山西大同同忻井田岩体应力状态分析及其应用

车禹恒，张宏伟，韩 军，陈 蓥

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

地壳是由大量板块构成的。根据板块大小不同，又分为不同的等级。同时，地壳岩体中应力的形成主要与地球的各种动力作用有关，其中就包括断块间彼此相互挤压、拉伸的相互作用。我国矿井多分布于构造复合区域，井田内构造应力复杂，导致区域内能量集中与释放明显且频繁，对矿井安全生产带来很大的安全隐患。可以说矿井动力现象预测的准确性和可靠性，从根本上取决于对活动断裂和区域构造应力场的研究水平［1］。

早期学者们通过物理模拟对区域应力场进行分析。20世纪70年代中期，随着计算机技术的迅猛发展，其与地质学科的不断结合，特别是有限单元法引入构造应力场分析后，数学模拟方法得到快速发展。许忠淮等(1992年)［2］根据观测到的应力方向，利用有限单元方法，反演中国大陆东部及附近地区板块边界作用力的大小。詹文欢(2004年)［3］等分析了南海及邻区新构造运动、地壳及岩石圈结构、地震活动、地壳形变以及地应力等多方面资料的基础上，建立了地质模型、计算机模型和应力场反演的判据，论证了地壳运动的深部过程。

目前，国内外主要采用已经确定的断裂来建立地质构造模型，从而对构造应力场和岩体应力状态进行研究，但是，还没有针对矿区这样大尺度范围建立模型的好方法。本文采用的地质动力区划方法是以板块学说为基础，通过地貌学、遥感学等一系列学科，划分查明区域内的Ⅰ-Ⅴ活动断块图［4］，这些断块构成了区域构造运动的格架，利用Ⅳ、Ⅴ断块图建立模型，分析区域原岩应力状态，从而为人类的工程活动提供地质环境信息和预测工程活动可能产生的地质动力效应［5-6］。

1 地质概况及矿压显现情况

同忻井田位于大同煤田北东部。属大同向斜的东翼。井田内断层稀少，仅发育有2条正断层，沿北北东向展布，落差均为10 m左右。在南部边界处白洞一带发育一逆断层，落差较大，另外在井田外东南部有一逆断层。井田内较大的褶曲有两条，即刁窝嘴向斜和韩家窑背斜，另外，伴生有次一级小型褶曲。

同忻煤矿在开采过程中，遇到多次矿压显现，其中8100、8106综放工作面矿压显现发生次数较多且明显，并伴随顶板垮落、底鼓以及片帮等现象。

2 划分活动断裂

地质新构造形式决定了地形地貌的基本形态和主要特征，据此原理，通过地形图，从地形地貌出发，即可查明区域活动断裂的形成与发展，即绘图法。

在绘图法划分断裂的基础上，利用遥感影像图进行辅助分析。遥感图像不仅从宏观上展现了活动断裂与其它活动构造的影像全貌，而且直观地揭示了活动断裂的影像信息。在遥感图像的地质解译中，断裂与线性构造的解译效果最好［7-9］。

本文选用的遥感数据ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus，增强型主题成像传感器)系landsat7的传感器获得的数据，传感器具有8个波段，波谱分辨率和空间分辨率较高，其中3，4，5，7波段对岩性、构造等地质特征识别较好。研究区8个波段的ETM+影像数据相关分析结果表明Band 7，4，3与其它波段的相关性系数较小［10］。同时参考最佳波段组合指数法(式1):

其中Si为i波段的标准差，rij是第i波段与第j波段之间的相关系数。OIF值越大，说明3个波段所含的信息量就越多，对于断裂的识别就更加有利，故将band 7，4，3作为遥感影像解译的最终组合(图1)。利用专业遥感图像处理平台ENVI将band7，4，3三个波段图像进行RGB合成(图1)。

图1 Ⅲ-6断裂遥感影像分析Fig.1 Fracture of remote sensing image analysis

从图1中可以看出Ⅲ-6断裂呈线性影像，断裂两盘具有较大的垂直高差，并且两侧地貌形态反差较大。上升一盘为起伏的低山丘陵台地，下降的一盘为地势较为平缓的平原，很明显受断裂控制。

根据以上介绍方法，对同忻煤矿进行活动断裂划分，绘制出以同忻矿区域为中心的Ⅰ-Ⅴ级区划图。从Ⅰ级到Ⅴ级进行断块划分，即是在大比例尺图上查明构造活动的“轮廓”，从小比例尺图区划时抽象出个别构造特征。Ⅰ-Ⅴ级断块划分比例范围依次为1∶250万、1∶100 万、1∶20 万 ～1∶10 万、1∶5万 ～1∶2.5万、1∶1万，这样就建立了大范围板块构造与实际工程之间的联系。为研究同忻煤矿原岩应力场，提供了地质构造模型。

3 岩体应力状态分析

3.1 绘制最大主应力等值线

利用岩体应力状态分析系统软件进行同忻煤矿3～5煤层进行岩体应力计算。

首先，应力计算模型取Ⅴ级区划图(图2)，模型长、宽分别为15km、11km，面积为165km2，模型共划分了16761个节点，33000个单元。其次，设定所划分断裂的力学参数。Ⅰ～Ⅱ级断裂带的弹性模量取正常岩体参数的1/10，其它Ⅲ～Ⅴ级断裂带取1/5。由于断裂大小不同，同时，按照计算上的要求，Ⅰ～Ⅴ级断裂的宽度分别为1000 m、500 m、200 m、100 m、50 m。最后，以井田地应力测量结果(最大主应力为19.58MPa方位角245.92°)作为模型边界加载方式(图3)。

图2 同忻井田Ⅴ级区划图Fig.2 GradingⅤblocks of Tongxin mine field1—井田边界;2—活动断裂

图3 地质构造模型与网格剖分Fig.3 Geological structure model and mesh

在岩体应力数值计算的基础上，绘制出3-5煤层顶板水平最大主应力等值线图(图4)。

图4 3－5煤层顶板水平最大主应力等值线图Fig.4 Maximum principal stress contour of 3－5 coal seam roof1—应力等值线;2—活动断裂

3.2 构造应力区划分

结合上述工作，并利用应力集中系数法(式2)，将3～5煤层顶板构造应力区划分为高应力区、高应力梯度区和低应力区(图5)。

(1)高应力区

① 被Ⅲ-5、Ⅴ-2、Ⅴ-3断裂所围限。水平最大主应力值为22～30MPa，涉及井田西部，影响区域范围3.01km2;② 位于井田北部，Ⅴ-6断裂附近，水平最大主应力值在23～26MPa变化。影响区域范围约0.3km2;③位于Ⅴ-2、Ⅲ-5断裂附近。位于井田中上部，水平最大主应力值在22～29MPa变化，影响区域范围约0.59km2;④ 位于井田东部，Ⅴ-11断裂从其中穿过，水平最大主应力值在24～27MPa变化。影响区域范围约2.47km2。⑤ 位于Ⅳ-12、Ⅲ-5断裂附近，位于井田中下部，水平最大主应力值为25～27MPa，影响区域范围0.51km2;

(2)高应力梯度区

图5 3－5煤层构造应力区划分图(单位:MPa)Fig.5 Tectonic stress area division of 3－5 coal seam(unit:MPa)1—高应力区;2—高应力梯度区;3—低应力区;4—活动断裂

①位于井田西部，应力值在16～21MPa变化，影响区域范围在西部上侧靠近Ⅴ-2活动断裂约0.5km2，西部下侧约0.5km2;② 位于井田中部，应力值在17～20MPa变化，影响区域范围在中部上侧和有Ⅲ-5断裂穿过其中的中部都约为0.27km2，中部下由Ⅳ-12断裂穿过影响区域范围约0.18km2;③ 位于井田东部，应力值在18～21MPa变化，影响区域范围在东部上侧约为0.32km2，东部下侧约为0.33km2。两者都由Ⅴ-11断裂穿过。

(3)低应力区

①位于Ⅳ-10、Ⅳ-6、Ⅲ-5、Ⅳ-7、Ⅴ-8断裂交汇处附近，Ⅳ-6断裂从其中穿过，水平最大主应力值在10～15MPa变化。涉及井田东北部，影响区域范围约0.34km2。② 位于Ⅴ-2、Ⅳ-12断裂附近，Ⅲ-5断裂从其中穿过，水平最大主应力值在10～14MPa变化。涉及井田中部，影响区域范围约1.67km2;③位于Ⅴ-9、Ⅳ-12、Ⅲ-5断裂附近，Ⅴ-11、Ⅴ-10断裂从其中穿过，水平最大主应力值在12～15MPa变化。涉及井田东部，影响区域范围约3.19km2;④位于Ⅴ-2、Ⅴ-3断裂附近。水平最大主应力值在9～15MPa变化。涉及井田西部，影响区域范围约3.89km2;

4 同忻井田矿压显现分析

根据现场矿压资料分析，8100工作面发生强烈矿压显现的区域，处于Ⅲ-5断裂、Ⅳ-12断裂和Ⅴ-11断裂所围限的三角形区域内。8106工作面的矿压显现则主要受到了Ⅴ-11断裂的影响(图6)。

高构造应力区聚集了大量的弹性变形能，并处于平衡状态，当工程活动破坏区域应力平衡时，大量的能量得到释放，这也是发生矿压显现的重要原因。根据区划理论划分的各构造应力区可以看出，8106工作面处于高应力区内(图6)。

图6 矿压显现与构造应力区及活动断裂关系图Fig.6 The relationship of strata behavior，tectonic stress area and active fault1—高应力区;2—高应力梯度区;3—低应力区;4—活动断裂;5—矿压显现强烈区域

5 结论

(1)活动断裂分布、相互作用形式是形成构造应力场的重要地质因素，利用地质动力区划方法，由小比例尺大范围至大比例尺小范围，逐级对研究区域进行区划分析，结合遥感技术辅助手段，划分出同忻煤矿Ⅰ-Ⅴ活动断裂图，区域内断块则构成了构造运动的格架，为建立地质模型提供依据。

(2)利用岩体应力数值模拟软件构建地质模型，反演区域应力场，并划分出高应力区、高应力梯度区、低应力区，得出各个应力区的位置、范围以及应力强度。

(3)同忻井田矿压显现受活动断裂控制明显。在高应力区和高应力梯度区内，矿山压力的显现相对于应力正常区域或者低应力区域要强烈。这对于同忻煤矿巷道布置以及支护方案提出提供了直观、科学的依据。

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