滇東煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響

周壽中 朱彥昆

摘要：滇東煤田位于中國(guó)板塊西南部，處于濱太平洋系與古特提斯構(gòu)造系北北東構(gòu)造的交接復(fù)合帶，煤礦巖體中存在著不同數(shù)量、不同類型的地質(zhì)構(gòu)造，例如褶皺、彎曲、斷層等，這些都會(huì)對(duì)煤礦井巖體的力學(xué)性質(zhì)帶來(lái)影響，煤礦井中存在著復(fù)雜的地應(yīng)力，在研究煤礦井的應(yīng)力的穩(wěn)定性時(shí)，一定要考慮煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布造成的影響，本文通過(guò)對(duì)滇東煤田煤礦井下的地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力的分布情況進(jìn)行簡(jiǎn)要的敘述，希望能對(duì)今后的煤礦研究工作提供一些建議。

關(guān)鍵詞：煤礦井、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力分布

引言

地應(yīng)力的分布情況和地質(zhì)構(gòu)造有著密不可分的關(guān)系，通過(guò)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行有效的勘察可以獲得一些比較可靠的地應(yīng)力信息，近些年來(lái)，我國(guó)地質(zhì)中心在對(duì)地應(yīng)力分布和地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系的研究中已經(jīng)有了很大的研究成果，通過(guò)對(duì)多地的礦區(qū)以及礦井進(jìn)行研究和地應(yīng)力測(cè)量，并在此基礎(chǔ)上分析該地區(qū)的地應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，得出了最大主應(yīng)力方向主要取決于當(dāng)下構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的重要結(jié)論。

一、煤礦區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造

本文主要通過(guò)滇東煤田地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響進(jìn)行研究，該地區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂構(gòu)造及褶皺構(gòu)造均較發(fā)育。區(qū)域內(nèi)主干構(gòu)造為：富源-彌勒斷褶、平關(guān)阿崗斷褶、楊梅山-小竹青斷褶、彌勒師宗斷褶帶等。主干構(gòu)造帶之間發(fā)育一系列構(gòu)造形態(tài)呈北東、北北東及北西、北北西向密集展布之向、背斜褶曲與斷裂。由北東、北北東向壓性、壓扭性主干斷裂分隔，伴生及派生斷裂構(gòu)造穿插切割破壞各褶曲形態(tài)。其間稀疏分布南北向張扭、北西向壓扭性斷裂如下圖（1）。在滇東煤田煤礦區(qū)主要存在的地質(zhì)構(gòu)造作用類型主要分為褶曲和斷層。

1.1褶曲構(gòu)造

滇東煤田礦區(qū)位于平關(guān)阿崗斷裂東側(cè)、平關(guān)—大坪復(fù)向斜的南部。屬桃樹(shù)坪向斜與大坪向斜之間的大水昝背斜北段。大水昝背斜軸向北北西，向北傾伏，受F1（原F27）正斷層破壞，地表跡象顯示為不完整背斜構(gòu)造。東翼為大坪復(fù)向斜的西翼，西翼為桃樹(shù)坪向斜的東翼。核部為P2β玄武巖在礦區(qū)外圍南部呈“棱形”出露，兩翼依次出露P2x、T1k、T1f地層，兩翼產(chǎn)狀變化不大，傾角在30度到40度之間。

1.2斷層構(gòu)造

滇東煤田礦區(qū)受阿崗斷裂、平關(guān)—大坪復(fù)向斜的控制，以及北東—南西主應(yīng)力的影響。區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，以北北西向張扭、壓扭性斷裂為主，北東及北北東向斷裂次之， F1主干正斷層把礦區(qū)切割成南、北兩塊。區(qū)內(nèi)斷裂主要發(fā)育在礦區(qū)北部及東部如下圖（2）。

二、煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響

2.1煤礦井下構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力的測(cè)量和分析

2.1.1褶曲構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力的測(cè)量和分析

中生代未，西部拉薩陸塊（岡底斯地體）與中國(guó)板塊碰撞引起燕山運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致?lián)P子板塊西部基底及蓋層褶皺變形，滇東地區(qū)平行揚(yáng)子板塊南緣形成北東向褶皺。新生代印度板塊與中國(guó)板塊的最終碰撞使喜山運(yùn)動(dòng)發(fā)生，致使川滇南北向斷裂由張性轉(zhuǎn)為壓性，北西向古斷裂轉(zhuǎn)為左旋扭動(dòng)，同時(shí)東部的太平洋板塊向北西西推移，并向歐亞板塊東緣俯沖，形成平行俯沖帶的北北東-北東向巨型構(gòu)造，其在滇東與南北向扭張斷裂為主的古特提斯構(gòu)造體系復(fù)合重疊，促使北東向斷裂構(gòu)造右旋扭動(dòng)。使滇東區(qū)域內(nèi)北東及北北東向壓扭構(gòu)造帶最終定型。

根據(jù)褶曲的傾角方向?qū)⒄麄€(gè)煤層分為急傾斜和緩傾斜兩種，為了方便對(duì)該地區(qū)構(gòu)造形態(tài)和地應(yīng)力特征進(jìn)行綜合性探索，采用水壓致裂法分別對(duì)礦區(qū)進(jìn)行急傾斜帶和緩傾斜帶進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。在礦井多個(gè)測(cè)站中，礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)水平應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

類型，在急傾斜煤層的幾個(gè)測(cè)站的平均水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值均小于1，而近水平煤層的測(cè)站中，大部分測(cè)站的平均水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力比值絕大于1。通過(guò)地應(yīng)力場(chǎng)埋深的比較，雖然隨著埋深的增加其垂直主地應(yīng)力也有所增加，但是其水平地應(yīng)力大小增加的幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直主地應(yīng)力增加的幅度。由此可以得出，不同的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)其地應(yīng)力大小也不同，向斜構(gòu)造對(duì)于地應(yīng)力的大小產(chǎn)生的影響較大，在向斜軸部，兩端的水平地應(yīng)力大小都會(huì)有明顯的上升。

2.1.2斷層構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力的測(cè)量和分析

為了研究斷層構(gòu)造區(qū)對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，在滇東煤田煤礦區(qū)進(jìn)行了水壓致裂地應(yīng)力的測(cè)量，通過(guò)地質(zhì)測(cè)站的建立和地質(zhì)檢測(cè)表明，測(cè)站的埋深都相差不多，但也存在有幾個(gè)測(cè)站的測(cè)深小于平均埋深，出現(xiàn)該種情況的主要原因是因?yàn)樵摂鄬釉跀嗔堰^(guò)程中有應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致該地區(qū)斷層區(qū)域內(nèi)側(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力值偏低。

通過(guò)對(duì)地應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果表明，最大主地應(yīng)力的主要方向在東區(qū)為北偏西19到56度，個(gè)別為北偏東26-53度，在西區(qū)最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)楸逼珫|30-82度，水平主地應(yīng)力的方向較大，礦井東西區(qū)地應(yīng)力大小差異的主要原因是受到了斷裂帶的影響，斷裂帶的形成，引起了地應(yīng)力方向的變化，從而造成地應(yīng)力值的大小隨之發(fā)生變化。

2.2地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步研究地應(yīng)力的影響因素，本文采用滇東煤礦地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力分布情況與變化特征，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

地應(yīng)力數(shù)據(jù)分析的方法主要有幾下幾種：數(shù)值模型建立研究分析法、煤巖體力學(xué)參數(shù)分析法、模型邊界條件以及模擬過(guò)程分析法、模擬結(jié)果分析法。

應(yīng)該注意的是，在煤層位于斜軸部的范圍內(nèi)時(shí)，其水平地應(yīng)力大小一般都大于垂直地應(yīng)力，而煤層位于向斜翼部的范圍內(nèi)時(shí)，其垂直地應(yīng)力一般大于水平地應(yīng)力。主要原因是各個(gè)煤層由于構(gòu)造不同導(dǎo)致的煤層的各個(gè)組成模量也不同，而在其進(jìn)行水平或者垂直擠壓的過(guò)程中，各個(gè)層的水平應(yīng)變基本是相同，進(jìn)而造成各個(gè)層面上的水平地應(yīng)力增加量相差很大，彈性模量較大的水平地應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層垂直地應(yīng)力。

三、結(jié)論

綜上所述，煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的分布確實(shí)起著一定的影響，不同的地質(zhì)構(gòu)造會(huì)對(duì)地應(yīng)力的方向和大小有著不同的作用。大型斷層會(huì)引起地應(yīng)力大小的變化，地質(zhì)構(gòu)造地應(yīng)力的增量和煤巖體彈性模量有著密切的關(guān)系，巖層彈性模量變化越大，所承載的水平地應(yīng)力越高。在進(jìn)行地下應(yīng)力數(shù)據(jù)分析時(shí)，將地應(yīng)力實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合，是全面了解煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)分布的主要方式。

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