東榮二礦井田構造應力分區(qū)特征及其應用研究

劉洪泉 楊振華

（1、黑龍江龍煤礦業(yè)集團股份有限公司 雙鴨山分公司東榮二礦，黑龍江 雙鴨山 155100 2、遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000）

1 井田概況及地質構造模型

1.1 井田概況

東榮二礦開采過程中已發(fā)生多次礦井動力顯現現象，其中17#煤層發(fā)生動力顯現的次數較多、強度較大。文中主要對17#煤層的構造應力進行計算和分區(qū)，研究構造應力分區(qū)特征對礦井動力顯現的影響。

1.2 地質構造模型構建

基于地質構造形式、現代構造運動特征和斷裂活動特征，從板塊構造的尺度出發(fā)，根據斷塊的主從關系和大小從高級到低級按順序確定出Ⅰ～Ⅴ級各級斷塊，建立了現代構造運動與工程應用之間的聯系。依據Ⅴ級區(qū)劃圖確定的斷塊構造邊界，建立了東榮二礦井田地質構造模型，如圖1 所示。

圖1 東榮二礦井田地質構造模型

2 構造應力計算模型

2.1 頂板巖性分布特征確定

根據東榮二礦井田地面勘探鉆孔及井巷采掘工程揭露的煤層頂板巖性信息，運用地質動力區(qū)劃信息管理系統(tǒng)軟件，進行巖性分布計算及巖體分區(qū)，確定17#煤層頂板巖性分布特征。

2.2 裂及頂板巖性力學參數確定

東榮二礦17#煤層直接頂巖性以細砂巖和粉砂巖為主，井田范圍內存在Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)劃斷裂。結合實驗室測試得到的不同巖性的物理力學參數，確定頂板巖性分類及斷裂力學特征參數，見表1。

表1 東榮二礦17#煤層頂板巖性及力學參數

2.3 邊界及加載條件確定

參考東榮二礦的地應力測量結果，確定東榮二礦17#煤層構造應力模型的σ1為32.20 MPa，σ3為23.32 MPa。

2.4 應力計算模型構建

結合東榮二礦井田地質構造模型，建立構造應力計算模型。模型長度為8 km，寬度為7 km，面積為56 km2，共劃分22701個節(jié)點，44800 個單元，應力計算模型如圖2 所示。

圖2 17#煤層巖體應力計算模型

3 構造應力分析及應用

3.1 構造應力場計算

應用巖體應力分析系統(tǒng)，根據表1 中的斷裂及巖性力學參數，為計算模型中的煤層頂板和斷裂賦值。計算得到東榮二礦17#煤層井田的最大主應力值、最小主應力值和剪應力值，得到17#煤層頂板的構造應力分布，如圖3 所示。

3.2 構造應力分區(qū)

由圖3 可知，17# 煤層井田范圍內最大水平主應力值為13～25 MPa，結合礦井實際情況，將井田區(qū)域劃分為高應力區(qū)、應力梯度區(qū)和低應力區(qū)3 類應力區(qū)域。東榮二礦17#煤層構造應力分區(qū)結果如圖4 所示。高應力區(qū)：劃分3 個區(qū)域。①位于井田中東部，應力值為22～25 MPa，Ⅳ-19、Ⅴ-31、Ⅴ-33、Ⅴ-34斷裂從其中穿過，影響范圍為2.11 km2；②位于井田東部，應力值為22～23 MPa，影響范圍為0.25 km2；③位于井田南部，應力值為22～25 MPa，Ⅴ-24、Ⅴ-32 斷裂在該區(qū)域交匯，Ⅴ-25 斷裂從其中穿過，影響范圍為0.91 km2。應力梯度區(qū)：劃分6 個區(qū)域。①位于井田東北部，應力值為17～22 MPa，影響范圍為0.70 km2；②位于井田中東部，應力值為17～22 MPa，影響范圍為1.33 km2；③位于井田東部，應力值為17～22 MPa，影響范圍為0.23 km2；④位于井田東南部，應力值為17～22 MPa，影響范圍為0.29 km2；⑤位于井田南部，應力值為17～22 MPa，影響范圍為0.28 km2；⑥位于井田西部，應力值為17～22 MPa，影響范圍為2.65 km2。

圖3 東榮二礦17#煤層構造應力場分布

圖4 東榮二礦17#煤層構造應力分區(qū)

低應力區(qū)：劃分4 個區(qū)域。①位于井田東北部，應力值為16～17 MPa，Ⅴ-39 斷裂從其中穿過，影響范圍為0.53 km2；②位于井田西部，應力值為13～17 MPa，Ⅴ-29、Ⅴ-30、Ⅴ-31 斷裂從其中穿過，影響范圍為1.85 km2；③位于井田東部，應力值為16～17 MPa，Ⅳ-20 斷裂從其中穿過，影響范圍為0.25 km2；④位于井田南部，應力值小于17 MPa，影響范圍為0.40 km2。

3.3 構造應力分區(qū)對礦井動力顯現的影響

井田東北部應力梯度區(qū)位于東二上采區(qū)范圍內；井田中東部應力梯度區(qū)，對中一上邊界塊段一面初采階段有一定影響；井田東部和東南部應力梯度區(qū)位于已關閉采區(qū)范圍內；井田南部應力梯度區(qū)位于南四上采區(qū)范圍內，對該采區(qū)的零一面有一定影響；井田西部應力梯度區(qū)目前主要對南四上采區(qū)的五面有一定影響。

井田低應力區(qū)分別位于井田東北部、西部、東部和南部。17#煤層近三年接續(xù)工作面中，東二上采區(qū)三面里部部分位于東北部低應力區(qū)范圍內；西部、東部和南部低應力區(qū)范圍內目前無接續(xù)工作面。東榮二礦17#煤層開采過程中已發(fā)生的4 個動力顯現點中，3 個位于劃分的應力梯度區(qū)范圍內，1 個位于正常應力區(qū)范圍內。表明應力分區(qū)對礦井開采中的動力顯現具有控制作用。東榮二礦17#煤層構造應力分區(qū)與采掘工程位置關系。

4 結論

4.1 基于井田地質構造模型、頂板巖性分布及應力位移邊界條件，構建了東榮二礦17#煤層構造應力計算模型，得到了井田構造應力分布規(guī)律，17#煤層井田范圍內最大水平主應力值為13～25 MPa。

4.2 根據井田構造應力分布和礦井實際情況，在井田范圍內劃分了3 個高應力區(qū)、6 個應力梯度區(qū)及4 個低應力區(qū)；17#煤層已發(fā)生的4 個動力顯現點中，3 個位于劃分的應力梯度區(qū)范圍內，表明應力分區(qū)對礦井動力顯現具有控制作用。

4.3 東榮二礦17#煤層近三年接續(xù)工作面中，南四上采區(qū)零一面、五面和六面位于高應力區(qū)影響范圍內，中一上邊界塊段一面部分位于應力梯度區(qū)影響范圍內，回采時應加強支護，提前采取卸壓防治措施。