紅一煤礦井田巖體應力分析及對首采工作面礦壓顯現影響

＊楊勇 張曉春 王強 霍晨磊 黃伯斌 丁偉

（寧夏紅墩子煤業有限公司 寧夏 750000）

我國中、東部礦井平均以近15～25m/a的速度在增長，隨著開采強度和深度的不斷增加，深部煤層所面臨的地質動力環境、巖體應力狀態與淺部資源開采相比存在明顯的不同，具有復雜的地質動力環境，地質構造復雜，地應力場多變的復雜格局，井田應力場分布極具復雜性和各項異性，地質動力環境與開采工程效應雙重作用，對深部煤炭資源安全開采帶來了重要威脅。

許忠淮等[1]根據觀測到的應力方向，利用有限單元方法，反演中國大陸東部及附近地區板塊邊界作用力的大小。詹文歡等[2]在分析了南海及鄰區新構造運動、地殼及巖石圈結構、地震活動、地殼形變以及地應力等多方面資料的基礎上，建立了地質模型、計算機模型和應力場反演的判據，論證了地殼運動的深部過程。

本文采用的地質動力區劃方法是以板塊學說為基礎，通過地貌學、遙感學等一系列學科，劃分查明區域內的Ⅰ～Ⅴ活動斷塊圖[3]，這些斷塊構成了區域構造運動的格架，利用Ⅳ、Ⅴ斷塊圖建立模型，分析區域原巖應力狀態，從而為人類的工程活動提供地質環境信息和預測工程活動可能產生的地質動力效應[4-8]。

1.礦井概況

圖1 1150401工作面巷道布置圖

紅墩子礦區紅一煤礦首采區南以井田邊界為界、北以紅墩子斷層為界、西以煤層露頭風氧化帶煤柱為界、東以+450m水平為界。根據首采區HK501、HK502、H201、H202、2401、H101、H102等鉆孔揭露的煤層賦存條件，首采區開采4煤和5煤。4煤的煤層厚度為0.35～2.46m之間，平均厚度1.70m，煤層傾角為15°～25°，平均17°。頂板巖性以粉砂巖為主，局部為泥巖、細砂巖，巖體質量為中等，普氏系數為1.6～1.9，平均1.8，屬較軟巖石；底板為粉砂巖、細砂巖。首采區作為紅一煤礦首個規劃采區，共開采2個煤層，分別為4煤與5煤。4煤共規劃開采6個工作面，分別為1150401工作面、1150403工作面、1150404工作面、1150405工作面、1150406工作面、1150402工作面。

2.井田巖體應力分析

(1)巖體應力狀態分析步驟

①計算模型和網格劃分

地質動力區劃的方法是可以用來對紅一煤礦進行井田劃分，利用繪圖法查明了Ⅰ～Ⅴ級斷塊，利用紅一煤礦V級斷塊圖的地質構造模型。由于紅一煤礦西北部整體煤層為急傾斜賦存狀態，暫不作為紅一煤礦首采區開采區域。選取紅一煤礦首采區作為巖體應力分析的計算模型，模型尺寸小于井田范圍。計算紅一煤礦4煤層巖體應力計算模型長度為5.6km，寬度為2.4km，面積13.44km2。

②參數定義

A.地應力參數確定

依據紅一煤礦井田的地應力測量結果，將應力值分別投影到坐標軸的X向和Y向，確定4煤層井田范圍內最大主應力值為18.50MPa，最小主應力值為10.16 MPa，地應力測量結果為巖體應力分析提供了基礎數據。

B.巖體力學參數確定

頂板巖性分區需要建立頂板巖性分類及代碼數據庫，數據庫的建立由兩種方法獲得，一是通過收集、統計井田內地質勘探鉆孔臺賬數據，二是利用井下各類工程揭露的巖性數據進行補充。

C.斷裂影響范圍確定

斷裂帶力學參數的選取原則：Ⅰ～Ⅲ級斷裂帶的彈性模量取正常巖體參數的1/10，Ⅳ、Ⅴ級斷裂帶取1/5。計算模型選取了Ⅳ、Ⅴ級斷裂，4煤層計算模型頂板巖性與斷裂選取的力學參數。

③應力計算

應用“巖體應力狀態分析系統”軟件，為不同類別的巖性、斷裂帶賦值，設置模型的位移邊界和載荷條件，最后進行計算。分別得到了紅一煤礦4煤巖層的水平最大主應力值等直線圖。

(2)4煤層巖體應力計算結果及應力分區

地質動力區劃團隊應用有限元方法，利用Fortran77語言和Microsoft Visual C++ 6.0開發了“巖體應力分析系統”，得到煤層的水平最大主應力值。應用Golden Software Surfer 7繪圖軟件，可對應力數據文件進行等值線的繪制，得到水平最大主應力值圖，同時根據應力區劃分規則，完成了井田內部區域的不同應力區的劃分。

計算模型內部4煤層水平最大主應力值為14～29MPa，應力分區的劃分規則按照區域現代構造應力場對井田的影響強、中、弱的特點，將應力區劃分系數K分為3類，應力區劃分系數K等于區域巖體應力值與垂直應力的比值。

①高應力區：井田內部劃分4個區域。A.位于計算模型北部，應力值為22.5～29.0MPa，V-6、V-7斷裂從井田的中央穿過，影響范圍較大，約為0.45km2。B.位于計算模型西部，應力值為22.5～29.0MPa，影響范圍0.23km2。C.位于計算模型中部，應力值為22.5～29.0MPa，V-4斷裂從其中穿過，影響范圍0.16km2。D.位于計算模型南部，應力值為22.5～29.0MPa，V-4斷裂從中間穿過，影響范圍是0.17km2。

②應力梯度區：井田內劃分了5個不同的區域，分別在不同的井田位置。A.位于計算模型北部，應力值為18.5～22.5MPa，V-3斷裂從中間穿過，影響范圍是0.43km2。B.位于計算模型中部，應力值是18.5～22.5MPa，影響范圍0.17km2。C.位于計算模型中間，應力值是18.5～22.5MPa，V-3斷裂從其中穿過，影響范圍0.16km2。D.位于計算模型南部，應力值為18.5～22.5MPa，V-4斷裂從其邊緣穿過，影響范圍0.15km2。E.位于計算模型南部，應力值為18.5～22.5MPa，影響范圍0.16km2。

③低應力區：劃分4個區域。A.位于計算模型北部，應力值為14.0～18.5MPa，V-3、V-9斷裂從其邊緣穿過，影響范圍0.46km2。B.位于計算模型中部，應力值為14.0～18.5MPa，V-8斷裂從中間穿過，影響范圍是0.82km2。C.位于計算模型南部，應力值是14.0～18.5MPa，IV-3斷裂從中間穿過，影響范圍是0.14km2。D.位于計算模型的南部，應力值是14.0～18.5MPa，V-3斷裂從其中穿過，影響范圍0.19km2。

3.巖體應力分析對工作面開采影響

(1)巖體應力特征對4煤層首采工作面影響分析

紅一煤礦首采工作面為1150401工作面，計劃回采時間為2022年7月—2023年4月（10個月），該工作面位于首采區三條上山北翼，設計采高1.6m，傾向長度為257m，走向長度為1829m。受4煤風氧化帶防水煤柱限制，工作面推進分為2個部分，第一部分初始工作面開切眼尺寸235m，推進834m；第二部分為調整切眼尺寸257m，推進995m。

①高應力區巷道穩定性分析

1150401工作面高應力區范圍及應力值為：工作面開切眼，范圍235m，應力值為25～26MPa，回風順槽從開切眼至1291m處，范圍1291m，應力值為22.5～26MPa，運輸順槽切眼至490m，范圍490m，應力值為23.5～25MPa。

建議紅一煤礦在進行首采工作面巷道支護參數設計時，對于處在高應力區內巷道，應適當加大巷道支護強度，采取增加錨桿（索）的直徑與長度，減小錨桿（索）間排距等技術措施。在進行巷道掘進時，應及時觀測巷道圍巖破碎、離層情況，在頂板煤巖強度低，條件較差區域，可調整巷道支護方式，采用圍巖注漿或架棚等多種聯合支護方式。

②應力梯度區巷道穩定性分析

1150401工作面應力梯度區范圍及應力值為：回風順槽1291～1634m處，范圍343m，應力值為19.5～21.0MPa，運輸順槽490～1350m處，范圍860m，應力值為19.5～22.0MPa。

應力梯度區內煤巖體易受到地質構造（如斷層、褶曲等）等影響，在應力梯度區內的巖體，區域內巖體應力總體處于高水平，容易在巖體內部積聚彈性能，并且部分受壓較大的巖體已經達到極限平衡狀態。

③低應力區巷道穩定性分析

1150401工作面地應力區范圍及應力值為：運輸順槽1350～1829m處，范圍479m，應力值為16～18.5MPa，回風順槽不存在低應力區。

低應力區巷道圍巖與高應力區、應力梯度區相比，應力整體處于較低水平，圍巖內積聚彈性能較少，利于維護巷道圍巖的穩定，巷道可以進行正常掘進及支護。

(2)應力分區對4煤層首采工作面礦壓顯現影響分析

工作面自開切眼推進490m，這490m范圍內，完全屬于高應力區；工作面推進490～1291m，這801m范圍，屬于高應力與應力梯度混合區；工作面推進1291～1350m，這59m范圍，完全屬于應力梯度區；工作面推進1350～1727m，這377m范圍，屬于應力梯度與低應力混合區；工作面推進1727～1829m（停采線），這102m范圍，屬于低應力區。

工作面在不同應力區開采時，礦壓顯現強度、覆巖破斷特征、工作面支架受力存在明顯的差異。

①工作面從開切眼推進至490m：該范圍為工作面在高應力區內進行回采，在工作面未開采前，高應力區內煤巖體最大主應力最大就達到了26.5MPa。隨著工作面開采，受工作面超前支承壓力影響，應力值會持續增大，煤巖體受采動應力與原巖應力雙重影響，煤巖體會積聚較大能量，此時工作面易發生強礦壓及動載礦壓顯現情況。同時，工作面開切眼長度235m，預計工作面初次來壓、一次見方均會發生在高應力區內，工作面來壓強度大、持續時間長，支架受力大，甚至造成壓架事故，對開采產生較大影響。②工作面推進490～1291m：該范圍為工作面在高應力與應力梯度混合區內進行回采，此區域，煤巖體仍保持較高的應力水平，在采動應力的影響下，煤巖體積聚能量較高，造成工作面來壓強度大的情況。③工作面推進1291～1350m：該范圍為應力梯度區，原巖應力相比高應力區有所減小，應力梯度區應力狀態處于動態變化，也是工作面礦壓顯現強烈區域。

4.結論

（1）應用地質動力區劃團隊開發的“巖體應力狀態分析系統”，完成了紅一煤礦4煤層、5煤層的巖體應力狀態計算分析，確定了紅一煤礦井田巖體應力分布規律并劃分了不同的應力分區，分析了不同應力區的礦壓顯現特征。其中4煤層劃分了4個高應力區，5個應力梯度區，4個低應力區；5煤層劃分了3個高應力區，3個應力梯度區，3個低應力區。（2）4煤層設計首采區包含6個回采工作面，其中1150401、1150403、1150406工作面開采受應力影響較大，1150402、1150404工作面開采影響中等，1150405工作面開采影響較弱。（3）首采面1150401工作面應力分區結果為自開切眼開始0～490m為高應力區，490～1291m為高應力與應力梯度混合區，1291～1350m為應力梯度區，1350～1727m為應力梯度與低應力混合區，1727m～停采線為低應力區。