吕家坨井田矿压显现区域预测.pdf

第 2 2卷第 6期 V_0 1 ． 2 2 No ． 6 辽宁工程技术大学学报 J o u rn al o f Li a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y 2 0 0 3年 l 2月 De c ． 2 0 o 3 文章编号1 0 0 8 - 0 5 6 2 2 0 0 3 0 6 - 0 7 3 2 0 3 吕家坨井 田矿压显现 区域预测 刘少伟，张宏伟 辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院 ，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ； 摘 要以地质动力区划方法为基础，划分出各级活动断裂，以吕家坨矿区五级断裂图为构造格架，建立有限元的地质力学模型， 以吕家坨矿地应力测 量的基础数据 为边界条件，通过岩体应 力状态分析系统进行应力计算，计算 的结果以等值线的方式给出，包括最 大主应 力等值线、最小主应力等值线 、最大剪应力等值线。通过对等值 线的分析，预测出矿区的应力升高区、梯度 区、降低区，从而 对 吕家坨矿压显现严重的区域做出预测，为吕家坨井田工作面的生产和采区巷道的合理布置提供基础数据 ，保证矿井安全 生产 。 关键词 活动断裂；地应力测量；岩体应力状态分析；区域预测； 中图号T D 3 3 1 文献标识码A Re g i o n a l f o r e c a s t o f mi n e p r e s s u r e e me r g e n c e i n l v j i a t o u min e LI U S h a o - we i ，ZHANG Ho n g - we i C o l l e g e o f Re s o u r c e a n d E n v i r o n me n t En g i n e e r i n g ， L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y , F u x i n 1 2 3 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t 1 1 1 e d i ffe r e n t l e v e l s o f a c t i v e f a u l t s a r e div i d e d wi t h the g e o d y n a mi c div i s i o n me tho d ． Tl l e g e od y n a mi c mo d e l o f fi nit e e l e me n t wa s f o u n d e d o n the fif t h l e v e l o f a c t i v e f a u l t s ，t h e t ec t o n i c s k e l e t o n ．Ba s e d o n the f un d a me n t a l d a t a o f i n s i t u s tr e s s me a s u r e me n t as the b o u n d a r y c o n d i t i o n s ， the r o c k ma s s s t r e s s a n aly s i s s y s t e m i s u s e d t o c alc u l a t e the s tr e s s d i s t r i b u t i o n ． Tl l e r e s u l t s a r e i s o l i n e s ， i n c l u d i n g the ma x i mu m p r i n c i p l e s t r e s s i s o h n e ， the mi n i mu m p r i n c i p l e s t r e s s i s o l i n e ，an d the max i mu m s h e a r s tre s s i s o l i n e ． Th r o u g h an aly s i s o f i s o l i n e ，the s tre s s i n c r e as e z o nin g ，the s t r e s s g r a die n t z o n e s ，a n d t h e s tr e s s f all i n g z o n e s are p r ed i c t ed ．F u r t h e r mo r e ，the r e g i o n s s e v e r e o f mi n e p r e s s u r e e me r g e n c e we r e als o p r e d i c t e d ． Ke y wo r ds a c t i v e f a u l t ； i n s i t u s t r e s s me a s u r e me n t ； r o c k ma s s s t r e S s an aly s i s ；‘reg i o n al f o r e c ast 弓 l 言 岩体中应力的形成和分布规律、它的大小和变 化对于地质 、采矿和建筑工程等具有很重要 的理论 和实际意义，例如 以下几方面的应用 1 用于研究褶皱 和断裂构造 的形成机制和 分析现代构造运动； 2 在地震的区划中，用于研究天然或大爆 破地震波通过应力应变状态不 同的岩体时其参数 的变化 ； 3 为在应 力集 中的地方 对岩石强度 和形变 特征进行工程地质取样和试验研究提供依据； 4 用于评价地下构筑物和采矿的工程地质 条件，包括预测山岩压力、岩爆、冒顶、片帮、突 水、流砂等【l 1 应用数值模拟 方法进行岩体应力状态分析 ，对 应用地质动力区划方法建立的地质构造模型进行 应力计算 ，将井 田分成危险度不同的区域 ，对矿 压 显现 严重 的区域作 出预测 ，为煤矿巷道和采场 的合 理布置提供基础数据，保证矿井安全生产。这是本 文所作的工作。 1 数值模拟在地质动力区划中应用 1 ． 1 地质动力区划简介 8 0 年代初俄 罗斯专家 巴图金娜和佩 图霍夫提 出了地质动力区划方法 。地质动力区划方法集地形 地貌学、板块学说、地质动力学、地球物理学等多 学科的研 究成果探讨在研 究范围内各种动力过程 、 以及参与该过程 的地球重力场 能量场 。它是通过 地 球地貌分析、构造物理分析、河流水系分析 ，并 同 地质构造 、确 定研究区域的各级断块图 活动性断 裂图及断块间的相互作用方式，以块断图为计算 机模型，进行原岩应力计算 ，确定应力场 的大小、 收稿 日期 2 o o 2 ． 1 0 - 1 1 作者简介刘少伟 1 钾8 ． ，男，辽宁 锦州人，博士研究生。本文编校孙树江 维普资讯 第6期 刘少伟等吕家坨井田矿压显现区域预测 7 3 3 方 向和 比值 ，为各种 工程决策 、施工、稳定性评价 提供理论依据。 地质动力区划主要研究的内容是构造划分，地 应力测量与应力计算，区域预测， G I S信息管理系 统。应力计算部分利用有限元软件来完成，在此拟 采用岩体应力状态分析系统完成此项工作。 1 ． 2 岩体应 力状态分析系统简介 岩体应力状态分析系统是 以有限单元法方法 为基础开发的二维岩体应力计算软件。岩体应力状 态研究是以区域构造形式为格架，建立数值计算模 型，按地应力测量和断块动力相互作用评估结果确 定边界条件 ，依据试验数据确定岩石应力性质分 区， 进行数据模拟计算， 确定区域内的应力集中区、 应力梯度区和应力降低 区。它 是进行矿井动力现象 区域预测 的重要基础工作。 1 ． 3 岩体应力状态分析系统所实现的功能 岩体应力状态分析系统实际上就是对 区域岩 体的数值模拟，利用它的模拟结果很好的再现了变 形体的实际情况。一般利用此系统都是进行岩体稳 定性模拟 ，以便对工程岩体稳定性现状做出评价并 对其未来发展变化趋势做出合理预测，同时也为岩 体稳定性的改善和工程施工提供科学合理的依据。 本系统利用到矿山，基于地质动力区划方法划分出 的断裂 ，以五级断裂 图为构造格架 ，建立有 限元的 地质构造模型，以断块为区域划分出不同的单元， 通过计算得出最大主应力图。从而确定井田区域的 应力状态 ， 以达 到井 田区域预测 的 目的 。 在 吕家坨井田中的应用 2 ． 1 吕家坨井田位置 与交通概况 吕家坨矿位于河北省唐 山市古冶 区境 内，西距 唐 山 1 8 k m，北距古冶 9 k m。地理坐标为东经 1 1 8 。 2 4 ，北纬 3 9 。 4 0 。井 田平均走 向长 8 ． 5k m，倾 斜长 4 ． 6 7 k m，面积 3 9 ． 7 k m 井 田西部 l o 0 0 ～1 2 0 0 m 为远景开发区 ，走 向长 9 ． 5 k m，倾斜长 0 ． 8 k m， 面积 7 ． 6 k m2 。 2 ． 2吕家坨 井田构造 吕家坨井田位于开平向斜东南翼中段，其主体 构造是 吕家坨背斜 。开平 向斜是一赋煤 向斜构造 ， 煤系地 层为石炭二迭系 。向斜轴的总体方 向约 N E 4 0 ，北部受青龙 山背斜等北西． 东南向构造的影 响 ，自古冶至唐家庄逐渐变为东西 向，形成一弧形 构造 。在 吕家坨 背斜等褶 曲构造 的形成过程 中，伴 随发育了较多的断裂构造，并大部分集中在稽曲轴 部 。吕家坨井 田范 围内落差大于 1 0 m、延展长度大 于 7 0 0 m、对采矿工程影响较大 的断层有 3 6条 。 图 1 水平最大主应力等值线图 F i g ． 1 th e h o r i z o n t a l ma x i mu m p r i n c i p l e s t r e s s i s o l i n e 2 ． 3 区域地质构造形式 的划分 区域地质 构造 形式 划分 是在上 一级板 块或 构 造块体划分的基础上进行的，一方面必须遵循板块 构造学说的基本原理，另一方面要结合实际工程问 题 来进行 ，做到有 的放矢 。一般说 ，断块的边界一 般是活动断裂构造 ，断块之间存在着地质动力联 系 。因此 ，划分区域地质构造最重要 的任务是确 定 研究区域内的活动断裂，并对其活动性进行评估。 作为划分地壳中不同比例的断块方法的基础，就是 不 同生成时代、不 同赋存深度 的断裂系统 的断块的 垂直运动 的强度不同。划 分各级断块要选择不 同比 例 I级断块 比例为 1 2 5 0万或 1 2 0 0万的地形 图；I I 级断块 1 1 0 0万 的地形 图；I Ⅱ级断块 1 5 0 万的地形 图；Ⅳ级断块 1 5万 的地形 图；V级 断 块 11万的地形图。更小些的断块在更大 比例 的 地 形 图上 查 明。区划 的最终 工作可 以做 到采 区范 围。 2 ． 4 岩体应 力状态分析模型的建立 以V级断裂 图为构造格架 ，建立有限元模型 ， 模型的范围为南北方 向 9k m，东西方 向为 1 2 k m， 模型 以东西方 向为 x轴方 向，南北 为 y轴方 向。另 外根据地质考察吕家坨井田西部煤层埋藏较深，中 部较浅，南部较浅。根据经验岩体的参数取值如表 1。 维普资讯 7 3 4 辽宁工程技术大学学报 第 2 2卷 表 1 井田内的力学参数 Ta b ． 1 t h e me c h a ni c s p a r a m e t e r o f mi n e fie l d 岩石性质 西部岩层 中部岩层 东部岩层 m、Ⅳ断裂 V级断裂 根据 各块体 的岩石力学参数 ，划分 出不同的单 元，在计算模型的基础上进行网格划分，全区共划 分 42 5 6个节点 ，8 2 5 0个单元 。 2 ． 5 边界条件的确定和计算结果的处理 以吕家坨矿地应力测量结果 水平最大主应力 2 0 ． 5 3 MP a ，方向N E 1 7 。，最小主应力 l 6 ．3 3 MP a 作为边界加载条件。所有上述工作完毕，分别进行 应力计算、 等值线计算。 计算的等值线图经过 S u f e r 和 Au t o c a d软件 的处理得 出最大主应力图 。最大主 应力如图 l 。 ． 2 ． 6 构造应力区划分与矿压显现区域预测 显然 ，任何活动断裂都具有动力影响区。地质 的观察结果表明，在任何一个断裂周围都存在高裂 隙的区域 。查 明的Ⅳ一 2 、 V一 2断裂 的影 响区占据着 吕家坨矿井田的深部，该断裂造成了构造应力区。 在岩体应力数值计算的基础上，将吕家坨矿井田构 造应力 区划分如 图 2 。 1 应力升高区分二个区域。①位于 V一 3 、 V一 4 、I 、 『 一 2 断裂之 间。水平最大 主应 力值在 2 0 ～ 2 4 MP a 之间变化，影响范围涉及井田西部， 影响范 围约 3 ． 7 5 k m 。在这个 区域 内有两个矿压显现 点； ②位于V一 2断裂南侧的狭长区域。水平最大主应力 值为 2 0 MP a 。影响范 围 1 ． 7 1 k m2 。此 区内无矿压 显 现点，由于是一个线性小区域，可靠性有待开采过 程 中进一步验证。 2 应力 降低 区位于Ⅳ一 2和 V一 2之间 ，应 力值在 l 6 ～1 8 MP a之间 ，影响范围约 7 ． 7 2 k m 。 经过 与矿井地质资料对比，在这一 区域 内存在一个 煤层缺 失带 。这一区域 内有一个矿压显现点 。 ． 3 高应力梯度区由I I I 一 7 、I I I 一 6 、V一 3 和V 一4断裂 围成 的多边形，应力值在 2 0 3 0 MP a之 间 变化，涉及井田西北部， 影响范围约 6 ．5 7 k m 。 4 低应力梯度区分为三个区域。①井田 中西部应力梯度 区位于Ⅳ一 2断裂 西北 ，应力值在 1 8 ～2 2 MP a 之间变化，影响范围约 3 ． 1 6 k m ； ②井 田中南部应力梯度 区位于 V一 2断裂南侧 ，应 力值 在 1 8 2 0 MP a 之 间变化 ，影响范 围 1 ． 6 3 k m ；这 一 区域内有四个矿压显现点；③井田南部应力梯度 区 位于 V l断裂 西侧 。应力值在 l 6 ～ 1 8 MP a之 间变化，影响范围 l 5 ．9 2 k m2 。 ’ 3 结论 1 在矿 山压 力 显现过程 中，构造应力对矿 山压力起控制作用， 高构造应力决定了高矿山压力 的存在。在承受强烈挤压的构造带，围岩及煤层中 存在不均匀且较高的构造应力，煤结构遭受破坏， 机械强度 降低 ，给矿 山压 力发 生创造 了有利条件 ， 并决定了矿 山压 力显现 的区域性分布 。 2 矿 山压 力显现 在井 田内的分布是 不均 匀 的， 比较集中地分布在某些地质构造区，被称之为区 域性 分布 。V一 2和 V一 3断裂对其 所影 响 范围 内的 矿 山压 力显现 发生 具有控 制作用 ，从时 间上和 空 图 2井 田构 造 应 力 区划 分 F i g． 2 t h e d i v i s i o n 0 f t e c t o n i c S t l e S S z o ll e s 间上制约 着 吕家坨矿 矿 山压 力显现 的发 生 。 3 把 吕家坨井田划分出的活动断裂及高应 力 区 和应 力梯 度 区 同矿 山压 力 显 现 点 的 信 息进 行 对 比分析得 出在 井 田 内，9 0 ％ 以上 的矿 山压 力显 现地 点位 于 高应力 区和 应力梯度区 ，并 受 V 一 2和 V一 3两条活 动断裂 的影 响 ，规 律十 分 明显 。 由此 可见 ，在 吕家坨 矿井 田内，矿 山压 力显现 与 构造 应力密 切相 关 。 参考 文献 [ 1 1曾卫 东． 环 青 藏高 原及 其邻 区构 造动 力学 特 征的 数值模 拟研 究 [ D】 ． 成 都成都 理工学 院地质系． 1 9 9 6 ． [ 2 】张宏伟． 岩体应 力状态研 究与矿 井动 力现象 区域预测 [ D】 ． 阜新 辽宁工程 技术大学 资源与环 境工程 学院． 1 9 9 9 ． 本 文审稿 人 东北 大学 任 凤玉 教授 维普资讯