峻德煤矿构造应力分区及对矿井冲击地压影响研究

＊张俊杰 LE QUY BAO 赵考琪 连鸿全 Mirzo Yunusov

（1.龙煤集团鹤岗矿业公司 黑龙江 154100 2.辽宁工程技术大学矿业学院 辽宁 123000）

国内外学者对引发冲击地压的影响因素、冲击地压的防治等方面进行了大量的研究工作，研究发现冲击地压的发生受多种因素影响，其中地质动力环境是引起冲击地压的必要因素，矿井在地质动力环境的影响下受其他因素共同作用导致了冲击地压的发生。由于各矿井所处区域地质环境、开采深度等条件的不同，使得冲击地压的发生的方式、时间均不相同，因此对冲击地压发生的时间和量级做出预测是非常困难的，但是判断是否具有冲击地压的地质动力环境是可能的。因此，需要开展区域构造应力场分布特征研究，以确定矿井区域构造应力场分布特征和对冲击地压的影响。

1.峻德煤矿构造应力场分析

峻德煤矿共进行了3个地点的地应力测试工作，分别为：三水平北一皮带石门、三水平北三九层回风石门、三水平南三区—363总轨道石门。地应力测量数据见表1，通过测量数据可以看出峻德煤矿最大水平主应力均大于垂直主应力，在进行峻德煤矿岩体应力分析时应用最大水平主应力最大值33.42MPa，方向为 N87°E进行计算。

表1 峻德煤矿地应力测量结果

根据峻德煤矿地应力测量结果与区域现代构造应力场特征进行对比，3个测点的最大主应力方向均为NE向与黑龙江东部地区构造应力场方向基本一致。根据中国现今构造应力场东北地区应力场分布特点，确定峻德煤矿应力场属于水平应力场，说明峻德煤矿地应力主要受水平压应力影响[1]。

如图1所示，对峻德煤矿最大水平主应力与深度进行拟合得到峻德煤矿应力梯度规律。根据拟合结果，峻德煤矿最大水平主应力随埋深变化而增大，最大水平主应力增加梯度为4.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主应力值增加4.42MPa，通过最大水平主应力增加梯度与峻德煤矿地应力测试结果可得到峻德煤矿构造应力集中系数。

图1 峻德煤矿应力梯度规律

2.构造应力计算模型构建

断裂构造作为影响构造应力场与能量场变化的主要因素，为确定研究区内的断裂构造利用地质动力区划方法基于从宏观到具体的原则，以绘图法为主结合地形图及区域构造活动考察，对研究区域的活动构造进行划分，划分为I～Ⅴ级断块图，本文仅应用Ⅴ级断块，峻德煤矿Ⅴ级断块如图2所示。在根据地质动力区划方法划分的峻德煤矿Ⅴ级断块图的基础上，建立地质构造与采掘工程相联系的地质构造模型，为峻德煤矿岩体应力计算提供模型。峻德煤矿应力计算模型尺寸大于井田范围，应力计算模型长度为8km，宽度为5km，面积40km2，依据峻德煤矿Ⅴ级断块图建立的井田地质造模型如图3所示。

图2 峻德煤矿Ⅴ级断块图

图3 峻德煤矿地质构造模型

3.区域岩体应力状态分析

(1)峻德煤矿17号煤层最大主应力分布

峻德煤矿17号煤层为主采煤层，共发生冲击地压18次占总冲击地压次数的69%，因此对峻德煤矿17煤层进行岩体应力分析是十分必要的。

17号煤层岩体应力分析采用“岩体应力状态分析系统”对构建的模型进行网格剖分（图4、图5）。对17煤层岩体应力计算模型进行单元划分，将相关岩体应力计算信息（弹性模量、泊松比、地应力大小等）录入到计算模型中。利用“岩体应力状态分析系统”对划分好的计算模型进行计算[2-3]，将计算结果用等值线图的形式描绘。峻德煤矿17煤层水平最大主应力等值线图，如图6所示。根据描绘的最大主应力等值线图利用应力集中系数ks进行应力区域划分：高应力区，应力梯度区，低应力区[4-5]。

图4 岩体应力状态分析系统

图5 17煤层岩体应力计算模型

图6 峻德煤矿17煤层最大水平主应力等值线图(单位：MPa)

①高应力区：处于高应力区内的煤岩体构造应力值较大，受构造应力作用强烈，更容易集聚弹性变形能。当受到外部因素影响导致煤岩体高应力急剧降低，弹性能瞬时释放，对矿井动力灾害的发生将产生重要影响。

②应力梯度区：处于应力梯度区的煤岩体变形模量都有较大比例的增长，导致弹性波与电导率急剧变化。同时处于该区域的煤岩体含水率较低，引起岩石的脆性增大、破坏强度降低，对矿井动力灾害的发生也将产生重要影响。

③低应力区：处于低应力区内的煤岩体物理力学性质明显降低，矿物组成成分之间的粘结力减小。通常情况下，处于低应力区内的煤岩体，对矿井动力灾害的发生影响较弱。

(2)构造应力区划分与冲击地压分布特征

由图7可以看出，峻德煤矿17煤层水平最大主应力值为26～44MPa。将最大主应力等值线图按照应力集中系数ks进行构造应力区划分：当ks＞1.2时为高应力区；应力梯度区为0.8＜ks＜1.2之间；当ks＜0.8时为低应力区。最大主应力区划分结果如图7所示。

图7 峻德煤矿17煤层最大主应力区域划分

峻德煤矿17煤层最大主应力区划分情况如下[6-10]：

①高应力区主要有2个区域，分别位于井田东南部与井田东北部，应力值为38～44MPa。其中东南部高应力区面积为2.31km2，受Ⅳ-15、Ⅴ-11、Ⅴ-12、Ⅴ-13、Ⅴ-17断裂影响；东北部高应力区面积为2.34km2，受Ⅳ-15、Ⅴ-18、Ⅴ-27断裂影响，区域为井田深部开采区[5]。东北部高应力区布置有三水平北17煤层多个工作面，其中三水平北17层一段发生多次冲击事故，该区域共发生冲击地压18次。

②应力梯度区2个区域，分别位于井田中南部与中北部，应力值为30～36MPa。其中中南部应力梯度区面积为0.94km2，受Ⅴ-10、Ⅴ-11、Ⅴ-12断裂影响；中北部应力梯度区面积为1.98km2，受Ⅴ-9、Ⅴ-13、Ⅴ-17断裂影响。中南部应力梯度区布置有三水平南一二区17层多个工作面。

③低应力区共2个区域，分别位于井田西南部以及西北部，应力值为26～30MPa。其中西南部低应力区面积为3.13km2，受到Ⅴ-10、Ⅴ-11断裂影响；西北部低应力区面积为1.58km2，受到Ⅴ-9、Ⅴ-23断裂影响。该区域为井田浅部开采区。二水平南17层在西南部低应力区布置多个工作面。

4.结论

（1）揭示了峻德煤矿最大主应力方向均为NE向与黑龙江东部地区构造应力场方向基本一致，地应力以水平压应力为主。

（2）确定了峻德煤矿最大水平主应力增加梯度为4.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主应力值增加4.42MPa。

（3）划分了峻德煤矿17煤层高应力区2个，应力梯度区划分为2个，低应力区2个。揭示了三水平北17煤层发生的18次冲击地压均位于东北部高应力区。