水平滑動為主，傾角逐漸變小，在轉(zhuǎn)折端區(qū)域多在20°～30°，而在滑動區(qū)域斷層傾角與煤層傾角完全一致，F(xiàn)16逆沖斷層地質(zhì)勘探和井下揭露剖面圖見圖2[3-4].

圖2 F16逆沖斷層地質(zhì)勘探和井下揭露剖面圖

3 F16斷層區(qū)域應(yīng)力場分析

地層的運(yùn)動形成各種各樣的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶皺，在這些地區(qū)特別是深部巖層中某個點(diǎn)的應(yīng)力(包括大小和方向)是自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜合疊加，其最大主應(yīng)力的大小和方向，在多數(shù)情況下往往是由構(gòu)造運(yùn)動形成的應(yīng)力所決定的。特別是臨近背、向斜軸等構(gòu)造線的部位，構(gòu)造運(yùn)動形成的應(yīng)力場往往是最重要的[5-6].在國外一些開采深度較大的礦井中進(jìn)行應(yīng)力測量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水平成因構(gòu)造單元中的水平方向最大主應(yīng)力可以比垂直應(yīng)力高出3～5倍，達(dá)到自重應(yīng)力值的8～10倍，甚至更大。在構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，一方面形成新的斷裂組合，同時對井下開采過程中的各種動力現(xiàn)象的發(fā)生起著決定性作用，構(gòu)造應(yīng)力是孕育沖擊地壓的主要動力環(huán)境因素之一。

義馬向斜的狹長形態(tài)和F16斷層的壓扭性質(zhì)與近東西走向均說明南北擠壓作用構(gòu)成義馬煤田的主構(gòu)造應(yīng)力，其方向近SN[7].構(gòu)造應(yīng)力自北向南遞增。正是南北向的強(qiáng)大推擠作用，導(dǎo)致斷層上盤的下伏三疊系泥砂巖地層在煤田南部邊緣區(qū)域能夠疊置在中侏羅統(tǒng)義馬組2-3煤之上，也使得三疊系地層呈現(xiàn)近直立、直立、甚至倒轉(zhuǎn)的狀態(tài)，還使得煤層在滑動區(qū)域嚴(yán)重薄化，甚至缺失，而在斷層轉(zhuǎn)折端煤層由于受到推擠、阻滯等作用而異常增厚，最厚達(dá)百米以上。也正是由于不均勻的南北向擠壓作用，義馬煤田內(nèi)出現(xiàn)較多的近SN走向的正斷層，義馬煤田構(gòu)造綱要圖見圖3.

一般認(rèn)為，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖石強(qiáng)度越高，完整性越好、應(yīng)力的量級也越大。這是因?yàn)閳?jiān)硬的高強(qiáng)度巖層往往能夠在構(gòu)造運(yùn)動過程中吸收和集聚能量而且能夠長時間地保存下來。相反，巖性松軟或強(qiáng)度低的巖層，或強(qiáng)度雖高但已遭破壞的巖層，集聚能量的能力很弱，集聚的能量很容易在長時間流變過程中釋放掉。這是在受構(gòu)造影響的堅(jiān)硬巖層或其相鄰的巖層中開掘巷道，容易產(chǎn)生瓦斯或煤層突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害事故的一個重要原因。義馬煤田2煤組合并區(qū)域直接頂板一般為厚度20余米的泥巖；之上為馬凹組地層，厚度0～253 m，平均166 m，煤田自西向東，碎屑顆粒由大到小從礫巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗌皫r互層；再向上為發(fā)育到地表或接近地表的最厚達(dá)700余米的巨厚礫巖層。煤層底板普遍發(fā)育有底礫巖，有的區(qū)域煤層與底礫巖直接相連。礫巖、砂巖比較堅(jiān)硬，而煤層、煤矸互疊層、泥巖相對軟弱。這種“兩硬一軟”的煤巖結(jié)構(gòu)在造成堅(jiān)硬頂板積聚彈性能的同時，煤體也將承受較大的擠壓作用[8-9].

圖3 義馬煤田構(gòu)造綱要圖

4 數(shù)值模擬

為了研究義馬煤田地應(yīng)力分布與變化特征，特別是F16斷層附近應(yīng)力場，該研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析。數(shù)值計(jì)算幾何模型根據(jù)義馬煤田37地質(zhì)勘探線剖面和義馬煤田走向地質(zhì)剖面線千秋礦段建立。模型南北寬約4 240 m、東西寬約1 800 m、高約1 700 m，網(wǎng)絡(luò)剖分圖見圖4.

圖4 網(wǎng)格剖分圖

該次數(shù)值分析所建立的材料模型定義為彈性材料，模型邊界條件設(shè)置為上表面自由，左右邊界為應(yīng)力邊界，下邊界為豎向約束邊界，計(jì)算參數(shù)見表1.為了對千秋煤礦圍巖地質(zhì)力學(xué)狀況做全面了解，天地科技股份有限公司與千秋煤礦合作，在已掘巷道中布置3個測站，采用水力壓裂法進(jìn)行現(xiàn)場地應(yīng)力測試。各測點(diǎn)實(shí)測地應(yīng)力結(jié)果見表2.因3號測點(diǎn)實(shí)測地應(yīng)力最大，該次數(shù)值模擬將3號測點(diǎn)所測地應(yīng)力，轉(zhuǎn)換成三角形分布的圍壓作用于模型。

通過對比分析數(shù)值模擬結(jié)果和井下實(shí)測結(jié)果，可以看出，1、3號測站數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為吻合，2號結(jié)果差別較大。主要因?yàn)?號測站煤層頂板為厚層狀的泥巖，其節(jié)理、裂隙和破碎區(qū)域較為發(fā)育，局部延伸至頂板以上較深區(qū)域，導(dǎo)致其巖石力學(xué)參數(shù)較其它測站低，而數(shù)值模型中巖石力學(xué)參數(shù)的選取沒有反應(yīng)該變化。對比結(jié)果表明，將實(shí)測結(jié)果作為模型邊界條件較為合理，數(shù)值計(jì)算模型可靠。

表1 計(jì)算參數(shù)表

表2 實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比表

數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖5.由圖5可知，義馬煤田應(yīng)力場類型為最大水平主應(yīng)力σH>豎向應(yīng)力σV>最小水平主應(yīng)力σh.其中，豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示：最大豎向應(yīng)力(其值約為-120 MPa)出現(xiàn)在F16斷層轉(zhuǎn)折端并高度集中；受義馬向斜南北推擠，在F16斷層核部，其變形受到極大阻礙，導(dǎo)致該處豎向應(yīng)力高度集中。水平應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示：南北向水平應(yīng)力大于東西向；馬凹組水平應(yīng)力較大，超過其豎向應(yīng)力；馬凹組與F16斷層交界處，水平應(yīng)力高度集中；最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在F16斷層核部。

在義馬向斜南北推擠作用下，馬凹組應(yīng)力較為集中，越靠近F16斷層，應(yīng)力集中越明顯；最大水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力出現(xiàn)在義馬向斜軸部F16斷層拐點(diǎn)處，在該處，其變形受到極大阻礙，應(yīng)力高度集中。

圖5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖

5 F16斷層區(qū)域沖擊地壓頻發(fā)原因

構(gòu)造應(yīng)力分析和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，義馬煤田地應(yīng)力為以南北向的水平應(yīng)力為主，南北向的水平應(yīng)力表現(xiàn)為巨大的南北擠壓作用，在義馬煤田南部邊界造成堅(jiān)硬巖層錯斷，沿煤層、煤矸互疊層等軟弱面推覆滑動，煤層頂板堅(jiān)硬巖層發(fā)生彎曲變形等，這也是義馬盆地、義馬向斜和F16逆沖斷層形成的主要原因。F16逆沖斷層疊置于義馬向斜之上，位于向斜軸部區(qū)域，斷層和向斜軸部區(qū)域堅(jiān)硬巖層的彎曲變形積聚了大量彈性能，造成該區(qū)域應(yīng)力集中。義馬煤田煤巖結(jié)構(gòu)屬頂?shù)装鍒?jiān)硬，煤層軟弱的“兩硬夾一軟”的地層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)16逆沖斷層和義馬向斜軸部區(qū)域堅(jiān)硬的頂?shù)装鍘r層積聚了大量的彈性能，應(yīng)力高度集中，易導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生[10].南北擠壓作用導(dǎo)致F16逆沖斷層區(qū)域堅(jiān)硬巖層的彎曲變形、應(yīng)力集中，以及頂?shù)装搴兔簩铀M成的“兩硬夾一軟”的地層結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的重要因素，義馬向斜軸部與靠近F16逆沖斷層的軸部區(qū)域是發(fā)生沖擊地壓的高風(fēng)險區(qū)域，義馬煤田沖擊地壓事件與F16斷層位置關(guān)系見圖6.

圖6 義馬煤田沖擊地壓事件與F16斷層位置關(guān)系圖

6 結(jié) 論

義馬煤田的主應(yīng)力方向?yàn)槟媳毕?，南北向的水平?yīng)力導(dǎo)致義馬向斜軸部和F16逆沖斷層區(qū)域煤巖結(jié)構(gòu)中堅(jiān)硬巖層發(fā)生彎曲變形，積聚大量彈性能，地應(yīng)力高度集中，加之煤巖層“兩硬夾一軟”的特殊地層結(jié)構(gòu)，在采掘擾動作用下，煤層頂?shù)装鍒?jiān)硬巖層中積聚的應(yīng)力在煤層、煤矸互疊層等軟弱結(jié)構(gòu)中瞬間釋放，導(dǎo)致義馬煤田深部靠近F16逆沖斷層和義馬向斜軸部區(qū)域沖擊地壓事件頻發(fā)。

沖擊地壓災(zāi)害是地質(zhì)條件和開采條件共同作用的結(jié)果。其中，地質(zhì)條件又是內(nèi)在的、本質(zhì)的、控制的因素，隨著礦井采掘區(qū)域向深部延伸，部分回采工作面已臨近甚至跨過F16逆沖斷層，發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險越來越高，受沖擊地壓災(zāi)害威脅也越來越嚴(yán)重，礦井應(yīng)加強(qiáng)圍繞F16逆沖斷層等地質(zhì)因素開展沖擊地壓災(zāi)害防治的研究和實(shí)踐工作。