大采深地質構造復雜礦井應力集中模擬預測研究

尹萬蕾　柳凱　李忠華　宋維源　閻海鵬

摘 要：斷層與褶皺在煤巖體中廣泛分布，構成了煤層開采過程中失穩的主要因素，是煤層中地應力集中的地方，煤礦災害的多發區域，是煤礦開采等地下工程圍巖變形與破壞的重要原因。隨著煤礦開采深度的不斷增加，加之斷層褶曲構造，地應力越來越大，井下應力環境發生了很大變化，導致巷道大變形、沖擊地壓、煤與瓦斯突出及突水等災害越來越嚴重。因此，對大安山煤礦+400m水平的斷層、褶皺地質構造應力場進行數值模擬研究，充分了解應力場分布特征、煤巖體性質與結構特征，進行合理的、切合實際的圍巖穩定性、圍巖變形與破壞分析，為合理的支護設計與災害防治，特別是沖擊地壓的防預提供了有力的依據。模擬顯示：（1）主應力方向在斷層附近有明顯擾動；（2）遠離斷層端部區域煤巖體最大水平主應力一般水平，斷層端部的局部區域出現應力集中；（3）向斜最大主應力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小；（4）背斜最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小。與工程實際有很好的吻合。

關鍵詞：斷層；褶曲；失穩；沖擊地壓；最大主應力；數值模擬

1 引言

在礦山工程中，斷層與褶曲的復雜構造，是煤層中地應力集中，煤礦災害的多發，煤礦開采等地下工程圍巖變形與破壞的重要原因。

斷層是由于地殼巖層因受力達到一定強度而發生破裂，并沿破裂面有明顯相對移動的構造。褶曲的形成對于埋藏在地底下的煤礦產生了諸多影響，對煤礦的采區及階段劃分、煤礦產量、進尺、成本、利潤等主要經濟指標和企業的經濟效益有影響，而且是煤礦生產安全的直接隱患。

隨著煤礦開采深度的增加，地應力越來越大，地應力顯現越加明顯。本文從實際出發采用KX-81型空芯包體式三軸地應力計空芯包體應力測量方法與數值模擬計算相結合的方式對比計分析得出結論，說明了地應力（主要是水平應力）是引起地下工程圍巖和支護的變形與破壞，產生礦井動力現象的根本作用力，斷層褶皺對實際采礦生產造成的影響。對礦井設計中最佳巷道軸向的選擇、合理確定巷道斷面的幾何形態、尤其對沖擊地壓的預測預防有重要的指導意義。

2 地質概況

大安山煤礦東起茶棚嶺斷層，西到大網山斷層，南自玄武巖頂界，北到48#鉆孔與96#鉆孔連接線。走向長約9km，傾向寬2～4km，面積25.5km2。礦區內地勢陡峻，溝谷縱橫。區內最高峰為老龍窩，最低溝谷為大北河一帶，溝谷均為與地層走向直交或斜交的V形谷，礦區地貌為構造侵蝕中高山區，基巖多裸露，山上多為坡積、殘積物，溝谷兩側及山地緩坡有沖積、洪積物，為砂礫石及土層。+400m水平范圍內構造以SW-NE向褶皺為主，次級構造十分發育，大寒嶺背斜兩翼、北區局部受巖漿巖侵入體的破壞。井田內的大中型構造在深部水平對煤層的賦存程度減弱，小構造發育加劇。

窯坡組地層含煤30～40層，煤層總厚度25.36m，含煤系數4.53%，可采煤層12層，自上而下是15、14、13、12、10、9、7、6、5、4、3、2槽，可采煤層總厚度19.39m，可采含煤系數3.47%。

3 地應力測量

3.1 地應力測量方法

地應力測量，主要是指處于地下原始狀態的巖（礦）體中的某點的應力或應變的測量。巖體原始應力狀態的定量數據，是礦山開采和地下建筑工程所必需的資料。本文實際應用KX-81型空芯包體式三軸地應力計空芯包體應力測量方法，實測大安山煤礦地應力值。

KX-81型應力計由嵌入環氧樹脂筒中的12個電阻應變片組成。將3枚應變花（每枚應變花有4個應變片）沿環氧樹脂筒圓周相隔120°粘貼，然后再用環氧樹脂澆注外層，使電阻應變片嵌在筒壁內（外層厚度約為0.5mm），在應力計的頂部有一個補償應變片（如圖2所示）。

a-截面投影圖；b-A、B、C三組應變花的粘貼關系圖；c-鉆孔中的坐標關系圖

圖2 三組應變花的分布位置示意圖

3.2 地應力測量計算結果

在現場測試的基礎上，將套取出的帶有應力計的巖芯放入圍壓率定機中并逐漸加壓，測出不同圍壓下各應變片的讀數，用式（1）和式（2）計算彈性模量E和泊松比μ，結果見表1。將鉆孔方位、彈性模量、泊松比、應變片安裝角及測量數據輸入KX-81型空芯包體應力計算程序，計算出北嶺各測點的地應力狀態和分量值，如表2～3。

E=■ （1）

？滋=■ （2）

式中p0-圍壓值，MPa；d-巖芯小孔內徑；D-巖芯外徑；εx-軸向應變；εt-周向應變；E--性模量；μ-泊松比。

3.3 地應力主要特征分析

從三個測點的最大主應力來看，最大主應力值均在26.3MPa左右，最大主應力方向均為南西50°左右，最大主應力的傾角分別為14.5°，-7°，12°，1°這說明北嶺煤礦最大主應力位于近水平方向的近東西向且以水平構造應力為主，水平構造應力值較小且為壓應力。

4 數值模擬

4.1 模型的建立

模型是根據大安山礦第VI勘探線剖面圖建立的，模型選取海拔1646.5m，沿+680m東二石門走向3311m，最下端取+0m，模型最上端為高山自由端，最高點+1646.5m建立模型。

根據實驗結果給煤層和巖石賦予相應的力學參數并進行網格劃分，見圖3所示。

模型下端加固定端約束，左右兩端加水平方向的位移約束，整個模型考慮自重。

4.2 斷層構造模擬分析

斷層是煤層開采過程中經常遇到的地質構造，它是巖層因受力達到一定強度而發生破裂，并沿破裂面發生明顯相對移動的產物。地質斷層通常被泥和地下水充填，變成軟弱結構，這些軟弱地質斷層在巖體中廣泛分布，構成了煤層開采過程中失穩的主要因素。煤層開采中地質災害的發生大多就是受到地質斷層結構影響造成的。

a. 主應力方向在斷層附近有明顯擾動。由于斷層的交互影響以及不同構造樣式斷層的縱向延伸，整個研究區地應力方向呈現出復雜的空間分布格局。

b. 遠離斷層端部區域，遠離斷層端部區最大水平主應力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應力一般水平；斷層端部的局部區域出現了應力集中，應力值超過8MPa，最大水平主應力高達約8.77MPa。

4.3 褶皺構造模擬分析

煤層在地殼運動的作用下易發生變形變位現象，其最基本的表現形式有褶皺構造和斷裂構造。褶皺是巖層塑性變形的結果，是地殼中廣泛發育的地質構造的基本形態之一。從成因上講，褶皺主要是由構造運動形成的，它可能是由升降運動使巖層向上拱起和向下拗曲形成的，但大多數是在水平運動下受到擠壓而形成的，是一種未喪失巖層連續性的塑性變形。煤層褶皺中地應力集中的地方是煤礦災害的多發區域。在大安山礦區，各煤層均發生了不同程度的褶皺構造。因此對大安山煤礦地質構造進行數值模擬，分析在13煤層褶皺引起的應力值變化。

4.3.1 13煤層a段模擬

從圖7、圖8分析可知：

13煤層a段，最大主應力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小，最大值為47MPa左右；

4.3.2 13煤層b段模擬

從圖9、10分析可知：

13煤層b段，最大主應力在褶皺軸處最大，向翼部逐漸變小，最大值為40MPa左右；

4.3.3 13煤層c段模擬

從圖11、圖12分析可知：

13煤層c段，最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小；

4.3.4 13煤層d段模擬

從圖13、14分析可知：

13煤層d段，最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小，最小值為10MPa左右。

5 結論

根據地質情況以及數值模擬分析，該區域由于受大寒嶺倒轉向背斜、茶棚嶺平移正斷層、老虎洞南正斷層、老虎洞正斷層和老虎洞北正斷層的影響，造成煤層傾角、厚度變化較大，產生較大的構造應力。

a.主應力方向在斷層附近有明顯擾動。由于斷層的交互影響以及不同構造樣式斷層的縱向延伸，整個研究區地應力方向呈現出復雜的空間分布格局；

b.遠離斷層端部區最大水平主應力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應力一般水平；斷層端部的局部區域出現了應力集中，應力值超過8MPa，最大水平主應力高達約8.77MPa；

c.向斜最大主應力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小，最大值為47MPa左右；

d.背斜最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小，最小值為10MPa左右。

根據實際測量與模擬計算比較，模擬具有很好的比對作用，與工程實際有較好的吻合，對現實生產具有重要意義。

參考文獻

[1]周鋼，李玉壽，吳振業.大屯礦區地應力測量與特征分析[J].煤炭學報，2005，30（3）：314-318.

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[12]苗勝軍，萬林海，來興平，等.三山島金礦地應力場與地質構造關系分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（23）：3996-3999.

b. 遠離斷層端部區域，遠離斷層端部區最大水平主應力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應力一般水平；斷層端部的局部區域出現了應力集中，應力值超過8MPa，最大水平主應力高達約8.77MPa。

4.3 褶皺構造模擬分析

煤層在地殼運動的作用下易發生變形變位現象，其最基本的表現形式有褶皺構造和斷裂構造。褶皺是巖層塑性變形的結果，是地殼中廣泛發育的地質構造的基本形態之一。從成因上講，褶皺主要是由構造運動形成的，它可能是由升降運動使巖層向上拱起和向下拗曲形成的，但大多數是在水平運動下受到擠壓而形成的，是一種未喪失巖層連續性的塑性變形。煤層褶皺中地應力集中的地方是煤礦災害的多發區域。在大安山礦區，各煤層均發生了不同程度的褶皺構造。因此對大安山煤礦地質構造進行數值模擬，分析在13煤層褶皺引起的應力值變化。

4.3.1 13煤層a段模擬

從圖7、圖8分析可知：

13煤層a段，最大主應力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小，最大值為47MPa左右；

4.3.2 13煤層b段模擬

從圖9、10分析可知：

13煤層b段，最大主應力在褶皺軸處最大，向翼部逐漸變小，最大值為40MPa左右；

4.3.3 13煤層c段模擬

從圖11、圖12分析可知：

13煤層c段，最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小；

4.3.4 13煤層d段模擬

從圖13、14分析可知：

13煤層d段，最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小，最小值為10MPa左右。

5 結論

根據地質情況以及數值模擬分析，該區域由于受大寒嶺倒轉向背斜、茶棚嶺平移正斷層、老虎洞南正斷層、老虎洞正斷層和老虎洞北正斷層的影響，造成煤層傾角、厚度變化較大，產生較大的構造應力。

a.主應力方向在斷層附近有明顯擾動。由于斷層的交互影響以及不同構造樣式斷層的縱向延伸，整個研究區地應力方向呈現出復雜的空間分布格局；

b.遠離斷層端部區最大水平主應力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應力一般水平；斷層端部的局部區域出現了應力集中，應力值超過8MPa，最大水平主應力高達約8.77MPa；

c.向斜最大主應力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小，最大值為47MPa左右；

d.背斜最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小，最小值為10MPa左右。

根據實際測量與模擬計算比較，模擬具有很好的比對作用，與工程實際有較好的吻合，對現實生產具有重要意義。

參考文獻

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b. 遠離斷層端部區域，遠離斷層端部區最大水平主應力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應力一般水平；斷層端部的局部區域出現了應力集中，應力值超過8MPa，最大水平主應力高達約8.77MPa。

4.3 褶皺構造模擬分析

煤層在地殼運動的作用下易發生變形變位現象，其最基本的表現形式有褶皺構造和斷裂構造。褶皺是巖層塑性變形的結果，是地殼中廣泛發育的地質構造的基本形態之一。從成因上講，褶皺主要是由構造運動形成的，它可能是由升降運動使巖層向上拱起和向下拗曲形成的，但大多數是在水平運動下受到擠壓而形成的，是一種未喪失巖層連續性的塑性變形。煤層褶皺中地應力集中的地方是煤礦災害的多發區域。在大安山礦區，各煤層均發生了不同程度的褶皺構造。因此對大安山煤礦地質構造進行數值模擬，分析在13煤層褶皺引起的應力值變化。

4.3.1 13煤層a段模擬

從圖7、圖8分析可知：

13煤層a段，最大主應力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小，最大值為47MPa左右；

4.3.2 13煤層b段模擬

從圖9、10分析可知：

13煤層b段，最大主應力在褶皺軸處最大，向翼部逐漸變小，最大值為40MPa左右；

4.3.3 13煤層c段模擬

從圖11、圖12分析可知：

13煤層c段，最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小；

4.3.4 13煤層d段模擬

從圖13、14分析可知：

13煤層d段，最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小，最小值為10MPa左右。

5 結論

根據地質情況以及數值模擬分析，該區域由于受大寒嶺倒轉向背斜、茶棚嶺平移正斷層、老虎洞南正斷層、老虎洞正斷層和老虎洞北正斷層的影響，造成煤層傾角、厚度變化較大，產生較大的構造應力。

a.主應力方向在斷層附近有明顯擾動。由于斷層的交互影響以及不同構造樣式斷層的縱向延伸，整個研究區地應力方向呈現出復雜的空間分布格局；

b.遠離斷層端部區最大水平主應力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應力一般水平；斷層端部的局部區域出現了應力集中，應力值超過8MPa，最大水平主應力高達約8.77MPa；

c.向斜最大主應力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小，最大值為47MPa左右；

d.背斜最大主應力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達到最小，最小值為10MPa左右。

根據實際測量與模擬計算比較，模擬具有很好的比對作用，與工程實際有較好的吻合，對現實生產具有重要意義。

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