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、楊村煤礦和躍進煤礦已相繼關(guān)閉。

義馬煤田沖擊地壓從20世紀八十年代開始顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為響“煤炮”、巷道局部輕度變形、設備輕微位移等，由于沒有影響正常生產(chǎn)，加之當時缺乏對沖擊地壓的認識，故未做記錄。首次有記錄的是千秋煤礦18152下巷掘進工作面在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度的加大，義馬煤田沖擊地壓災害趨于嚴重。截至2019年底，義馬煤田已累計發(fā)生有記錄的較為明顯的沖擊地壓110余次，直接、間接經(jīng)濟損失達數(shù)億元，成為全國沖擊地壓危害最嚴重的礦區(qū)之一。針對義馬煤田沖擊地壓災害，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)生重力擴展，同時伴有南部造山運動后期的伸展運動，產(chǎn)生由南向北的大規(guī)模擠壓應力，從而導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展過程，最先開始活動的應是硤石-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；

更進一步的擠壓作用使硤石-F16逆沖斷層以南的次級逆斷層強烈活動，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動而表現(xiàn)出扭性斷層的特點，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)域應力場分析

地層的運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的應力(包括大小和方向)是自重應力場和構(gòu)造應力場的綜合疊加，其最大主應力的大小和方向，在多數(shù)情況下往往是由構(gòu)造運動形成的應力所決定的。特別是臨近背、向斜軸等構(gòu)造線的部位，構(gòu)造運動形成的應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行應力測量的結(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力可以比垂直應力高出3～5倍，達到自重應力值的8～10倍，甚至更大。在構(gòu)造應力場的作用下，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)造應力，其方向近SN[7].構(gòu)造應力自北向南遞增。正是南北向的強大推擠作用，導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.

一般認為，在構(gòu)造應力作用下，巖石強度越高，完整性越好、應力的量級也越大。這是因為堅硬的高強度巖層往往能夠在構(gòu)造運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，巖性松軟或強度低的巖層，或強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力分布與變化特征，特別是F16斷層附近應力場，該研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值分析。數(shù)值計算幾何模型根據(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，模型邊界條件設置為上表面自由，左右邊界為應力邊界，下邊界為豎向約束邊界，計算參數(shù)見表1.為了對千秋煤礦圍巖地質(zhì)力學狀況做全面了解，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，采用水力壓裂法進行現(xiàn)場地應力測試。各測點實測地應力結(jié)果見表2.因3號測點實測地應力最大，該次數(shù)值模擬將3號測點所測地應力，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)果和井下實測結(jié)果，可以看出，1、3號測站數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，2號結(jié)果差別較大。主要因為2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，導致其巖石力學參數(shù)較其它測站低，而數(shù)值模型中巖石力學參數(shù)的選取沒有反應該變化。對比結(jié)果表明，將實測結(jié)果作為模型邊界條件較為合理，數(shù)值計算模型可靠。

表1 計算參數(shù)表

表2 實測結(jié)果與計算結(jié)果對比表

數(shù)值計算結(jié)果見圖5.由圖5可知，義馬煤田應力場類型為最大水平主應力σH>豎向應力σV>最小水平主應力σh.其中，豎向應力計算結(jié)果顯示：最大豎向應力(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，導致該處豎向應力高度集中。水平應力計算結(jié)果顯示：南北向水平應力大于東西向；馬凹組水平應力較大，超過其豎向應力；馬凹組與F16斷層交界處，水平應力高度集中；最大水平應力出現(xiàn)在F16斷層核部。

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

圖5 數(shù)值計算結(jié)果圖

5 F16斷層區(qū)域沖擊地壓頻發(fā)原因

構(gòu)造應力分析和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，義馬煤田地應力為以南北向的水平應力為主，南北向的水平應力表現(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)域堅硬巖層的彎曲變形積聚了大量彈性能，造成該區(qū)域應力集中。義馬煤田煤巖結(jié)構(gòu)屬頂?shù)装鍒杂玻簩榆浫醯摹皟捎矈A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)域堅硬的頂?shù)装鍘r層積聚了大量的彈性能，應力高度集中，易導致沖擊地壓的發(fā)生[10].南北擠壓作用導致F16逆沖斷層區(qū)域堅硬巖層的彎曲變形、應力集中，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

義馬煤田的主應力方向為南北向，南北向的水平應力導致義馬向斜軸部和F16逆沖斷層區(qū)域煤巖結(jié)構(gòu)中堅硬巖層發(fā)生彎曲變形，積聚大量彈性能，地應力高度集中，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)装鍒杂矌r層中積聚的應力在煤層、煤矸互疊層等軟弱結(jié)構(gòu)中瞬間釋放，導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)生沖擊地壓的風險越來越高，受沖擊地壓災害威脅也越來越嚴重，礦井應加強圍繞F16逆沖斷層等地質(zhì)因素開展沖擊地壓災害防治的研究和實踐工作。