峻德煤礦構造應力分區及對礦井沖擊地壓影響研究

＊張俊杰 LE QUY BAO 趙考琪 連鴻全 Mirzo Yunusov

（1.龍煤集團鶴崗礦業公司 黑龍江 154100 2.遼寧工程技術大學礦業學院 遼寧 123000）

國內外學者對引發沖擊地壓的影響因素、沖擊地壓的防治等方面進行了大量的研究工作，研究發現沖擊地壓的發生受多種因素影響，其中地質動力環境是引起沖擊地壓的必要因素，礦井在地質動力環境的影響下受其他因素共同作用導致了沖擊地壓的發生。由于各礦井所處區域地質環境、開采深度等條件的不同，使得沖擊地壓的發生的方式、時間均不相同，因此對沖擊地壓發生的時間和量級做出預測是非常困難的，但是判斷是否具有沖擊地壓的地質動力環境是可能的。因此，需要開展區域構造應力場分布特征研究，以確定礦井區域構造應力場分布特征和對沖擊地壓的影響。

1.峻德煤礦構造應力場分析

峻德煤礦共進行了3個地點的地應力測試工作，分別為：三水平北一皮帶石門、三水平北三九層回風石門、三水平南三區—363總軌道石門。地應力測量數據見表1，通過測量數據可以看出峻德煤礦最大水平主應力均大于垂直主應力，在進行峻德煤礦巖體應力分析時應用最大水平主應力最大值33.42MPa，方向為 N87°E進行計算。

表1 峻德煤礦地應力測量結果

根據峻德煤礦地應力測量結果與區域現代構造應力場特征進行對比，3個測點的最大主應力方向均為NE向與黑龍江東部地區構造應力場方向基本一致。根據中國現今構造應力場東北地區應力場分布特點，確定峻德煤礦應力場屬于水平應力場，說明峻德煤礦地應力主要受水平壓應力影響[1]。

如圖1所示，對峻德煤礦最大水平主應力與深度進行擬合得到峻德煤礦應力梯度規律。根據擬合結果，峻德煤礦最大水平主應力隨埋深變化而增大，最大水平主應力增加梯度為4.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主應力值增加4.42MPa，通過最大水平主應力增加梯度與峻德煤礦地應力測試結果可得到峻德煤礦構造應力集中系數。

圖1 峻德煤礦應力梯度規律

2.構造應力計算模型構建

斷裂構造作為影響構造應力場與能量場變化的主要因素，為確定研究區內的斷裂構造利用地質動力區劃方法基于從宏觀到具體的原則，以繪圖法為主結合地形圖及區域構造活動考察，對研究區域的活動構造進行劃分，劃分為I～Ⅴ級斷塊圖，本文僅應用Ⅴ級斷塊，峻德煤礦Ⅴ級斷塊如圖2所示。在根據地質動力區劃方法劃分的峻德煤礦Ⅴ級斷塊圖的基礎上，建立地質構造與采掘工程相聯系的地質構造模型，為峻德煤礦巖體應力計算提供模型。峻德煤礦應力計算模型尺寸大于井田范圍，應力計算模型長度為8km，寬度為5km，面積40km2，依據峻德煤礦Ⅴ級斷塊圖建立的井田地質造模型如圖3所示。

圖2 峻德煤礦Ⅴ級斷塊圖

圖3 峻德煤礦地質構造模型

3.區域巖體應力狀態分析

(1)峻德煤礦17號煤層最大主應力分布

峻德煤礦17號煤層為主采煤層，共發生沖擊地壓18次占總沖擊地壓次數的69%，因此對峻德煤礦17煤層進行巖體應力分析是十分必要的。

17號煤層巖體應力分析采用“巖體應力狀態分析系統”對構建的模型進行網格剖分（圖4、圖5）。對17煤層巖體應力計算模型進行單元劃分，將相關巖體應力計算信息（彈性模量、泊松比、地應力大小等）錄入到計算模型中。利用“巖體應力狀態分析系統”對劃分好的計算模型進行計算[2-3]，將計算結果用等值線圖的形式描繪。峻德煤礦17煤層水平最大主應力等值線圖，如圖6所示。根據描繪的最大主應力等值線圖利用應力集中系數ks進行應力區域劃分：高應力區，應力梯度區，低應力區[4-5]。

圖4 巖體應力狀態分析系統

圖5 17煤層巖體應力計算模型

圖6 峻德煤礦17煤層最大水平主應力等值線圖(單位：MPa)

①高應力區：處于高應力區內的煤巖體構造應力值較大，受構造應力作用強烈，更容易集聚彈性變形能。當受到外部因素影響導致煤巖體高應力急劇降低，彈性能瞬時釋放，對礦井動力災害的發生將產生重要影響。

②應力梯度區：處于應力梯度區的煤巖體變形模量都有較大比例的增長，導致彈性波與電導率急劇變化。同時處于該區域的煤巖體含水率較低，引起巖石的脆性增大、破壞強度降低，對礦井動力災害的發生也將產生重要影響。

③低應力區：處于低應力區內的煤巖體物理力學性質明顯降低，礦物組成成分之間的粘結力減小。通常情況下，處于低應力區內的煤巖體，對礦井動力災害的發生影響較弱。

(2)構造應力區劃分與沖擊地壓分布特征

由圖7可以看出，峻德煤礦17煤層水平最大主應力值為26～44MPa。將最大主應力等值線圖按照應力集中系數ks進行構造應力區劃分：當ks＞1.2時為高應力區；應力梯度區為0.8＜ks＜1.2之間；當ks＜0.8時為低應力區。最大主應力區劃分結果如圖7所示。

圖7 峻德煤礦17煤層最大主應力區域劃分

峻德煤礦17煤層最大主應力區劃分情況如下[6-10]：

①高應力區主要有2個區域，分別位于井田東南部與井田東北部，應力值為38～44MPa。其中東南部高應力區面積為2.31km2，受Ⅳ-15、Ⅴ-11、Ⅴ-12、Ⅴ-13、Ⅴ-17斷裂影響；東北部高應力區面積為2.34km2，受Ⅳ-15、Ⅴ-18、Ⅴ-27斷裂影響，區域為井田深部開采區[5]。東北部高應力區布置有三水平北17煤層多個工作面，其中三水平北17層一段發生多次沖擊事故，該區域共發生沖擊地壓18次。

②應力梯度區2個區域，分別位于井田中南部與中北部，應力值為30～36MPa。其中中南部應力梯度區面積為0.94km2，受Ⅴ-10、Ⅴ-11、Ⅴ-12斷裂影響；中北部應力梯度區面積為1.98km2，受Ⅴ-9、Ⅴ-13、Ⅴ-17斷裂影響。中南部應力梯度區布置有三水平南一二區17層多個工作面。

③低應力區共2個區域，分別位于井田西南部以及西北部，應力值為26～30MPa。其中西南部低應力區面積為3.13km2，受到Ⅴ-10、Ⅴ-11斷裂影響；西北部低應力區面積為1.58km2，受到Ⅴ-9、Ⅴ-23斷裂影響。該區域為井田淺部開采區。二水平南17層在西南部低應力區布置多個工作面。

4.結論

（1）揭示了峻德煤礦最大主應力方向均為NE向與黑龍江東部地區構造應力場方向基本一致，地應力以水平壓應力為主。

（2）確定了峻德煤礦最大水平主應力增加梯度為4.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主應力值增加4.42MPa。

（3）劃分了峻德煤礦17煤層高應力區2個，應力梯度區劃分為2個，低應力區2個。揭示了三水平北17煤層發生的18次沖擊地壓均位于東北部高應力區。