红一煤矿井田岩体应力分析及对首采工作面矿压显现影响

＊杨勇 张晓春 王强 霍晨磊 黄伯斌 丁伟

（宁夏红墩子煤业有限公司 宁夏 750000）

我国中、东部矿井平均以近15～25m/a的速度在增长，随着开采强度和深度的不断增加，深部煤层所面临的地质动力环境、岩体应力状态与浅部资源开采相比存在明显的不同，具有复杂的地质动力环境，地质构造复杂，地应力场多变的复杂格局，井田应力场分布极具复杂性和各项异性，地质动力环境与开采工程效应双重作用，对深部煤炭资源安全开采带来了重要威胁。

许忠淮等[1]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。詹文欢等[2]在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。

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[3]，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[4-8]。

1.矿井概况

图1 1150401工作面巷道布置图

红墩子矿区红一煤矿首采区南以井田边界为界、北以红墩子断层为界、西以煤层露头风氧化带煤柱为界、东以+450m水平为界。根据首采区HK501、HK502、H201、H202、2401、H101、H102等钻孔揭露的煤层赋存条件，首采区开采4煤和5煤。4煤的煤层厚度为0.35～2.46m之间，平均厚度1.70m，煤层倾角为15°～25°，平均17°。顶板岩性以粉砂岩为主，局部为泥岩、细砂岩，岩体质量为中等，普氏系数为1.6～1.9，平均1.8，属较软岩石；底板为粉砂岩、细砂岩。首采区作为红一煤矿首个规划采区，共开采2个煤层，分别为4煤与5煤。4煤共规划开采6个工作面，分别为1150401工作面、1150403工作面、1150404工作面、1150405工作面、1150406工作面、1150402工作面。

2.井田岩体应力分析

(1)岩体应力状态分析步骤

①计算模型和网格划分

地质动力区划的方法是可以用来对红一煤矿进行井田划分，利用绘图法查明了Ⅰ～Ⅴ级断块，利用红一煤矿V级断块图的地质构造模型。由于红一煤矿西北部整体煤层为急倾斜赋存状态，暂不作为红一煤矿首采区开采区域。选取红一煤矿首采区作为岩体应力分析的计算模型，模型尺寸小于井田范围。计算红一煤矿4煤层岩体应力计算模型长度为5.6km，宽度为2.4km，面积13.44km2。

②参数定义

A.地应力参数确定

依据红一煤矿井田的地应力测量结果，将应力值分别投影到坐标轴的X向和Y向，确定4煤层井田范围内最大主应力值为18.50MPa，最小主应力值为10.16 MPa，地应力测量结果为岩体应力分析提供了基础数据。

B.岩体力学参数确定

顶板岩性分区需要建立顶板岩性分类及代码数据库，数据库的建立由两种方法获得，一是通过收集、统计井田内地质勘探钻孔台账数据，二是利用井下各类工程揭露的岩性数据进行补充。

C.断裂影响范围确定

断裂带力学参数的选取原则：Ⅰ～Ⅲ级断裂带的弹性模量取正常岩体参数的1/10，Ⅳ、Ⅴ级断裂带取1/5。计算模型选取了Ⅳ、Ⅴ级断裂，4煤层计算模型顶板岩性与断裂选取的力学参数。

③应力计算

应用“岩体应力状态分析系统”软件，为不同类别的岩性、断裂带赋值，设置模型的位移边界和载荷条件，最后进行计算。分别得到了红一煤矿4煤岩层的水平最大主应力值等直线图。

(2)4煤层岩体应力计算结果及应力分区

地质动力区划团队应用有限元方法，利用Fortran77语言和Microsoft Visual C++ 6.0开发了“岩体应力分析系统”，得到煤层的水平最大主应力值。应用Golden Software Surfer 7绘图软件，可对应力数据文件进行等值线的绘制，得到水平最大主应力值图，同时根据应力区划分规则，完成了井田内部区域的不同应力区的划分。

计算模型内部4煤层水平最大主应力值为14～29MPa，应力分区的划分规则按照区域现代构造应力场对井田的影响强、中、弱的特点，将应力区划分系数K分为3类，应力区划分系数K等于区域岩体应力值与垂直应力的比值。

①高应力区：井田内部划分4个区域。A.位于计算模型北部，应力值为22.5～29.0MPa，V-6、V-7断裂从井田的中央穿过，影响范围较大，约为0.45km2。B.位于计算模型西部，应力值为22.5～29.0MPa，影响范围0.23km2。C.位于计算模型中部，应力值为22.5～29.0MPa，V-4断裂从其中穿过，影响范围0.16km2。D.位于计算模型南部，应力值为22.5～29.0MPa，V-4断裂从中间穿过，影响范围是0.17km2。

②应力梯度区：井田内划分了5个不同的区域，分别在不同的井田位置。A.位于计算模型北部，应力值为18.5～22.5MPa，V-3断裂从中间穿过，影响范围是0.43km2。B.位于计算模型中部，应力值是18.5～22.5MPa，影响范围0.17km2。C.位于计算模型中间，应力值是18.5～22.5MPa，V-3断裂从其中穿过，影响范围0.16km2。D.位于计算模型南部，应力值为18.5～22.5MPa，V-4断裂从其边缘穿过，影响范围0.15km2。E.位于计算模型南部，应力值为18.5～22.5MPa，影响范围0.16km2。

③低应力区：划分4个区域。A.位于计算模型北部，应力值为14.0～18.5MPa，V-3、V-9断裂从其边缘穿过，影响范围0.46km2。B.位于计算模型中部，应力值为14.0～18.5MPa，V-8断裂从中间穿过，影响范围是0.82km2。C.位于计算模型南部，应力值是14.0～18.5MPa，IV-3断裂从中间穿过，影响范围是0.14km2。D.位于计算模型的南部，应力值是14.0～18.5MPa，V-3断裂从其中穿过，影响范围0.19km2。

3.岩体应力分析对工作面开采影响

(1)岩体应力特征对4煤层首采工作面影响分析

红一煤矿首采工作面为1150401工作面，计划回采时间为2022年7月—2023年4月（10个月），该工作面位于首采区三条上山北翼，设计采高1.6m，倾向长度为257m，走向长度为1829m。受4煤风氧化带防水煤柱限制，工作面推进分为2个部分，第一部分初始工作面开切眼尺寸235m，推进834m；第二部分为调整切眼尺寸257m，推进995m。

①高应力区巷道稳定性分析

1150401工作面高应力区范围及应力值为：工作面开切眼，范围235m，应力值为25～26MPa，回风顺槽从开切眼至1291m处，范围1291m，应力值为22.5～26MPa，运输顺槽切眼至490m，范围490m，应力值为23.5～25MPa。

建议红一煤矿在进行首采工作面巷道支护参数设计时，对于处在高应力区内巷道，应适当加大巷道支护强度，采取增加锚杆（索）的直径与长度，减小锚杆（索）间排距等技术措施。在进行巷道掘进时，应及时观测巷道围岩破碎、离层情况，在顶板煤岩强度低，条件较差区域，可调整巷道支护方式，采用围岩注浆或架棚等多种联合支护方式。

②应力梯度区巷道稳定性分析

1150401工作面应力梯度区范围及应力值为：回风顺槽1291～1634m处，范围343m，应力值为19.5～21.0MPa，运输顺槽490～1350m处，范围860m，应力值为19.5～22.0MPa。

应力梯度区内煤岩体易受到地质构造（如断层、褶曲等）等影响，在应力梯度区内的岩体，区域内岩体应力总体处于高水平，容易在岩体内部积聚弹性能，并且部分受压较大的岩体已经达到极限平衡状态。

③低应力区巷道稳定性分析

1150401工作面地应力区范围及应力值为：运输顺槽1350～1829m处，范围479m，应力值为16～18.5MPa，回风顺槽不存在低应力区。

低应力区巷道围岩与高应力区、应力梯度区相比，应力整体处于较低水平，围岩内积聚弹性能较少，利于维护巷道围岩的稳定，巷道可以进行正常掘进及支护。

(2)应力分区对4煤层首采工作面矿压显现影响分析

工作面自开切眼推进490m，这490m范围内，完全属于高应力区；工作面推进490～1291m，这801m范围，属于高应力与应力梯度混合区；工作面推进1291～1350m，这59m范围，完全属于应力梯度区；工作面推进1350～1727m，这377m范围，属于应力梯度与低应力混合区；工作面推进1727～1829m（停采线），这102m范围，属于低应力区。

工作面在不同应力区开采时，矿压显现强度、覆岩破断特征、工作面支架受力存在明显的差异。

①工作面从开切眼推进至490m：该范围为工作面在高应力区内进行回采，在工作面未开采前，高应力区内煤岩体最大主应力最大就达到了26.5MPa。随着工作面开采，受工作面超前支承压力影响，应力值会持续增大，煤岩体受采动应力与原岩应力双重影响，煤岩体会积聚较大能量，此时工作面易发生强矿压及动载矿压显现情况。同时，工作面开切眼长度235m，预计工作面初次来压、一次见方均会发生在高应力区内，工作面来压强度大、持续时间长，支架受力大，甚至造成压架事故，对开采产生较大影响。②工作面推进490～1291m：该范围为工作面在高应力与应力梯度混合区内进行回采，此区域，煤岩体仍保持较高的应力水平，在采动应力的影响下，煤岩体积聚能量较高，造成工作面来压强度大的情况。③工作面推进1291～1350m：该范围为应力梯度区，原岩应力相比高应力区有所减小，应力梯度区应力状态处于动态变化，也是工作面矿压显现强烈区域。

4.结论

（1）应用地质动力区划团队开发的“岩体应力状态分析系统”，完成了红一煤矿4煤层、5煤层的岩体应力状态计算分析，确定了红一煤矿井田岩体应力分布规律并划分了不同的应力分区，分析了不同应力区的矿压显现特征。其中4煤层划分了4个高应力区，5个应力梯度区，4个低应力区；5煤层划分了3个高应力区，3个应力梯度区，3个低应力区。（2）4煤层设计首采区包含6个回采工作面，其中1150401、1150403、1150406工作面开采受应力影响较大，1150402、1150404工作面开采影响中等，1150405工作面开采影响较弱。（3）首采面1150401工作面应力分区结果为自开切眼开始0～490m为高应力区，490～1291m为高应力与应力梯度混合区，1291～1350m为应力梯度区，1350～1727m为应力梯度与低应力混合区，1727m～停采线为低应力区。