东荣二矿井田构造应力分区特征及其应用研究

刘洪泉 杨振华

（1、黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司 双鸭山分公司东荣二矿，黑龙江 双鸭山 155100 2、辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000）

1 井田概况及地质构造模型

1.1 井田概况

东荣二矿开采过程中已发生多次矿井动力显现现象，其中17#煤层发生动力显现的次数较多、强度较大。文中主要对17#煤层的构造应力进行计算和分区，研究构造应力分区特征对矿井动力显现的影响。

1.2 地质构造模型构建

基于地质构造形式、现代构造运动特征和断裂活动特征，从板块构造的尺度出发，根据断块的主从关系和大小从高级到低级按顺序确定出Ⅰ～Ⅴ级各级断块，建立了现代构造运动与工程应用之间的联系。依据Ⅴ级区划图确定的断块构造边界，建立了东荣二矿井田地质构造模型，如图1 所示。

图1 东荣二矿井田地质构造模型

2 构造应力计算模型

2.1 顶板岩性分布特征确定

根据东荣二矿井田地面勘探钻孔及井巷采掘工程揭露的煤层顶板岩性信息，运用地质动力区划信息管理系统软件，进行岩性分布计算及岩体分区，确定17#煤层顶板岩性分布特征。

2.2 裂及顶板岩性力学参数确定

东荣二矿17#煤层直接顶岩性以细砂岩和粉砂岩为主，井田范围内存在Ⅳ级和Ⅴ级区划断裂。结合实验室测试得到的不同岩性的物理力学参数，确定顶板岩性分类及断裂力学特征参数，见表1。

表1 东荣二矿17#煤层顶板岩性及力学参数

2.3 边界及加载条件确定

参考东荣二矿的地应力测量结果，确定东荣二矿17#煤层构造应力模型的σ1为32.20 MPa，σ3为23.32 MPa。

2.4 应力计算模型构建

结合东荣二矿井田地质构造模型，建立构造应力计算模型。模型长度为8 km，宽度为7 km，面积为56 km2，共划分22701个节点，44800 个单元，应力计算模型如图2 所示。

图2 17#煤层岩体应力计算模型

3 构造应力分析及应用

3.1 构造应力场计算

应用岩体应力分析系统，根据表1 中的断裂及岩性力学参数，为计算模型中的煤层顶板和断裂赋值。计算得到东荣二矿17#煤层井田的最大主应力值、最小主应力值和剪应力值，得到17#煤层顶板的构造应力分布，如图3 所示。

3.2 构造应力分区

由图3 可知，17# 煤层井田范围内最大水平主应力值为13～25 MPa，结合矿井实际情况，将井田区域划分为高应力区、应力梯度区和低应力区3 类应力区域。东荣二矿17#煤层构造应力分区结果如图4 所示。高应力区：划分3 个区域。①位于井田中东部，应力值为22～25 MPa，Ⅳ-19、Ⅴ-31、Ⅴ-33、Ⅴ-34断裂从其中穿过，影响范围为2.11 km2；②位于井田东部，应力值为22～23 MPa，影响范围为0.25 km2；③位于井田南部，应力值为22～25 MPa，Ⅴ-24、Ⅴ-32 断裂在该区域交汇，Ⅴ-25 断裂从其中穿过，影响范围为0.91 km2。应力梯度区：划分6 个区域。①位于井田东北部，应力值为17～22 MPa，影响范围为0.70 km2；②位于井田中东部，应力值为17～22 MPa，影响范围为1.33 km2；③位于井田东部，应力值为17～22 MPa，影响范围为0.23 km2；④位于井田东南部，应力值为17～22 MPa，影响范围为0.29 km2；⑤位于井田南部，应力值为17～22 MPa，影响范围为0.28 km2；⑥位于井田西部，应力值为17～22 MPa，影响范围为2.65 km2。

图3 东荣二矿17#煤层构造应力场分布

图4 东荣二矿17#煤层构造应力分区

低应力区：划分4 个区域。①位于井田东北部，应力值为16～17 MPa，Ⅴ-39 断裂从其中穿过，影响范围为0.53 km2；②位于井田西部，应力值为13～17 MPa，Ⅴ-29、Ⅴ-30、Ⅴ-31 断裂从其中穿过，影响范围为1.85 km2；③位于井田东部，应力值为16～17 MPa，Ⅳ-20 断裂从其中穿过，影响范围为0.25 km2；④位于井田南部，应力值小于17 MPa，影响范围为0.40 km2。

3.3 构造应力分区对矿井动力显现的影响

井田东北部应力梯度区位于东二上采区范围内；井田中东部应力梯度区，对中一上边界块段一面初采阶段有一定影响；井田东部和东南部应力梯度区位于已关闭采区范围内；井田南部应力梯度区位于南四上采区范围内，对该采区的零一面有一定影响；井田西部应力梯度区目前主要对南四上采区的五面有一定影响。

井田低应力区分别位于井田东北部、西部、东部和南部。17#煤层近三年接续工作面中，东二上采区三面里部部分位于东北部低应力区范围内；西部、东部和南部低应力区范围内目前无接续工作面。东荣二矿17#煤层开采过程中已发生的4 个动力显现点中，3 个位于划分的应力梯度区范围内，1 个位于正常应力区范围内。表明应力分区对矿井开采中的动力显现具有控制作用。东荣二矿17#煤层构造应力分区与采掘工程位置关系。

4 结论

4.1 基于井田地质构造模型、顶板岩性分布及应力位移边界条件，构建了东荣二矿17#煤层构造应力计算模型，得到了井田构造应力分布规律，17#煤层井田范围内最大水平主应力值为13～25 MPa。

4.2 根据井田构造应力分布和矿井实际情况，在井田范围内划分了3 个高应力区、6 个应力梯度区及4 个低应力区；17#煤层已发生的4 个动力显现点中，3 个位于划分的应力梯度区范围内，表明应力分区对矿井动力显现具有控制作用。

4.3 东荣二矿17#煤层近三年接续工作面中，南四上采区零一面、五面和六面位于高应力区影响范围内，中一上边界块段一面部分位于应力梯度区影响范围内，回采时应加强支护，提前采取卸压防治措施。