集賢煤田地質構造演化特征及其對沖擊地壓的影響

趙善坤，張廣輝，柴海濤，李少剛，李志國

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.龍煤集團 雙鴨山礦業分公司，黑龍江 雙鴨山 155100）

煤礦開采過程中的各種礦壓顯現主要受地應力和采動應力影響，二者是引起煤礦巷道變形破壞和誘發沖擊地壓顯現的根本作用力。以沉積賦存的煤巖體在漫長的成煤過程中受地質構造運動形式、運動方向及影響范圍等因素不同，導致區域構造特征與局部構造應力分布存在一定差異，地應力很難推演計算[1-3]。而采動應力是煤巖體受開挖擾動影響使得采場周圍巖體應力重新分布并在局部形成高應力集中，且隨工作面的推進其應力集中的位置和峰值強度不斷變化。采場煤巖體處于時空邊界條件變化不穩定和存在形式耦合非獨立的動態變化應力場之中，這也是煤礦沖擊地壓等動壓災害難以監測和防治的根本原因。采動應力與構造應力疊加是煤巖體沖擊失穩的基礎，高采動應力增量是誘發沖擊的根本原因。在煤礦實際生產過程中大多要通過現場實測來指導工程設計和理論分析。尹光志[4]以硯石臺煤礦為背景，通過現場實測和數值計算研究了地應力對沖擊地壓的影響并給出了能量判據。喬偉[5]分析了徐州礦區深部礦井地應力的分布規律并將其應用在張小樓礦沖擊地壓的預測預報；王連國[6]、康紅普[7]等人分別對霍州地區、晉城礦區和巨野礦區地應力的分布特征及巷道穩定性進行了研究，趙善坤[8]、王迎超[9]等分別研究了地質構造對地應力的影響并對平頂山礦區進行了空間區劃。以上這些研究大多是從現今構造應力場出發，基于實測地應力結果并借助統計分析或數值模擬對礦區或礦井的地應力分布特征、巷道穩定性及其與沖擊地壓的關系進行研究，對于經歷多期地質構造影響，區域內半次生構造發育，構造應力與采動應力復合作用而導致的動壓災害研究相對較少。為此，通過對集賢煤田構造演化及成煤特征的分析，結合煤田內不同區域、不同水平的地應力實測結果分析地應力分布特征，并從區域構造作用和煤層開采擾動的角度分析集賢煤礦沖擊地壓事故的原因和影響因素。

1 集賢煤田構造演化及成煤特征分析

1.1 煤田構造演化行跡分析

自印支運動以來，黑龍江東部區在多期地質構造運動的影響下形成了一些列隆凹相間、東西成行、南北成列并以帶北偏東方向斜列分布為主體的含煤盆地。其中集賢煤田位于集賢拗陷北部，三江盆地西部，綏濱拗陷南部[10]。早白堊紀末期，三江盆地發生了區域性的逆沖褶皺作用，盆地發生了差異隆升剝蝕，使得前進地區侏羅-白堊紀沉積被剝蝕殆盡。晚白堊世隨著完達山地體向西的斜向拼貼碰撞，形成自東向西的逆沖推覆構造，盆地西部綏濱地區繼續處于隆升剝蝕狀態，同時區域受順時針走滑應力場及熱隆起作用，形成了北西向逆斷層及其伴生的褶皺構造。四川中晚期、華北期以及喜馬拉雅早期，受到太平洋向亞歐大陸持續脈沖作用，三江地區遭受NWW向縮短擠壓作用，普東斷裂、永生斷裂等斷裂構造和東榮向斜、索利崗背斜等構造發育形成。始新世末期，太平洋板塊對歐亞大陸俯沖的方向由NNW向轉為NWW向。新生代，特別是漸新世以后，由于太平洋板塊對歐亞大陸由東向西俯沖，在近EW向最大水平擠壓應力作用下使得東北地區已存在的NNE向、NE向斷裂發生右旋扭動，NE、NNE向斷裂扭張拉開。自上新世以來，受NWSE向拉張構造應力場作用，先期一些NNE向斷裂轉變成正斷層，如富錦斷裂、勤得利二龍山斷裂轉變為正斷層，受拉張應力作用，整個三江下降接受沉積，煤田整體構造初步形成。總體而言，本煤田總體構造形態呈北低南高態勢，從構造趨勢面上看，其北東向區域構造線屬成煤前期作用，而北崗斷裂屬成煤后期作用，對煤田有一定的改造作用。

1.2 成煤地層特征分析

集賢煤田以遠古界麻山群為基底，中生界下白堊統晚侏羅紀后陸相沉積的雞西群穆棱河組、城子河組為其主要含煤地層，由西向東發育煤層數量逐漸增多。本區含煤地層屬于上段屬晚侏羅紀的陸相沉積，成煤性一般，地層厚度在800～1 700 m。下段城子河組總厚度930 m，成煤性較好，共含煤50余層，可采和局部可采層22個。下部巖性以含礫砂巖為主，夾薄層粉砂巖、泥巖，上部以中粗粒砂巖為主，夾薄層粉砂巖及數層凝灰巖，含豐富的植物化石。在東榮區南部及集賢礦區，由于基底隆起，該段缺失。中段為主要含煤段，巖性以中粗粒砂巖，石英砂巖為主，夾薄層粉砂巖及凝灰巖。巖石粒級由上而下變粗，含植物化石，有閃長巖呈巖脈和巖床侵入。厚度約為320 m，含煤30余層，可采煤層16～18個。煤層分布集中，層間距小，厚度較大。上段巖性主要為粉砂巖、細砂巖，粒度無明顯不同。中、下部夾薄層凝灰巖及粉砂巖，含植物化石，厚度310 m，含煤10余層，可采層3個煤層薄、間距大?？傮w看，該區含煤地層從建造到改造，受多期擠壓應力、地層旋轉滑動作用和新華夏系構造控制，以斷裂、背斜構造改造為主。其中白堊世以自東向西的逆沖推覆地質改造為主，新華夏系以近西北向東南向的張拉斷裂改造為主。此外，本區煤層的變相、分叉、尖滅顯現普遍，表明成煤地質環境復雜。

2 集賢煤田區域構造特征分析

集賢煤田在三江盆地西部的綏濱、集賢拗陷北部，總體是由若干近南北和北東、北西向的不對稱向、背斜組成[11]。由于受區域性多種構造應力場的控制和影響，煤田北、東面均分布有較多的北西和北東向次級褶皺，部分區段內斷裂也較發育集賢煤田的近南北向的構造。南部邊緣有近東西向的弧形沖斷裂（北崗斷裂）和褶皺，西部以北東向的軍川斷裂為邊界，局部有復合構造存在。東南部呈現3組近南北向的寬緩褶皺和F15斷裂，北東、北西的次級褶皺、斷裂也較發育。煤田內的主要褶皺、斷裂，由西到東有：腰林子向斜、中伏屯背斜、新城鎮向斜、索倫崗背斜、東榮向斜、福山隆起、福山向斜，軸向主要為近SN向，次為NE向。其間主要斷裂有軍川、中伏屯、集賢斷裂和 F1、F11、F7、F15斷裂，走向主要為近SN向，次為NE、NW向，落差多在100～700 m之間，延伸較長且具有多期繼承性，對煤層破壞較嚴重。煤田內以南北走向的索倫崗背斜為界，西部為集賢礦區，東部為東榮礦區。綏濱-集賢地區及東榮礦區構造分布如圖1，東榮礦區構造分布圖如圖2。

集賢礦區西鄰近北東向的新城鎮向斜，南部邊緣鄰近東西向的北崗沖斷裂和褶皺，北部呈現多向性起伏，區內橫縱向上都有較多的寬緩起伏，NW和近EW向的次級褶皺較發育并次生一些中小型斷裂，該區整體為一軸向北西至近東西、北翼寬緩、南翼狹窄的不對稱向斜構造。地層走向為北西向，傾角一般 5°～15°，個別地段 20°～35°，區內以集賢煤礦為主。東榮礦區整體為一軸向近南北、東翼寬緩、西翼狹窄的不對稱向斜構造。地層走向為近南北和北西、北東向，地層傾角一般為 10°～25°，局部地段變陡到30°～70°。該區近南北向褶皺主要在F3斷裂的東西兩側，斷裂落差多在30～150 m之間；北東向褶皺主要有二九一背斜、八隊向斜、福山崗3個背斜組以及F7、F8、F55等斷裂兩側的牽引褶皺，區內以東榮一礦、二礦和三礦為主?？傮w而言，兩區在縱橫向上均有較多的寬緩起伏。北、東面均分布有較多的北西和北東向次級摺皺，部分區段內斷裂也較發育，構造較復雜。此外2個礦區內均發現有中性閃長玢巖、基性輝綠巖以小型巖墻或巖脈侵入，對煤系地層結構造成一定程度的破壞。

圖1 綏濱-集賢地區及東榮礦區構造分布圖

圖2 東榮礦區構造分布圖

3 集賢煤田地應力分布與區域構造關系分析

3.1 集賢煤田主應力情況分析

由于區域地質構造經歷地質作用的多期性和內部結構的復雜性，局部地區構造應力場與大區域總體構造應力場可能不盡一致[12]。為了弄清局部地應力分布特征與區域構造的關系，采用空心包體三維應力解除法對集賢煤田4個礦井不同開采水平的12個測點進行了地應力實測分析，并分別對煤田地應力場的類型、最大主應力方向、主應力以及側向壓力系數隨深度的變化規律進行了分析，雙鴨山礦區地應力測量結果見表1。

表1 雙鴨山礦區地應力測試結果

由表1可以看出，盡管集賢煤田位置處在區域 性的北西、近東西和北東向構造的復合部位，同時受到3種構造應力的作用，但煤田屬于典型的以水平構造應力為主的σH＞σh＞σv型大地動力場，屬逆斷型應力狀態,有利于逆斷層的發育活動，這與煤田內多逆斷層發育的事實相符合。地應力量級大部分在30 MPa以上，占總測點數據的75%，屬于典型的高-超高應力區。煤田內2個主應力近似于水平方向，其中最大主應力方向介于 67.12°～192.26°，平均為129.69°，總體屬于NW-SE向，不僅與區內主控斷裂的延展方向及次生構造的發育特征相對應，更與黑龍江及其鄰區震源機制測試結果接近。3個主應力基本隨深度的增加而增大，但數據分布離散型較強，尤其是深度超過510 m以后，回歸方程的相關系數明顯較小，這可能與礦區開采擾動、局部地質構造及不同地區的地質條件差異等因素有關，集賢礦區主應力及側壓系數隨埋深分布變化圖如圖3。

3.2 集賢煤田地應力側壓系數分析

圖3 集賢礦區主應力及側壓系數隨埋深分布變化圖

借鑒Hoek-Brown關于側壓系數隨埋深變化的雙曲線擬合處理方法，分析了集賢礦區3個主應力側壓系數隨埋深的變化規律，其中H介于440～573 m之間。以K=a/H+b(式中a、b均為待定系數)的形式回歸分析了集賢礦區3個側壓系數隨埋深的變化規律以及表示3個側壓系數分布取值范圍的內外包絡線，如圖 3（b）～圖 3（f）。其中，為了彰顯包絡線的曲線性，將埋深和x軸比值做了適當擴展。3個主應力的側壓系數隨埋深變化在470～540 m處的分布較為集中，而在560 m以上的分布較為零散。其中 KH的分布范圍是 1.97～2.51，平均為 2.26；Kh的分布范圍為 1.06～ 1.33,平均為 1.17；Kav的分布范圍為 1.56～1.88,平均為 1.72。具體分布如圖 3（b）～圖 3（f）。3個側壓系數的分布特征與Hork和Brown所測得結果相似且整體落在康紅普對中國煤礦所劃的區間之內。此外，數據處理過程中發現，同一煤田內的不同區域其主應力大小、方向以及側壓系數等受地形地貌、地層巖石組合、局部構造等因素影響變化較大，離散型較強，規律性較差，這可能不僅與煤田內部開采擾動、局部地質構造差異等因素有關，更反映了本區歷經地質構造運動的復雜性和多期性，地質構造復合疊加作用明顯。

式中：H為測點深度，m；KH為最大水平主應力與垂直應力之比；Kh為最大水平主應力與垂直應力之比；Kav為平均水平應力與垂直應力之比。

4 區域構造特征對沖擊地壓的影響

4.1 集賢煤礦沖擊地壓概況

沖擊地壓的發生不僅取決于煤巖體自身的屬性、結構特征，更與煤巖體所受的應力狀態密切相關[12]。其中，區域構造是沖擊地壓孕育的工程應力環境因素，煤巖賦存特征是沖擊地壓發生的結構因素，而采動應力是沖擊地壓發生的工程擾動誘災因素。集賢煤礦作為集賢煤田內的典型礦井，其深部西二采區僅2010—2013年就發生40余次沖擊地壓顯現，累計造成1 600 m巷道損壞，煤礦生產和人員安全受到巨大威脅。這與其所處的地質構造應力環境和煤巖賦存結構特征關系密切。

集賢煤礦西二采區位于中一下左六片采空區西部。北部為4109下部集中運輸道，南部為北崗斷層，西部為西二采區二片（未回采）準備回采面，東部為中一下左六片采空區。采區整體屬于單斜構造，開采的9號煤層平均傾角10°，開采深度約650～700 m，為綜合機械化采煤，全垮落法管理頂板。煤層上方50 m范圍內分別存在7.3 m的細粉砂巖（距煤層25 m）和9.8 m厚的中粒砂巖（距煤層45 m）。經鑒定煤層及其頂板具有弱沖擊傾向性，集賢煤礦9煤沖擊傾向性評定相關參數見表2。集賢煤礦9煤頂板彎曲能量指數見表3。

表2 集賢煤礦9煤沖擊傾向性評定相關參數

表3 集賢煤礦9煤頂板彎曲能量指數

2013年3月11日，西二采區左一片工作面發生沖擊地壓顯現，造成工作面前方15 m范圍內嚴重底鼓，上端頭3架防沖支架傾倒，煤壁炸幫明顯且在局部有頂板、煤層錯動摩擦現象，集賢煤礦西二采區左一片巷道沖擊圖如圖4。

圖4 集賢煤礦西二采區左一片巷道沖擊圖

4.2 集賢煤礦沖擊地壓機理分析

1）就集賢煤礦所處的區域地質構造應力場而言，它處于索利崗背斜西翼、集賢向斜北翼的三角擠壓地帶。由于地區長期受到緯向構造體系的南北向擠壓作用影響，產生北崗斷層將集賢向斜南翼抬起并逐漸風化剝蝕掉，而北翼下降保存下來并形成單斜構造。地層結構總體為一走向近東西、向南傾斜的單斜構造。礦區內有3組主要斷裂構造，分別為東西向的北崗斷裂，其斷裂面較陡并向南傾斜，落差在1 km以上，斷面擠壓破碎帶近100 m，為典型的左行平移逆沖斷層。北東向的集賢斷裂位井田的邊界斷層，斷層落差在74～190 m，區內延展2 km。而北西向的而北西向的蘇家店-筆架山斷裂及新城鎮-東榮斷裂則是煤田內主干斷裂，控制區內其他斷裂的發育并派生出許多次級斷裂，在局部地段形成弧形構造。此外，區內局部因斷層切割發育有小型褶曲，地層傾角變化較大，一般在5°～25°之間。由此可見，較高的構造擠壓應力環境和復雜的地質構造分布為集賢煤礦沖擊地壓的發生提供了外部力源條件。

2）就其煤巖結構特征而言，9煤層及其頂底板具有弱沖擊傾向性，屬典型的“硬頂-硬煤-硬底”的三硬結構特性，在構造應力及采動應力的作用下易于形成高應力集中并積聚能量。同時，在9煤頂板及煤層之間存在軟弱薄層，其為煤巖結構體在應力作用下發生層間錯動提供了潤滑，增加了沖擊地壓發生的危險。從圖4可以發現，沖擊后巷道頂板及煤層相對完整，頂板與煤層之間存在較大離層且沖出煤體表面附有灰白色的燃盡煤灰（推斷為頂板與煤層摩擦所致）可以得出，集賢煤礦沖擊地壓屬于構造應力影響下的結構型沖擊地壓，具有明顯的結構特性。

3）集賢煤礦西二采區整體處于區域單斜構造之中，屬仰斜開采，上覆巖層的俯沖力不斷增強，使得煤層在構造應力、自重應力及采動應力的多場應力疊加作用下，積聚大量的能量。同時，由于西二采區煤層變化較大，呈波浪形分布，在煤層變化帶更易積聚構造應力，這些高應力的存在使得煤層在開采之前就已發生錯動。此外，西二采區仰斜開采的支承壓力分布特點，也加速了煤巖結構體的滑移失穩，易于誘發沖擊地壓。

5 結論

1）集賢煤田整體呈北低南高的構造形態，整體以遠古界麻山群為基地成煤，由西向東煤層發育數量逐漸增多，以索倫崗背斜為界分布的東西2個礦區存在明顯的構造差異。其中北東向區域構造形成于成煤前期，北崗斷裂等形成于成煤后期。2個區內均有小型巖墻或巖脈侵入，對煤系地層造成了一定破壞。

2）煤田是以水平應為主的 σH>σh>σv型大地動力場，逆斷型應力狀態，2個主應力方向總體近似水平，最大主應力方向平均為129.69°，總體趨于NW-SE方向。因受多期地質構造運動復合疊加作用的影響，最大、最小水平主應力以及側壓系數雖整體表現為隨深度的增加而增大的趨勢，但數據分散性較大。

3）集賢煤礦所處的三角擠壓區域高應力和礦區內復雜的次級構造為其沖擊地壓的發生提供了外部力源條件，9#煤層及頂底板的弱沖擊傾向性及其頂板煤層之間存在軟弱薄層的結構特性為沖擊地壓的發生提供了結構條件，而西二采區煤層波浪式的起伏以及仰斜式開采造成的應力分布不均，為沖擊地壓的發生提供了應力條件。