大采深地质构造复杂矿井应力集中模拟预测研究

摘 要：断层与褶皱在煤岩体中广泛分布，构成了煤层开采过程中失稳的主要因素，是煤层中地应力集中的地方，煤矿灾害的多发区域，是煤矿开采等地下工程围岩变形与破坏的重要原因。随着煤矿开采深度的不断增加，加之断层褶曲构造，地应力越来越大，井下应力环境发生了很大变化，导致巷道大变形、冲击地压、煤与瓦斯突出及突水等灾害越来越严重。因此，对大安山煤矿+400m水平的断层、褶皱地质构造应力场进行数值模拟研究，充分了解应力场分布特征、煤岩体性质与结构特征，进行合理的、切合实际的围岩稳定性、围岩变形与破坏分析，为合理的支护设计与灾害防治，特别是冲击地压的防预提供了有力的依据。模拟显示：（1）主应力方向在断层附近有明显扰动；（2）远离断层端部区域煤岩体最大水平主应力一般水平，断层端部的局部区域出现应力集中；（3）向斜最大主应力在褶皱轴处最大，向两翼逐渐变小；（4）背斜最大主应力从褶皱轴部向两翼逐渐增大，轴部值达到最小。与工程实际有很好的吻合。

关键词：断层；褶曲；失稳；冲击地压；最大主应力；数值模拟

1 引言

在矿山工程中，断层与褶曲的复杂构造，是煤层中地应力集中，煤矿灾害的多发，煤矿开采等地下工程围岩变形与破坏的重要原因。

断层是由于地壳岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿破裂面有明显相对移动的构造。褶曲的形成对于埋藏在地底下的煤矿产生了诸多影响，对煤矿的采区及阶段划分、煤矿产量、进尺、成本、利润等主要经济指标和企业的经济效益有影响，而且是煤矿生产安全的直接隐患。

随着煤矿开采深度的增加，地应力越来越大，地应力显现越加明显。本文从实际出发采用KX-81型空芯包体式三轴地应力计空芯包体应力测量方法与数值模拟计算相结合的方式对比计分析得出结论，说明了地应力（主要是水平应力）是引起地下工程围岩和支护的变形与破坏，产生矿井动力现象的根本作用力，断层褶皱对实际采矿生产造成的影响。对矿井设计中最佳巷道轴向的选择、合理确定巷道断面的几何形态、尤其对冲击地压的预测预防有重要的指导意义。

2 地质概况

大安山煤矿东起茶棚岭断层，西到大网山断层，南自玄武岩顶界，北到48#钻孔与96#钻孔连接线。走向长约9km，倾向宽2～4km，面积25.5km2。矿区内地势陡峻，沟谷纵横。区内最高峰为老龙窝，最低沟谷为大北河一带，沟谷均为与地层走向直交或斜交的V形谷，矿区地貌为构造侵蚀中高山区，基岩多裸露，山上多为坡积、残积物，沟谷两侧及山地缓坡有冲积、洪积物，为砂砾石及土层。+400m水平范围内构造以SW-NE向褶皱为主，次级构造十分发育，大寒岭背斜两翼、北区局部受岩浆岩侵入体的破坏。井田内的大中型构造在深部水平对煤层的赋存程度减弱，小构造发育加剧。

窑坡组地层含煤30～40层，煤层总厚度25.36m，含煤系数4.53%，可采煤层12层，自上而下是15、14、13、12、10、9、7、6、5、4、3、2槽，可采煤层总厚度19.39m，可采含煤系数3.47%。

3 地应力测量

3.1 地应力测量方法

地应力测量，主要是指处于地下原始状态的岩（矿）体中的某点的应力或应变的测量。岩体原始应力状态的定量数据，是矿山开采和地下建筑工程所必需的资料。本文实际应用KX-81型空芯包体式三轴地应力计空芯包体应力测量方法，实测大安山煤矿地应力值。

KX-81型应力计由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成。将3枚应变花（每枚应变花有4个应变片）沿环氧树脂筒圆周相隔120°粘贴，然后再用环氧树脂浇注外层，使电阻应变片嵌在筒壁内（外层厚度约为0.5mm），在应力计的顶部有一个补偿应变片（如图2所示）。

a-截面投影图；b-A、B、C三组应变花的粘贴关系图；c-钻孔中的坐标关系图

图2 三组应变花的分布位置示意图

3.2 地应力测量计算结果

在现场测试的基础上，将套取出的带有应力计的岩芯放入围压率定机中并逐渐加压，测出不同围压下各应变片的读数，用式（1）和式（2）计算弹性模量E和泊松比μ，结果见表1。将钻孔方位、弹性模量、泊松比、应变片安装角及测量数据输入KX-81型空芯包体应力计算程序，计算出北岭各测点的地应力状态和分量值，如表2～3。

E=■ （1）

？滋=■ （2）

式中p0-围压值，MPa；d-岩芯小孔内径；D-岩芯外径；εx-轴向应变；εt-周向应变；E--性模量；μ-泊松比。

3.3 地应力主要特征分析

从三个测点的最大主应力来看，最大主应力值均在26.3MPa左右，最大主应力方向均为南西50°左右，最大主应力的倾角分别为14.5°，-7°，12°，1°这说明北岭煤矿最大主应力位于近水平方向的近东西向且以水平构造应力为主，水平构造应力值较小且为压应力。

4 数值模拟

4.1 模型的建立

模型是根据大安山矿第VI勘探线剖面图建立的，模型选取海拔1646.5m，沿+680m东二石门走向3311m，最下端取+0m，模型最上端为高山自由端，最高点+1646.5m建立模型。

根据实验结果给煤层和岩石赋予相应的力学参数并进行网格划分，见图3所示。

模型下端加固定端约束，左右两端加水平方向的位移约束，整个模型考虑自重。

4.2 断层构造模拟分析

断层是煤层开采过程中经常遇到的地质构造，它是岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿破裂面发生明显相对移动的产物。地质断层通常被泥和地下水充填，变成软弱结构，这些软弱地质断层在岩体中广泛分布，构成了煤层开采过程中失稳的主要因素。煤层开采中地质灾害的发生大多就是受到地质断层结构影响造成的。

a. 主应力方向在断层附近有明显扰动。由于断层的交互影响以及不同构造样式断层的纵向延伸，整个研究区地应力方向呈现出复杂的空间分布格局。

b. 远离断层端部区域，远离断层端部区最大水平主应力集中分布在4～8MPa之间，代表了该层最大水平主应力一般水平；断层端部的局部区域出现了应力集中，应力值超过8MPa，最大水平主应力高达约8.77MPa。

4.3 褶皱构造模拟分析

煤层在地壳运动的作用下易发生变形变位现象，其最基本的表现形式有褶皱构造和断裂构造。褶皱是岩层塑性变形的结果，是地壳中广泛发育的地质构造的基本形态之一。从成因上讲，褶皱主要是由构造运动形成的，它可能是由升降运动使岩层向上拱起和向下拗曲形成的，但大多数是在水平运动下受到挤压而形成的，是一种未丧失岩层连续性的塑性变形。煤层褶皱中地应力集中的地方是煤矿灾害的多发区域。在大安山矿区，各煤层均发生了不同程度的褶皱构造。因此对大安山煤矿地质构造进行数值模拟，分析在13煤层褶皱引起的应力值变化。

4.3.1 13煤层a段模拟

从图7、图8分析可知：

13煤层a段，最大主应力在褶皱轴处最大，向两翼逐渐变小，最大值为47MPa左右；

4.3.2 13煤层b段模拟

从图9、10分析可知：

13煤层b段，最大主应力在褶皱轴处最大，向翼部逐渐变小，最大值为40MPa左右；

4.3.3 13煤层c段模拟

从图11、图12分析可知：

13煤层c段，最大主应力从褶皱轴部向两翼逐渐增大，轴部值达到最小；

4.3.4 13煤层d段模拟

从图13、14分析可知：

13煤层d段，最大主应力从褶皱轴部向两翼逐渐增大，轴部值达到最小，最小值为10MPa左右。

5 结论

根据地质情况以及数值模拟分析，该区域由于受大寒岭倒转向背斜、茶棚岭平移正断层、老虎洞南正断层、老虎洞正断层和老虎洞北正断层的影响，造成煤层倾角、厚度变化较大，产生较大的构造应力。

a.主应力方向在断层附近有明显扰动。由于断层的交互影响以及不同构造样式断层的纵向延伸，整个研究区地应力方向呈现出复杂的空间分布格局；

b.远离断层端部区最大水平主应力集中分布在4～8MPa之间，代表了该层最大水平主应力一般水平；断层端部的局部区域出现了应力集中，应力值超过8MPa，最大水平主应力高达约8.77MPa；

c.向斜最大主应力在褶皱轴处最大，向两翼逐渐变小，最大值为47MPa左右；

d.背斜最大主应力从褶皱轴部向两翼逐渐增大，轴部值达到最小，最小值为10MPa左右。

根据实际测量与模拟计算比较，模拟具有很好的比对作用，与工程实际有较好的吻合，对现实生产具有重要意义。

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