大同煤田雙系開采強礦壓與地質動力環境關系研究

蘇經緯,楊東輝,樊 聰,李 立,呂兆恒,程虹銘

(山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003)

礦井動力災害是一種嚴重的礦井煤巖系統動力失穩災害,具有突發性強、破壞性大、機理復雜等特點[1]。實踐表明,煤層開采越深,地質構造越復雜,發生礦井動力災害的頻率越大,破壞性也越強。目前普遍認為礦井動力災害是在區域地質構造運動和開采擾動的共同作用下,局部煤巖體力學系統發生的劇烈動力失穩破壞現象,其動力源為地層動力運動過程中所聚積的彈性能。礦井動力災害在時間、空間和強度上的差異主要取決于礦井的地質動力環境[2-4]。BATUGINA et al[5]最早從地球動力學的角度對沖擊地壓等煤巖動力災害開展研究,并初步建立了地質動力區劃分理論。張宏偉等[6]通過分析我國部分沖擊地壓礦區的地質構造條件、現代地殼運動以及淺源地震特征,提出了沖擊地壓地質動力條件的概念。韓軍等[7]通過分析京西煤田新構造運動、構造應力場、地殼應變能等地質動力環境,利用構造反差強度對其進行定量評估,并探討了煤巖體的破壞形式和應變能的釋放條件。

斷層、褶皺等地質構造發育的區域往往更容易孕育發生強礦壓顯現,甚至礦井動力災害。宋衛華等[8]通過典型巖石的雙剪摩擦試驗,分析了北票礦區主要斷層的滑動摩擦性狀,采用多區域耦合有限元法對井田區域構造應力場進行了反演。李志華等[9]采用相似模擬和數值模擬手段系統地研究了采礦活動誘發斷層滑移失穩規律,為斷層強礦壓的現場預測和防治提供一定的指導。許多學者在構造動力災害發生機理和防治方法等方面取得了一定的研究成果,但由于礦井地質條件的復雜性,以及采掘擾動的不確定性,強礦壓發生機理研究多集中在局部簡化條件下的相似模擬試驗和數值計算方面,較少涉及區域地質條件下的強礦壓動力環境分析或現場實測研究。而強礦壓動力源范圍不僅局限于巷道或回采空間,而是遠大于采掘空間尺度,因此需要結合宏觀尺度對強礦壓的地質動力環境進行研究。基于此,本文以大同煤田雙系開采為工程背景,在分析礦井動力災害特征的基礎上,結合活動地塊學說,從地塊活動斷裂、地層動力運動、構造應力場、地震活動規律等角度闡述大同煤田的地質動力環境及其對強礦壓的影響。

1 大同煤田區域地質構造

大同煤田為一軸向NE不對稱的開闊向斜構造盆地,長85 km,寬30～40 km,面積約1 739 km2,其區域構造位于華北斷塊內二級構造單元呂梁-太行斷塊中的云岡斷坳(圖1)。云岡斷坳北部與內蒙古斷塊相鄰,東部及南部與桑干河新裂陷為界,西北部與偏關-神池斷坪接壤。同忻井田位于大同煤田的東北部,毗鄰桑干河新裂陷,口泉斷裂是二者間的分界線。同忻井田范圍內雙系煤層重疊率近100%,同忻礦開采3-5#石炭二疊系煤層,開采上覆侏羅系煤層的礦井自北向南依此為晉華宮礦、忻州窯礦、煤峪口礦、永定莊礦、同家梁礦(圖2)。口泉斷裂是大同煤田的主要邊界斷裂之一,全長160 km,除南端走向近EW外,總體走向NE35°～55°,傾向SE,傾角50°～70°,呈現南北不對稱的“S”形空間展布特征。

大同煤田位于云岡斷坳與桑干河新裂陷的交界,是地塊構造變形的產物。自晚古生代形成大同煤田以來,在侏羅紀后期,經歷了印支和燕山強烈的構造運動,煤田東部地質構造復雜,斷裂及巖漿活動較多,地層陡峻;北部、西北部構造則相對簡單,以單一向斜為主,斷層、褶皺較少,整體屬簡單型構造煤田[10]。張躍剛等[11]研究表明,鄂爾多斯斷塊和山西斷陷帶在1992—1996年間表現為張性,1996—2001年間表現為壓性,相對運動速率分別為3.2 mm/a、2.2 mm/a,且方向一致。由于運動存在速率差,導致兩者之間的口泉斷裂邊界處于壓縮狀態,易于聚積能量,為強礦壓發生提供了能量基礎。大同地震臺觀測結果表明,口泉斷裂在1990—1998年間上盤下降的平均速度為2.36 mm/a,至今南東盤仍持續下降,北西盤仍持續上升。應用震源位置和速度結構聯合反演方法研究表明,口泉斷裂中北段活動強而南北兩端弱,其中北起圣水溝南至鵝毛口中段,活動性最強,可聚積較強的孕震或誘沖能量[12],忻州窯礦、同忻礦即位于口泉斷裂的最強活動地段。

圖1 大同煤田構造綱要圖[13]Fig.1 The structural map of Datong coalfield

圖2 同忻井田雙系煤層布置圖Fig.2 Layout of the dual-system coal seamsin Tongxin minefield

忻州窯礦位于大同煤田的東北部,井田中部構造較為復雜,東西兩翼相對簡單。其中,10 m以上落差斷層4條,1～5 m的8條,小于1 m的近百條,向斜3個,不對稱的忻州窯大向斜貫穿整個井田,背斜2個。據不完全統計,1981—2007年間礦井發生強礦壓53次,2008—2011年間83次,2012—2016年間16次,主要發生在11～12#合并煤層,該層煤分叉合并較強烈,厚度0.80～13.02 m,平均7.5 m,普氏系數f=3.0～4.5;頂板普遍存在有10～35 m的厚層狀整體砂巖,普氏系數f=8～16;底板存在2～5 m厚砂巖,屬典型“三硬”開采條件。忻州窯礦西二11#層8935綜放工作面發育5條斷層,其走向與工作面傾向垂直或斜交。2011年工作面回采過程中發生15次強礦壓,且集中在距斷層360～230 m范圍內,沖擊能量2.0×104～2.2×106J,大部分為105J數量級。可知斷層附近易導致局部應力疊加,在采動擾動下誘發堅硬頂板破斷,從而產生強礦壓。

同忻礦也位于大同煤田東北部,屬大同向斜的東翼,井田為一走向NE10°～50°、傾向NW、西低東高的單斜構造形態。井田東南部毗鄰口泉斷裂,處于壓縮狀態的口泉斷裂兩側聚積大量能量,形成了井田典型的地質動力環境。井田南部邊界處發育一逆斷層,落差較大。井田開采石炭-二疊系的6層煤,主采3～5#煤層厚0～35.31 m,平均15.70 m,埋深450 m,采用綜放開采工藝。復雜的構造背景和堅硬頂板的彈性能量聚積,使同忻礦具備發生強礦壓的地質動力條件。8107工作面回采過程中,回風巷道頂板下沉量達0.5～0.6 m,底鼓量達1.2～1.5 m,幫鼓量達0.7 m,導致巷道斷面高1.7～1.8 m,寬4.6 m,嚴重影響了巷道的正常使用。

2 強礦壓與活動斷裂關系

前人研究[14-15]認為,中國大陸現代構造變形以地塊運動為主要特征,主要強震大都發生在活動地塊邊界帶上[16]。有史料以來,中國大陸共記錄到6級以上(含6級)地震685次,其中8級以上特大地震18次,7～7.9級大地震118次,6～6.9級地震549次,不同級別地震中分布在邊界帶上的次數各占其總數的100%、86%、56%[17]。且各活動地塊邊界帶運動變形的應變速率與地震活動應變能釋放呈線性相關,即地塊變動過程中應變和應變能積累的速率越大,地震活動水平就越高,可見,活動地塊的運動變形對強震總體活動水平具有控制作用。

區域構造運動引起活動地塊(煤巖體系統)中應力和能量的重新分布,當能量超過巖體材料破壞極限時,產生新的平衡狀態。能量聚積往往容易發生在地殼的非連續變形地塊,并在切割地殼淺層的活動斷裂區域產生最強烈的非連續構造變形,從而誘發礦震、地震等動力災害。據不完全統計,我國16個強礦壓礦區的活動斷裂及其特性見表1,活動地塊邊界及其活動斷裂容易造成應力應變集中,導致構造應力方向、應力類型發生變化,成為強震、強礦壓孕育發生的重要地帶,區域地質動力環境為強礦壓發生提供了所需能量。其中,口泉斷裂對大同煤田強礦壓的控制作用較為明顯。

表1 部分強礦壓礦區活動斷裂及其特征Table 1 Active faults and their characteristics of mine fields with strong rock pressure

3 大同煤田構造應力場分析

3.1 地質模型

本文在分析大同區域地質構造的基礎上,結合研究區的構造格架和地質體主要物性,采用有限元軟件ANSYS對大同煤田雙系煤層的構造應力場分布進行數值模擬,旨在為強礦壓的區域預測提供指導。

建立地質模型時,采用二維平面模擬,不考慮垂向載荷,選用Plane183結構單元,假定正常巖體單元和斷層帶為均質彈性體,遵循摩爾庫倫破壞準則。正常巖石力學參數由實驗室測定[17],斷層帶內巖體力學性質與周圍巖體相差較大,其彈性模量一般取正常地區的40%～70%,泊松比一般高出正常地區0.02。根據大同煤田主要地質構造特征,將侏羅系(埋深350 m)和石炭系煤層(埋深500 m)分別劃分多個構造單元,各構造單元巖體力學參數如表2所示。根據李長洪等[18]對大同煤田地應力的實測結果(表3),確定模型的邊界條件。由表3可知:侏羅系煤層σ1、σ3近水平,σ1方位角為324.9°～330.7°,σ1大小為12.05～12.95 MPa,σ3大小為5.83～7.14 MPa;石炭-二疊系煤層σ1方位角為244.4°,σ1大小為20.96 MPa,σ3大小為11.60 MPa。通過三角變換,侏羅系煤層東西邊界施加11.9 MPa的載荷,南北邊界施加14.1 MPa的載荷;石炭系煤層東西邊界施加24.0 MPa的載荷,南北邊界施加20.5 MPa的載荷。

表2 各構造單元巖體力學參數Table 2 Lithomechanic parameters of tectonic units

表3 大同煤田實測主應力結果[18]Table 3 Results of measured principal stress in Datong coalfield

3.2 構造應力場分布規律

圖3顯示了大同煤田等效應力(地應力)分布特征,雙系煤層主要控煤構造不同,地應力分布差別明顯。侏羅系煤層東北部主要受口泉斷裂帶和青磁窯斷裂帶的控制,西部主要受西南斷層帶的影響。石炭系煤層整體上受口泉斷裂帶影響顯著。模擬結果顯示:侏羅系煤層水平地應力主要在11.3～20.4 MPa之間,高地應力主要分布在斷層邊界和頂角(可以在圖中標出斷層或者在上部加一個模型圖),數值在17.4～26.5 MPa之間,不作討論。低地應力集中在西南部和東部斷層發育的地區。石炭系煤層水平地應力主要在14.6～34.1 MPa之間,高地應力主要分布在口泉斷裂中部邊界附近,數值在29.2～43.8 MPa之間。

圖3 大同煤田地應力分布云圖Fig.3 Cloud map of ground stress distribution in Datong coalfield

雙系煤層地應力分布均呈現四周向內部逐漸增大的趨勢,總體上區塊邊界和斷層拐點處應力較大,斷裂帶應力較小,且構造曲率越大,水平應力越小。說明地應力分布主要受地質構造分布的控制。石炭系煤層地應力整體上高于侏羅系煤層,主要是由于石炭系煤層埋深大于侏羅系煤層,煤層水平應力隨埋深增大而有所增加。

3.3 構造主應力跡線方向

圖4顯示了大同煤田雙系煤層局部區域最大主應力跡線分布特征,最大主應力以壓應力為主,整體NW向展布,與研究區邊界張拉方向存在一定夾角,局部地區差異性明顯。侏羅系煤層總體上最大主應力方向以NNW為主,忻州窯礦和口泉斷裂中上段最大主應力為NW和NNW向,與地應力實測結果一致。東部和南部局部區域由于受到口泉斷裂帶及煤層相變的影響,最大主應力轉為NNE和NE向,且分布范圍有限,對煤層總體應力分布影響不大。

(a)侏羅系煤層

(b)石炭系煤層

石炭系煤層總體上最大主應力方向以NE為主,同忻礦和煤層中部最大主應力均為NE向,南部區域由于受到口泉斷裂帶及其它斷層帶的影響,最大主應力轉為NNW向,對煤層東部及南部應力分布影響較大。

結合地質動力環境分析,大同煤田水平擠壓應力方向基本為NW,后期向NNW轉動,是對燕山運動時期構造應力NW水平擠壓應力的繼承和發展。大量震源機制解結果顯示[19-20],大同地區存在走向為NNE和NNW的兩條地震節面,其中NNE向節面與大同盆地走向一致,另一條與其斜交。大同煤田現代構造應力場主壓應力為NEE向,方位角30°～60°,仰角變化較大,在10°～60°之間,主張應力為NNW向,仰角較小。而采用有限元法模擬得出的大同煤田構造主應力跡線方向,不同于華北區域性NE向擠壓的走滑型應力場,體現了構造應力場的分區性,但與實測地應力方向具有明顯的一致性,且受口泉斷裂帶的控制和影響較為顯著。

從煤層賦存上來講,侏羅系煤層標高在+1 000～+1 100 m,石炭系在+800～+900 m或更深,層間距150～200 m,局部約130 m,而口泉斷裂東側地表標高在+1000～+1100 m。侏羅系煤層由于未受到口泉斷裂東側地層的約束,最大主應力方向發生了較大偏轉,聚積的彈性能相對較低;石炭系煤層由于受到口泉斷裂東側地層的約束,聚積大量彈性能,導致水平主應力急劇增大,構造活動性明顯增強,發生礦井動力失穩破壞的頻率和強度顯著增加。由此可見,口泉斷裂NW伸展的正斷型應力場控制著礦區“雙系兩硬”煤層開采的動力災害。

4 大同煤田區域地震特征

4.1 區域地震分布

研究認為,地震多發生在構造應力作用復雜、強烈地區和應力區邊界,其次在局部應力變化區和活動斷裂帶上[21]。大同煤田屬于山西地震帶的一部分,山西地震帶是華北地震活動較強的地區之一。歷史上大同煤田東側的口泉斷裂曾發生4次古地震事件,其中3次距今2.52、5.68、13.73 ka,另一次距今6.76～10.82 ka,平均間隔約3.74 ka,反映了口泉斷裂可能具備準周期的強震活動。整理國家地震科學數據共享中心(http://data.earthquake.cn)大同煤田及其鄰域(39.0°～40.5°N、112.0°～114.0°E)在1983—2022年間ML≥1.0級的地震記錄(1983—2012年來源于中國地震臺網地震目錄,2013—2022年來源于中國地震臺網統一地震目錄),總計656次,其中ML≥3.0級地震216次,占總數的32.9%,ML≥5.0級地震7次,僅1989年便發生5次,最大為10月18日大同5.9級。通過ArcGIS平臺對大同煤田區域地震目錄和地貌圖進行疊加,展現出地震活動和活動斷裂的空間分布關系(圖5)。六棱山北麓和大同煤田東北部地震分布較為密集,與復雜的地質構造呈現顯著的正相關性。大同礦區典型動力災害礦井忻州窯礦、煤峪口礦、同家梁礦、同忻礦等,均位于地質構造條件復雜的大同煤田東北部。可見地震活動性越強,構造運動就越劇烈。根據中國地震臺網統一地震目錄,大同煤田及其鄰域在2009年1月1日—2022年12月31日共發生ML≥1.0級地震546次,其中天然地震占62.1%,塌陷型地震占30.0%,爆破型地震占7.3%,可知煤炭開采活動誘發地震占總數的將近一半,其中采空區頂板垮落極易誘發地震活動。圖6顯示了大同煤田區域地震時間分布具有一定的規律性,不同年度地震頻發交替出現,主要集中在1988—1992、1998—2002和2013—2022三個時間段,最近10 a地震活動性呈現上升趨勢,地質動力環境活躍程度也明顯增強,為礦井動力災害的發生提供能量基礎。

歷史上山西地震頻發,且大部分強震發生在斷陷盆地。大同煤田雖未發生過7級以上地震,但中小地震不斷,且空間分布具有一定的規律性,主要發生在邊界斷裂和隱伏斷裂帶上。究其原因,主要是均勻區域構造應力場發生了局部應力變化。我國華北地區構造應力場總體上以NE向擠壓走滑型為主,而山西斷陷帶以NW—NNW向拉張為主,大同煤田則以NW—NNW向擠壓為主,與華北區域構造應力場相比,應力方向和結構類型發生了明顯的變化。

圖5 大同煤田及其鄰域地震分布Fig.5 Earthquake distribution of Datong coalfield and its neighborhood

圖6 大同煤田及其鄰域年度地震次數統計Fig.6 The annual earthquake statistics of Datong coalfield and its neighborhood

4.2 地震應變積累-釋放特征

大同煤田及其鄰域地震資料比較完整,以1983年為起點,繪制該區域1983—2022年地震應變積累-釋放曲線及M-t圖(圖7)。在1983—2022總計40 a大同煤田區域平均應變釋放率ε=5.8×105J1/2/a,相當于每年釋放0.41次5級地震,與華北地區平均應變釋放率ε=5.9×106J1/2/a[22-24]相比,應變積累略低,地震活動性稍弱。圖7(a)顯示的應變積累釋放曲線大致反應了一個平靜活躍周期,從1989年開始經過5次5.0級以上地震和1991年1次5.8級地震,應變能釋放基本完成,其應變值達到最低,而后應變能一直處于積累階段。該區域至今應變值波動式增加,很快達到積累階段峰值并釋放出來,預測數年內地震活動性會明顯增強,地質動力環境趨于活躍,礦井動力災害逐漸增加。

(a)1983—2022年應變釋放曲線

(b)1983—2022年M-t圖

5 結論

1)礦井動力災害的發生是區域地質構造運動和開采擾動共同作用的結果。活動地塊邊界及其活動斷裂是強礦壓孕育的動力學條件,區域地質動力環境為強礦壓顯現提供了所需能量。

2)大同煤田的構造作用以NW-NNW向的近水平壓應力為主,侏羅系煤層水平地應力介于11.3～20.4 MPa,石炭系煤層地應力介于14.6～34.1 MPa,口泉斷裂NW伸展的正斷型應力場控制著礦區“雙系兩硬”煤層開采的動力災害。

3)大同煤田地震活動具有明顯的時空分布特征。空間上煤田東北部地震活動頻繁,與復雜的地質構造呈現顯著的正相關性;時間上不同年度地震頻發交替出現,主要集中在1988—1992、1998—2002和2013—2022三個時間段,且最近10 a地震活動性呈現上升趨勢。

4)大同煤田區域1983—2022年間應變釋放率ε=5.8×105J1/2/a,相當于每年釋放0.41次5級地震;區域應變能現今仍處于積累階段,其應變值波動式增加,很快達到峰值并釋放出來。預測數十年內地震活動性會明顯增強,地質動力環境趨于活躍,礦井動力災害逐漸增加。