大采深地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜礦井應(yīng)力集中模擬預(yù)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(gòu)成了煤層開采過程中失穩(wěn)的主要因素，是煤層中地應(yīng)力集中的地方，煤礦災(zāi)害的多發(fā)區(qū)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?dāng)鄬玉耷鷺?gòu)造，地應(yīng)力越來越大，井下應(yīng)力環(huán)境發(fā)生了很大變化，導(dǎo)致巷道大變形、沖擊地壓、煤與瓦斯突出及突水等災(zāi)害越來越嚴(yán)重。因此，對大安山煤礦+400m水平的斷層、褶皺地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，充分了解應(yīng)力場分布特征、煤巖體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行合理的、切合實(shí)際的圍巖穩(wěn)定性、圍巖變形與破壞分析，為合理的支護(hù)設(shè)計(jì)與災(zāi)害防治，特別是沖擊地壓的防預(yù)提供了有力的依據(jù)。模擬顯示：（1）主應(yīng)力方向在斷層附近有明顯擾動(dòng)；（2）遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)域煤巖體最大水平主應(yīng)力一般水平，斷層端部的局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中；（3）向斜最大主應(yīng)力在褶皺軸處最大，向兩翼逐漸變小；（4）背斜最大主應(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)到最小。與工程實(shí)際有很好的吻合。

關(guān)鍵詞：斷層；褶曲；失穩(wěn)；沖擊地壓；最大主應(yīng)力；數(shù)值模擬

1 引言

在礦山工程中，斷層與褶曲的復(fù)雜構(gòu)造，是煤層中地應(yīng)力集中，煤礦災(zāi)害的多發(fā)，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(dá)到一定強(qiáng)度而發(fā)生破裂，并沿破裂面有明顯相對移動(dòng)的構(gòu)造。褶曲的形成對于埋藏在地底下的煤礦產(chǎn)生了諸多影響，對煤礦的采區(qū)及階段劃分、煤礦產(chǎn)量、進(jìn)尺、成本、利潤等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有影響，而且是煤礦生產(chǎn)安全的直接隱患。

隨著煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力越來越大，地應(yīng)力顯現(xiàn)越加明顯。本文從實(shí)際出發(fā)采用KX-81型空芯包體式三軸地應(yīng)力計(jì)空芯包體應(yīng)力測量方法與數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方式對比計(jì)分析得出結(jié)論，說明了地應(yīng)力（主要是水平應(yīng)力）是引起地下工程圍巖和支護(hù)的變形與破壞，產(chǎn)生礦井動(dòng)力現(xiàn)象的根本作用力，斷層褶皺對實(shí)際采礦生產(chǎn)造成的影響。對礦井設(shè)計(jì)中最佳巷道軸向的選擇、合理確定巷道斷面的幾何形態(tài)、尤其對沖擊地壓的預(yù)測預(yù)防有重要的指導(dǎo)意義。

2 地質(zhì)概況

大安山煤礦東起茶棚嶺斷層，西到大網(wǎng)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?qū)?～4km，面積25.5km2。礦區(qū)內(nèi)地勢陡峻，溝谷縱橫。區(qū)內(nèi)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(qū)地貌為構(gòu)造侵蝕中高山區(qū)，基巖多裸露，山上多為坡積、殘積物，溝谷兩側(cè)及山地緩坡有沖積、洪積物，為砂礫石及土層。+400m水平范圍內(nèi)構(gòu)造以SW-NE向褶皺為主，次級(jí)構(gòu)造十分發(fā)育，大寒嶺背斜兩翼、北區(qū)局部受巖漿巖侵入體的破壞。井田內(nèi)的大中型構(gòu)造在深部水平對煤層的賦存程度減弱，小構(gòu)造發(fā)育加劇。

窯坡組地層含煤30～40層，煤層總厚度25.36m，含煤系數(shù)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(shù)3.47%。

3 地應(yīng)力測量

3.1 地應(yīng)力測量方法

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

KX-81型應(yīng)力計(jì)由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12個(gè)電阻應(yīng)變片組成。將3枚應(yīng)變花（每枚應(yīng)變花有4個(gè)應(yīng)變片）沿環(huán)氧樹脂筒圓周相隔120°粘貼，然后再用環(huán)氧樹脂澆注外層，使電阻應(yīng)變片嵌在筒壁內(nèi)（外層厚度約為0.5mm），在應(yīng)力計(jì)的頂部有一個(gè)補(bǔ)償應(yīng)變片（如圖2所示）。

a-截面投影圖；b-A、B、C三組應(yīng)變花的粘貼關(guān)系圖；c-鉆孔中的坐標(biāo)關(guān)系圖

圖2 三組應(yīng)變花的分布位置示意圖

3.2 地應(yīng)力測量計(jì)算結(jié)果

在現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，將套取出的帶有應(yīng)力計(jì)的巖芯放入圍壓率定機(jī)中并逐漸加壓，測出不同圍壓下各應(yīng)變片的讀數(shù)，用式（1）和式（2）計(jì)算彈性模量E和泊松比μ，結(jié)果見表1。將鉆孔方位、彈性模量、泊松比、應(yīng)變片安裝角及測量數(shù)據(jù)輸入KX-81型空芯包體應(yīng)力計(jì)算程序，計(jì)算出北嶺各測點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)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(nèi)徑；D-巖芯外徑；εx-軸向應(yīng)變；εt-周向應(yīng)變；E--性模量；μ-泊松比。

3.3 地應(yīng)力主要特征分析

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

4 數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

模型是根據(jù)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(diǎn)+1646.5m建立模型。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給煤層和巖石賦予相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行網(wǎng)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(gè)模型考慮自重。

4.2 斷層構(gòu)造模擬分析

斷層是煤層開采過程中經(jīng)常遇到的地質(zhì)構(gòu)造，它是巖層因受力達(dá)到一定強(qiáng)度而發(fā)生破裂，并沿破裂面發(fā)生明顯相對移動(dòng)的產(chǎn)物。地質(zhì)斷層通常被泥和地下水充填，變成軟弱結(jié)構(gòu)，這些軟弱地質(zhì)斷層在巖體中廣泛分布，構(gòu)成了煤層開采過程中失穩(wěn)的主要因素。煤層開采中地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生大多就是受到地質(zhì)斷層結(jié)構(gòu)影響造成的。

a. 主應(yīng)力方向在斷層附近有明顯擾動(dòng)。由于斷層的交互影響以及不同構(gòu)造樣式斷層的縱向延伸，整個(gè)研究區(qū)地應(yīng)力方向呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間分布格局。

b. 遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)域，遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)最大水平主應(yīng)力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應(yīng)力一般水平；斷層端部的局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力值超過8MPa，最大水平主應(yīng)力高達(dá)約8.77MPa。

4.3 褶皺構(gòu)造模擬分析

煤層在地殼運(yùn)動(dòng)的作用下易發(fā)生變形變位現(xiàn)象，其最基本的表現(xiàn)形式有褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。褶皺是巖層塑性變形的結(jié)果，是地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造的基本形態(tài)之一。從成因上講，褶皺主要是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的，它可能是由升降運(yùn)動(dòng)使巖層向上拱起和向下拗曲形成的，但大多數(shù)是在水平運(yùn)動(dòng)下受到擠壓而形成的，是一種未喪失巖層連續(xù)性的塑性變形。煤層褶皺中地應(yīng)力集中的地方是煤礦災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域。在大安山礦區(qū)，各煤層均發(fā)生了不同程度的褶皺構(gòu)造。因此對大安山煤礦地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在13煤層褶皺引起的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)到最小，最小值為10MPa左右。

5 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)情況以及數(shù)值模擬分析，該區(qū)域由于受大寒嶺倒轉(zhuǎn)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(chǎn)生較大的構(gòu)造應(yīng)力。

a.主應(yīng)力方向在斷層附近有明顯擾動(dòng)。由于斷層的交互影響以及不同構(gòu)造樣式斷層的縱向延伸，整個(gè)研究區(qū)地應(yīng)力方向呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間分布格局；

b.遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)最大水平主應(yīng)力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應(yīng)力一般水平；斷層端部的局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力值超過8MPa，最大水平主應(yīng)力高達(dá)約8.77MPa；

c.向斜最大主應(yīng)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)到最小，最小值為10MPa左右。

根據(jù)實(shí)際測量與模擬計(jì)算比較，模擬具有很好的比對作用，與工程實(shí)際有較好的吻合，對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]周鋼，李玉壽，吳振業(yè).大屯礦區(qū)地應(yīng)力測量與特征分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30（3）：314-318.

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[3]王學(xué)濱，潘一山，李英杰. 圍壓對巷道圍巖應(yīng)力分布及松動(dòng)圈的影響[J].地下空間與工程學(xué)，2006，2（6）：962-966.

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[8]劉江.伊泰礦區(qū)井下地應(yīng)力測量及應(yīng)力場分布特征研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（4）：562-565.

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[10]潘一山，唐治，閻海鵬，等大安山煤礦地應(yīng)力測量及數(shù)值模擬分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（增刊）：49-53.

[11]吳滿路，廖椿庭，張春山，等.紅透山銅礦地應(yīng)力測量及其分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（23）：3943～3947.

[12]苗勝軍，萬林海，來興平，等.三山島金礦地應(yīng)力場與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（23）：3996-3999.

b. 遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)域，遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)最大水平主應(yīng)力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應(yīng)力一般水平；斷層端部的局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力值超過8MPa，最大水平主應(yīng)力高達(dá)約8.77MPa。

4.3 褶皺構(gòu)造模擬分析

煤層在地殼運(yùn)動(dòng)的作用下易發(fā)生變形變位現(xiàn)象，其最基本的表現(xiàn)形式有褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。褶皺是巖層塑性變形的結(jié)果，是地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造的基本形態(tài)之一。從成因上講，褶皺主要是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的，它可能是由升降運(yùn)動(dòng)使巖層向上拱起和向下拗曲形成的，但大多數(shù)是在水平運(yùn)動(dòng)下受到擠壓而形成的，是一種未喪失巖層連續(xù)性的塑性變形。煤層褶皺中地應(yīng)力集中的地方是煤礦災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域。在大安山礦區(qū)，各煤層均發(fā)生了不同程度的褶皺構(gòu)造。因此對大安山煤礦地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在13煤層褶皺引起的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)到最小，最小值為10MPa左右。

5 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)情況以及數(shù)值模擬分析，該區(qū)域由于受大寒嶺倒轉(zhuǎn)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(chǎn)生較大的構(gòu)造應(yīng)力。

a.主應(yīng)力方向在斷層附近有明顯擾動(dòng)。由于斷層的交互影響以及不同構(gòu)造樣式斷層的縱向延伸，整個(gè)研究區(qū)地應(yīng)力方向呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間分布格局；

b.遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)最大水平主應(yīng)力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應(yīng)力一般水平；斷層端部的局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力值超過8MPa，最大水平主應(yīng)力高達(dá)約8.77MPa；

c.向斜最大主應(yīng)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)到最小，最小值為10MPa左右。

根據(jù)實(shí)際測量與模擬計(jì)算比較，模擬具有很好的比對作用，與工程實(shí)際有較好的吻合，對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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b. 遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)域，遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)最大水平主應(yīng)力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應(yīng)力一般水平；斷層端部的局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力值超過8MPa，最大水平主應(yīng)力高達(dá)約8.77MPa。

4.3 褶皺構(gòu)造模擬分析

煤層在地殼運(yùn)動(dòng)的作用下易發(fā)生變形變位現(xiàn)象，其最基本的表現(xiàn)形式有褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。褶皺是巖層塑性變形的結(jié)果，是地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造的基本形態(tài)之一。從成因上講，褶皺主要是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的，它可能是由升降運(yùn)動(dòng)使巖層向上拱起和向下拗曲形成的，但大多數(shù)是在水平運(yùn)動(dòng)下受到擠壓而形成的，是一種未喪失巖層連續(xù)性的塑性變形。煤層褶皺中地應(yīng)力集中的地方是煤礦災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域。在大安山礦區(qū)，各煤層均發(fā)生了不同程度的褶皺構(gòu)造。因此對大安山煤礦地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在13煤層褶皺引起的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)到最小，最小值為10MPa左右。

5 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)情況以及數(shù)值模擬分析，該區(qū)域由于受大寒嶺倒轉(zhuǎn)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(chǎn)生較大的構(gòu)造應(yīng)力。

a.主應(yīng)力方向在斷層附近有明顯擾動(dòng)。由于斷層的交互影響以及不同構(gòu)造樣式斷層的縱向延伸，整個(gè)研究區(qū)地應(yīng)力方向呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間分布格局；

b.遠(yuǎn)離斷層端部區(qū)最大水平主應(yīng)力集中分布在4～8MPa之間，代表了該層最大水平主應(yīng)力一般水平；斷層端部的局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力值超過8MPa，最大水平主應(yīng)力高達(dá)約8.77MPa；

c.向斜最大主應(yīng)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(yīng)力從褶皺軸部向兩翼逐漸增大，軸部值達(dá)到最小，最小值為10MPa左右。

根據(jù)實(shí)際測量與模擬計(jì)算比較，模擬具有很好的比對作用，與工程實(shí)際有較好的吻合，對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)具有重要意義。

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