焦建康，馮友良，王志鵬

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013;3.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083;4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京100013)

煤與瓦斯突出是煤礦常見地質(zhì)災(zāi)害之一。在所有影響煤與瓦斯突出的因素中，被普遍認可的結(jié)論是:煤與瓦斯突出是地應(yīng)力特別是構(gòu)造應(yīng)力、煤巖體物理力學(xué)特征和瓦斯壓力共同作用的結(jié)果［1－4］。在以上影響因素中，構(gòu)造應(yīng)力在煤與瓦斯突出中起到重要作用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面［5］:一是高的構(gòu)造應(yīng)力決定高的瓦斯應(yīng)力，決定了瓦斯在突出中的作用;二是較高的、不均勻的構(gòu)造應(yīng)力會造成煤巖體結(jié)構(gòu)破壞，降低煤巖體的強度，加大了發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性，控制著煤與瓦斯點的區(qū)域性分布特征;三是在形成構(gòu)造應(yīng)力場的過程中，構(gòu)造運動不僅促進構(gòu)造煤的產(chǎn)生，也增加了瓦斯的生成量。綜上分析，構(gòu)造形成的高的應(yīng)力集中及應(yīng)力梯度變化對煤與瓦斯突出起主要作用。

河南能源化工集團焦煤公司九里山井田為煤與瓦斯突出礦井，且多數(shù)發(fā)生在斷層構(gòu)造帶附近。該礦井田范圍內(nèi)以斷層構(gòu)造為主，褶曲不發(fā)育，各斷層間相互交叉組合，形成了復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力場，給煤與瓦斯等礦井災(zāi)害的發(fā)生提供了力源條件。采用空心包體應(yīng)力計對該礦進行現(xiàn)場地應(yīng)力測量，找出該礦不同埋深地應(yīng)力量值和方向。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合井田地質(zhì)條件，以井田內(nèi)大中斷層為骨架建立三維地質(zhì)模型，進行三維數(shù)值模擬，分析井田區(qū)域特別是斷層構(gòu)造區(qū)應(yīng)力分布特征，研究構(gòu)造應(yīng)力對該礦煤與瓦斯突出的控制作用，為該礦煤與瓦斯的突出防治與解危提供參考依據(jù)。

1 已采區(qū)煤與瓦斯突出區(qū)域性分布與井田斷層構(gòu)造關(guān)系分析

九里山井田整體上為一走向NE－NNE，傾向SE單斜構(gòu)造，區(qū)域構(gòu)造以斷層為主，褶曲不甚發(fā)育。井田內(nèi)發(fā)育EW，NE，NW向3組斷層，且全為正斷層，NE向斷層最發(fā)育，破壞了井田的連續(xù)性，其中F1斷層及其支斷層將井田分為兩部分，NW向斷層不發(fā)育，常以中小斷層出現(xiàn) (如圖1所示)。

圖1 井田斷層分布與煤與瓦斯突出點關(guān)系

1980年9月，該礦在12031配風(fēng)巷 (標(biāo)高－74m)發(fā)生第1次煤與瓦斯突出。隨著開采深度和瓦斯壓力的不斷加大，突出發(fā)生的次數(shù)增加，強度也增大，先后共發(fā)生65次煤與瓦斯突出。在這65次煤與瓦斯突出中，在斷層構(gòu)造帶附近300m范圍內(nèi)發(fā)生的次數(shù)就有38次 (圖1)，占總突出次數(shù)的58.5%，并且在這些斷層構(gòu)造帶附近發(fā)生的突出最顯著的特征就是強度大，其中就有10次100t以上的突出，占次大型突出的47.4%。2011年10月27日該礦16采區(qū)16031上風(fēng)道掘進工作面發(fā)生一起煤與瓦斯突出事故，噴出煤巖量3246t，此次事故點距馬坊泉斷層不到100m。斷層構(gòu)造帶往往是突出的多發(fā)區(qū)，斷層構(gòu)造引起的構(gòu)造應(yīng)力在煤巖體的集中及較高的應(yīng)力梯度變化，是該礦煤與瓦斯突出嚴重的一個重要因素。

2 九里山斷層構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力場特征分析

2.1 地應(yīng)力現(xiàn)場實測

本次測試采用空心包體應(yīng)力解除法?？紤]到地應(yīng)力測量測點選擇原則，結(jié)合礦井生產(chǎn)及地質(zhì)條件，共布置5個測點，在其中3個測點 (圖1)取得完整巖芯并采集到應(yīng)變數(shù)據(jù)。將采集到的巖芯在彈性模量圍壓率定機中測得各巖芯的彈性模量和泊松比。最后，把最終應(yīng)變數(shù)據(jù)和彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)輸入到應(yīng)力解算軟件中，得到各測點主應(yīng)力結(jié)果如表1所示。

表1 各點測得主應(yīng)力結(jié)果

對以上各主應(yīng)力解算結(jié)果分析可以看出，九里山井田實測3個測點最大主應(yīng)力方位在195～227°之間，最大主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NNE－WSS向，最大主應(yīng)力與水平面的夾角在－6.6～2.6°之間，近似水平。說明該礦區(qū)的應(yīng)力場為構(gòu)造應(yīng)力場類型，且最大主應(yīng)力量值為最小主應(yīng)力的1.98～2.76倍，兩者差值較大，主應(yīng)力具有明顯的方向性。這表明，在地表淺部的斷層破壞帶附近圍巖可能存在較高的構(gòu)造應(yīng)力，可以給煤與瓦斯突出的發(fā)生提供有利的發(fā)動力條件。這也解釋了該礦礦井開拓初期，淺部煤層煤與瓦斯突出多發(fā)的原因。

2.2 斷層構(gòu)造區(qū)應(yīng)力特征三維數(shù)值分析

2.2.1 三維地質(zhì)模型建立

本次模擬選用有限差分軟件FLAC3D。如圖2所示，地質(zhì)模型考慮了對井田應(yīng)力狀態(tài)影響較大的大中型斷層 (為便于后面分析，對其分別進行標(biāo)號)，X軸方向平行于最小主應(yīng)力方向 (N42°E)，Y軸方向平行于最大主應(yīng)力方向 (N48°W)，垂直方向為Z軸方向，最終模型的尺寸為6500m×5000m×800m。模型從上到下各層位巖性如圖2所示，其中把斷層帶處理成強度較低，可塑性較強的巖石［7］。

2.2.2 模型邊界條件

圖2 三維地質(zhì)模型及巖性分布

模型的邊界定義為:底邊垂直位移約束，西南和東南邊界水平位移約束，上邊界和內(nèi)部節(jié)點無約束，其余兩個側(cè)面設(shè)為應(yīng)力邊界。模擬過程分為2個階段［8－9］:第1個階段模擬自重應(yīng)力場，在此過程中，底邊垂直位移約束，4個側(cè)面水平位移約束，模型在自重應(yīng)力下達到平衡，得出自重應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力分量;第2階段模擬構(gòu)造應(yīng)力場，在這個階段中，西北和東北邊界法向水平位移固定邊界條件，施加應(yīng)力邊界，應(yīng)力邊界值由實測值最大、最小水平應(yīng)力值減去第1階段中的自重應(yīng)力分量求得。

2.2.3 模擬結(jié)果分析

對模擬結(jié)果在－400m埋深處進行水平剖面分析，根據(jù)最大、最小主應(yīng)力云圖 (圖3、圖4)所代表的應(yīng)力值，遠離斷層影響區(qū)域最大主應(yīng)力量值為14MPa左右，最小主應(yīng)力為8MPa左右，與前面地應(yīng)力測量在這個埋深的實測結(jié)果較為吻合。

圖3 Z=－400m處水平剖面最大主應(yīng)力云圖 (Pa)

圖4 Z=－400m處水平剖面最小主應(yīng)力云圖 (Pa)

由于斷層的影響，原巖應(yīng)力受到不同程度擾動，最大主應(yīng)力 2～22MPa，最小主應(yīng)力 3～8.5MPa。斷層構(gòu)造區(qū)出現(xiàn)了較多的應(yīng)力狀態(tài)，既有應(yīng)力降低地段，也有增大的地段。對于單一斷層(F2)來說，斷層帶附近一定范圍內(nèi)應(yīng)力值較低，隨著遠離斷層，應(yīng)力值逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定，在斷層端部出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力應(yīng)力集中系數(shù) (與同水平遠離斷層最大主應(yīng)力的比值)達到1.57。此外，從圖中可以看出，斷層附近主應(yīng)力分布還受到附近斷層的影響。例如，交叉斷層(F1與F4)附近最大主應(yīng)力值相對單一斷層更低，地塹構(gòu)造區(qū)域 (F3與F4)最大主應(yīng)力值有較明顯的應(yīng)力升高;斷層越發(fā)育的區(qū)域，應(yīng)力變化越復(fù)雜，如F1，F(xiàn)1－2，F(xiàn)1－3組成的斷層群附近，各斷層間斷層交錯，而且斷層端點眾多，應(yīng)力分布狀態(tài)極其復(fù)雜。

3 斷層構(gòu)造區(qū)應(yīng)力分布對煤與瓦斯突出控制分析

3.1 構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域劃分

參考應(yīng)力集中系數(shù)法［5］(式1)，將九里山井田斷層構(gòu)造區(qū)最大應(yīng)力進行區(qū)域劃分，最終得到高應(yīng)力區(qū)、低應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力梯度區(qū) (圖5)。

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù);σ1為區(qū)域最大主應(yīng)力值，MPa;γH為垂直應(yīng)力，MPa。

在式 (1)中，當(dāng)K值大于1.2時，圖3中最大主應(yīng)力等值線所劃定的范圍成為高應(yīng)力區(qū);當(dāng)K值小于0.8時，圖3中最大主應(yīng)力等值線劃定的區(qū)域成為應(yīng)力降低區(qū);趨于兩者之間單位主應(yīng)力變化較大的范圍即為應(yīng)力梯度區(qū)。斷層構(gòu)造區(qū)應(yīng)力區(qū)域分布如圖5所示。

圖5 斷層構(gòu)造區(qū)應(yīng)力區(qū)域分布與瓦斯突出的關(guān)系

3.2 已采區(qū)大、中斷層構(gòu)造區(qū)應(yīng)力區(qū)域分布與瓦斯突出區(qū)域分布對比分析

(1)在圖5所示的區(qū)域1中，共發(fā)生大小瓦斯突出6次，其中最近也是最大的一次煤與瓦斯突出事故發(fā)生。2011年10月27日0時36分九里山礦16采區(qū)16031上風(fēng)道掘進工作面，突出煤巖量3246t。

原因分析:從圖5可以看到，16采區(qū)16031上風(fēng)道煤與瓦斯突出點位于高應(yīng)力梯度區(qū)內(nèi)，水平最大主應(yīng)力變化幅度較大，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力集中，煤巖體受到擾動，應(yīng)力超過煤體的極限應(yīng)力狀態(tài)時煤體失穩(wěn)，導(dǎo)致煤與瓦斯突出的發(fā)生。

(2)在圖5所示的區(qū)域2中煤與瓦斯發(fā)生點更為密集，強度大于1000t/次的特大型突出點1個，煤與瓦斯突出強度500～999t/次的大型突出點1個，煤與瓦斯突出強度100～499t/次的中型突出點7個，煤與瓦斯突出強度小于100t/次的小型突出點多個。

原因分析:從圖5可以看到，此區(qū)域突出點大部分位于高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，由于斷層構(gòu)造的影響，高應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤巖體受高應(yīng)力作用，聚集了大量彈性能，有的接近極限平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力平衡遭到外力擾動時，其內(nèi)部的能量釋放出來，導(dǎo)致煤與瓦斯突出的發(fā)生。

(3)在圖5所示的區(qū)域3中，突出點較為集中，但這些突出點大都不在圖中構(gòu)造應(yīng)力區(qū)內(nèi)。分析其原因，是由于技術(shù)條件所限，本次模擬只能建立在井田范圍內(nèi)展布范圍較大的斷層模型，對于小斷層無法建立。而此區(qū)域內(nèi)小斷層密布 (圖1)，對巖體應(yīng)力狀態(tài)也會產(chǎn)生較大的影響。這也從另一方面說明了，在煤礦生產(chǎn)過程中，加強對井田范圍內(nèi)小斷層的勘察，完善地質(zhì)資料，對保證煤礦安全生產(chǎn)非常重要。

3.3 構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域劃分對煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測的作用

煤與瓦斯突出綜合起來有兩方面因素，即自然因素和技術(shù)因素。技術(shù)因素又可分為生產(chǎn)因素和管理因素。自然因素是煤與瓦斯突出的最重要因素。斷層構(gòu)造附近構(gòu)造應(yīng)力的集中屬于自然因素，煤與瓦斯突出大都發(fā)生在此區(qū)域。技術(shù)因素包括井下采掘形成的支撐壓力的升高和開采時形成的外力，如放炮、回柱放頂?shù)?。自然因素是人力無法改變的天然因素。劃分應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域的目的是研究構(gòu)造應(yīng)力(自然因素)對煤與瓦斯突出的影響，其主要研究內(nèi)容是根據(jù)礦區(qū)構(gòu)造背景，對地質(zhì)構(gòu)造附近應(yīng)力狀態(tài)進行分析，預(yù)測采掘活動可能帶來的地質(zhì)災(zāi)害。為礦井開拓設(shè)計、巷道支護和礦井動力災(zāi)害的預(yù)防提供依據(jù)，實現(xiàn)采礦活動的科學(xué)設(shè)計和決策。

從前述分析可以看出，九里山礦煤與瓦斯突出呈區(qū)域性分布，主要分布在應(yīng)力區(qū)域劃分圖中的高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力梯度區(qū)范圍內(nèi)。這是因為高應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤巖體受高應(yīng)力作用，聚集了大量彈性能，有的接近極限平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力平衡遭到外力擾動時，其內(nèi)部的能量釋放出來，導(dǎo)致煤與瓦斯突出的發(fā)生。在應(yīng)力梯度區(qū)，煤巖體所受應(yīng)力條件變化較大，其力學(xué)性質(zhì)變化較大，脆性大，強度低，煤與瓦斯突出危險程度增加。

通過以上理論分析并結(jié)合九里山礦構(gòu)造應(yīng)力區(qū)域劃分結(jié)果，在圖5中所劃分的高應(yīng)力和應(yīng)力梯度區(qū)的范圍內(nèi)都是煤與瓦斯突出多發(fā)區(qū)，建議在這些區(qū)域進行礦井生產(chǎn)活動時，加強防控措施和生產(chǎn)組織管理。

4 結(jié)論

(1)在區(qū)域和井田斷層構(gòu)造的影響下，九里山礦最大主應(yīng)力量值具有明顯的主導(dǎo)性，在地表淺部的斷層破壞帶附近的圍巖可能存在較高的構(gòu)造應(yīng)力，為煤與瓦斯突出的發(fā)生提供有利的發(fā)動力條件。

(2)斷層構(gòu)造帶是九里山礦煤與瓦斯突出的多發(fā)區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力在斷層構(gòu)造帶附近的應(yīng)力集中和變化，是引起該礦煤與瓦斯突出發(fā)生的一個重要因素，構(gòu)造應(yīng)力的區(qū)域劃分可以為煤與瓦斯突出的預(yù)測與解危提供依據(jù)。

(3)通過對比九里山區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)劃分結(jié)果和煤與瓦斯突出點區(qū)域性分布可知，高應(yīng)力和應(yīng)力梯度區(qū)的范圍內(nèi)都是煤與瓦斯突出多發(fā)區(qū)，建議在這些區(qū)域進行礦井生產(chǎn)活動時，加強防控措施和生產(chǎn)組織管理。

(4)斷層分布對巖體應(yīng)力狀態(tài)分布和煤與瓦斯突出的發(fā)生也會產(chǎn)生較大的影響，在煤礦生產(chǎn)過程中，加強對井田范圍內(nèi)小斷層的勘察，完善地質(zhì)資料，對保證煤礦安全生產(chǎn)非常重要。

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