忻州窯礦高集中應力區域應力分布規律研究及應用

張鄭偉

（大同煤礦集團有限責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，頂底板及煤層符合“兩硬”特點，該礦發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，也是大同礦區發生沖擊地壓最為典型、最為嚴重的礦井。因此，掌握沖擊地壓發生機理、有效防治高集中應力區域沖擊地壓發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生特征

沖擊地壓主要發生在井田的西一盤區、西二盤區和東三盤區，2005年以來，發生沖擊地壓37次，并全部集中于西二、西一2個生產盤區。忻州窯礦在開采西二盤區8935綜放面和8937綜放面期間出現多次沖擊地壓事故，且主要集中在鄰空側巷道超前工作面0 m～110 m范圍、上部3#煤層采空區保護煤柱下方以及斷層破碎帶對應區域，造成支柱折損，巷道破壞嚴重。

2 礦區活動構造劃分及對沖擊地壓影響

2.1 地質動力區劃方法

地質動力區劃基于板塊構造學說，而礦井生產活動與構造塊體存在緊密聯系，它主要通過地形地貌來判斷研究區內地質構造的演化規律，以斷裂形式、最大主應力、煤巖體及其力學性質、應力梯度等多種因素為依據來完成礦井動力顯現預測工作[1-2]。

通常大比例尺圖件反應構造運動的“輪廓”，小比例尺圖件則體現具體構造特征，這對地質動力預測至關重要。具體劃分原則見表1。

表1地質動力區劃斷塊劃分比例范圍

2.2 大同礦區構造斷塊劃分

(1)Ⅰ級構造斷塊的劃分

本文主要采用繪圖法，結合井下、地面調研資料、航衛片資料、構造特征等將忻州窯井田劃分為Ⅰ～Ⅴ級五個等級的斷塊，并明確各級構造斷塊的邊界—活動斷裂[3-4]。

在1：200萬比例尺的地形圖上將大同礦區劃出Ⅰ級活動斷裂15條，用羅馬符號表示斷裂的級別，用阿拉伯數字作編號，圖1（a）。

(2)Ⅱ級構造斷塊的劃分

Ⅱ級構造斷塊的劃分是在Ⅰ級構造斷塊劃分的基礎上進行的。將已經確定的Ⅰ級斷塊邊界轉繪到1：100萬比例尺的地形圖上，進一步劃分Ⅱ級構造斷塊，在研究區域內共劃出Ⅱ級活動斷裂15條，圖1（b）。

(3)Ⅲ級構造斷塊的劃分

在1：20萬比例尺的地形圖上將大同礦區劃分出Ⅲ級活動斷裂14條圖1（c），其中Ⅲ-5斷裂穿過忻州窯礦區。

(4)Ⅳ級構造斷塊的劃分

在1：5萬比例尺的地形圖上將大同礦區劃出Ⅳ級活動斷裂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級構造斷塊的劃分

在1：1萬比例尺的地形圖上將忻州窯井田劃出Ⅴ級斷裂共有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向斷裂構成了井田的構造格局。

圖1大同礦區構造斷塊等級區劃圖

3 高集中應力區域巖體應力狀態分析

3.1 計算模型和網格劃分

運用地質動力學劃分出忻州窯井田的Ⅰ～Ⅴ級斷塊圖，應力計算選擇Ⅴ級斷塊并應用“巖體應力狀態分析系統”來建立模型，模型尺寸為10 km×10 km（圖2）。基于圖2進行網格剖分，共劃分了10 201個節點，20 000個單元。單元劃分完畢后，將相關斷裂、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巖體應力狀態計算模型

3.2 參數的定義

（1）地應力參數確定

根據忻州窯井田的地應力測量結果，忻州窯煤礦地應力場屬于構造應力場，地應力是以水平壓應力為主導，西二盤區11#層的最大主應力值為12.95 MPa，方向 N29.3°W，最小主應力值為 7.14 MPa，方向 N60.7°E。煤巖體應力計算時將應力值分別投影到坐標軸的X向和Y向，進行計算，投影的結果為：X向的應力值為6.23 MPa，Y向的應力值為11.29 MPa。

（2）巖體力學參數確定

忻州窯煤礦11#層頂板的巖性以細砂巖為主，根據巖石力學參數測試結果，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工作面以外的區域均為采空區，將井田范圍內采空區定義為一類，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

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

3.3 應力的計算

應用“巖體應力狀態分析系統”軟件，選取上述巖石力學參數與邊界載荷，計算西二盤區11#煤層頂板應力分布，分別得到了煤巖層的水平最大主應力值、水平最小主應力值和水平剪應力值。計算得到的8939工作面所在區域最大主應力分布如圖4。

圖4 8939工作面所在區域最大主應力分布圖

高應力區域，由于應力高，彈性能積聚，巖體處于極限平衡狀態。若此時平衡狀態遭到外界因素的破壞，巖體內高應力迅速減小，彈性能轉化成動能，從而誘發沖擊地壓。

應力梯度區域，由于應力與變形模量增速加大，導致彈性波加速通過，導電率急劇變化。該區水分含量低，巖石脆性大，構造復雜，煤炭資源難于開采。

低應力區域，水分含量大，粘結力降低，巖石強度和變形都有較大改變，加之地下水的運動及化學溶蝕作用，不利于該區域能量的積聚[5-6]。

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

圖5 8939工作面所在區域構造應力區劃分

3.4 現場情況

2939巷煤柱側存在3個危險的三角煤區域，需要對此區域進行卸壓解危。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，與構造應力區一致。在回采過程中，由于2939巷一側保護煤柱留設較寬，壓力顯現不如5939巷明顯。

在5939巷掘進過程中，距離工作面切眼222 m～322 m的區域發生底鼓，與應力梯度區域較為一致；8939工作面存在破碎帶區，位于2939巷實體煤側814 m～882 m與5939巷實體煤側885 m～955 m之間，巷道壓力顯現明顯，支護變形嚴重，與區劃應力梯度較為一致。

利用巖體應力分析計算構造應力場，與現場實際情況取得了較好的一致性，應加強對高應力區和應力梯度區的解危和防治，保證工作面的安全開采。

4 結論

(1)利用地質動力區劃方法對大同礦區構造斷塊進行了劃分，將大同礦區分為Ⅰ～Ⅴ級斷裂。對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，對整個井田的應力狀態具有重要作用。

(2)結合地質動力區劃方法所得斷裂，利用自主開發的巖體應力分析軟件對煤巖體應力進行分析。忻州窯礦高集中應力區域主要受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，高應力區應力值為14 MPa，為原巖應力的1.92倍，為沖擊地壓重點防治區域。