紅一煤礦井田巖體應(yīng)力分析及對首采工作面礦壓顯現(xiàn)影響

＊楊勇 張曉春 王強(qiáng) 霍晨磊 黃伯斌 丁偉

（寧夏紅墩子煤業(yè)有限公司 寧夏 750000）

我國中、東部礦井平均以近15～25m/a的速度在增長，隨著開采強(qiáng)度和深度的不斷增加，深部煤層所面臨的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境、巖體應(yīng)力狀態(tài)與淺部資源開采相比存在明顯的不同，具有復(fù)雜的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地應(yīng)力場多變的復(fù)雜格局，井田應(yīng)力場分布極具復(fù)雜性和各項(xiàng)異性，地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境與開采工程效應(yīng)雙重作用，對深部煤炭資源安全開采帶來了重要威脅。

許忠淮等[1]根據(jù)觀測到的應(yīng)力方向，利用有限單元方法，反演中國大陸東部及附近地區(qū)板塊邊界作用力的大小。詹文歡等[2]在分析了南海及鄰區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地殼及巖石圈結(jié)構(gòu)、地震活動(dòng)、地殼形變以及地應(yīng)力等多方面資料的基礎(chǔ)上，建立了地質(zhì)模型、計(jì)算機(jī)模型和應(yīng)力場反演的判據(jù)，論證了地殼運(yùn)動(dòng)的深部過程。

本文采用的地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法是以板塊學(xué)說為基礎(chǔ)，通過地貌學(xué)、遙感學(xué)等一系列學(xué)科，劃分查明區(qū)域內(nèi)的Ⅰ～Ⅴ活動(dòng)斷塊圖[3]，這些斷塊構(gòu)成了區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的格架，利用Ⅳ、Ⅴ斷塊圖建立模型，分析區(qū)域原巖應(yīng)力狀態(tài)，從而為人類的工程活動(dòng)提供地質(zhì)環(huán)境信息和預(yù)測工程活動(dòng)可能產(chǎn)生的地質(zhì)動(dòng)力效應(yīng)[4-8]。

1.礦井概況

圖1 1150401工作面巷道布置圖

紅墩子礦區(qū)紅一煤礦首采區(qū)南以井田邊界為界、北以紅墩子斷層為界、西以煤層露頭風(fēng)氧化帶煤柱為界、東以+450m水平為界。根據(jù)首采區(qū)HK501、HK502、H201、H202、2401、H101、H102等鉆孔揭露的煤層賦存條件，首采區(qū)開采4煤和5煤。4煤的煤層厚度為0.35～2.46m之間，平均厚度1.70m，煤層傾角為15°～25°，平均17°。頂板巖性以粉砂巖為主，局部為泥巖、細(xì)砂巖，巖體質(zhì)量為中等，普氏系數(shù)為1.6～1.9，平均1.8，屬較軟巖石；底板為粉砂巖、細(xì)砂巖。首采區(qū)作為紅一煤礦首個(gè)規(guī)劃采區(qū)，共開采2個(gè)煤層，分別為4煤與5煤。4煤共規(guī)劃開采6個(gè)工作面，分別為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.井田巖體應(yīng)力分析

(1)巖體應(yīng)力狀態(tài)分析步驟

①計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的方法是可以用來對紅一煤礦進(jìn)行井田劃分，利用繪圖法查明了Ⅰ～Ⅴ級斷塊，利用紅一煤礦V級斷塊圖的地質(zhì)構(gòu)造模型。由于紅一煤礦西北部整體煤層為急傾斜賦存狀態(tài)，暫不作為紅一煤礦首采區(qū)開采區(qū)域。選取紅一煤礦首采區(qū)作為巖體應(yīng)力分析的計(jì)算模型，模型尺寸小于井田范圍。計(jì)算紅一煤礦4煤層巖體應(yīng)力計(jì)算模型長度為5.6km，寬度為2.4km，面積13.44km2。

②參數(shù)定義

A.地應(yīng)力參數(shù)確定

依據(jù)紅一煤礦井田的地應(yīng)力測量結(jié)果，將應(yīng)力值分別投影到坐標(biāo)軸的X向和Y向，確定4煤層井田范圍內(nèi)最大主應(yīng)力值為18.50MPa，最小主應(yīng)力值為10.16 MPa，地應(yīng)力測量結(jié)果為巖體應(yīng)力分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

B.巖體力學(xué)參數(shù)確定

頂板巖性分區(qū)需要建立頂板巖性分類及代碼數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的建立由兩種方法獲得，一是通過收集、統(tǒng)計(jì)井田內(nèi)地質(zhì)勘探鉆孔臺賬數(shù)據(jù)，二是利用井下各類工程揭露的巖性數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。

C.斷裂影響范圍確定

斷裂帶力學(xué)參數(shù)的選取原則：Ⅰ～Ⅲ級斷裂帶的彈性模量取正常巖體參數(shù)的1/10，Ⅳ、Ⅴ級斷裂帶取1/5。計(jì)算模型選取了Ⅳ、Ⅴ級斷裂，4煤層計(jì)算模型頂板巖性與斷裂選取的力學(xué)參數(shù)。

③應(yīng)力計(jì)算

應(yīng)用“巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)”軟件，為不同類別的巖性、斷裂帶賦值，設(shè)置模型的位移邊界和載荷條件，最后進(jìn)行計(jì)算。分別得到了紅一煤礦4煤巖層的水平最大主應(yīng)力值等直線圖。

(2)4煤層巖體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力分區(qū)

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用有限元方法，利用Fortran77語言和Microsoft Visual C++ 6.0開發(fā)了“巖體應(yīng)力分析系統(tǒng)”，得到煤層的水平最大主應(yīng)力值。應(yīng)用Golden Software Surfer 7繪圖軟件，可對應(yīng)力數(shù)據(jù)文件進(jìn)行等值線的繪制，得到水平最大主應(yīng)力值圖，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力區(qū)劃分規(guī)則，完成了井田內(nèi)部區(qū)域的不同應(yīng)力區(qū)的劃分。

計(jì)算模型內(nèi)部4煤層水平最大主應(yīng)力值為14～29MPa，應(yīng)力分區(qū)的劃分規(guī)則按照區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場對井田的影響強(qiáng)、中、弱的特點(diǎn)，將應(yīng)力區(qū)劃分系數(shù)K分為3類，應(yīng)力區(qū)劃分系數(shù)K等于區(qū)域巖體應(yīng)力值與垂直應(yīng)力的比值。

①高應(yīng)力區(qū)：井田內(nèi)部劃分4個(gè)區(qū)域。A.位于計(jì)算模型北部，應(yīng)力值為22.5～29.0MPa，V-6、V-7斷裂從井田的中央穿過，影響范圍較大，約為0.45km2。B.位于計(jì)算模型西部，應(yīng)力值為22.5～29.0MPa，影響范圍0.23km2。C.位于計(jì)算模型中部，應(yīng)力值為22.5～29.0MPa，V-4斷裂從其中穿過，影響范圍0.16km2。D.位于計(jì)算模型南部，應(yīng)力值為22.5～29.0MPa，V-4斷裂從中間穿過，影響范圍是0.17km2。

②應(yīng)力梯度區(qū)：井田內(nèi)劃分了5個(gè)不同的區(qū)域，分別在不同的井田位置。A.位于計(jì)算模型北部，應(yīng)力值為18.5～22.5MPa，V-3斷裂從中間穿過，影響范圍是0.43km2。B.位于計(jì)算模型中部，應(yīng)力值是18.5～22.5MPa，影響范圍0.17km2。C.位于計(jì)算模型中間，應(yīng)力值是18.5～22.5MPa，V-3斷裂從其中穿過，影響范圍0.16km2。D.位于計(jì)算模型南部，應(yīng)力值為18.5～22.5MPa，V-4斷裂從其邊緣穿過，影響范圍0.15km2。E.位于計(jì)算模型南部，應(yīng)力值為18.5～22.5MPa，影響范圍0.16km2。

③低應(yīng)力區(qū)：劃分4個(gè)區(qū)域。A.位于計(jì)算模型北部，應(yīng)力值為14.0～18.5MPa，V-3、V-9斷裂從其邊緣穿過，影響范圍0.46km2。B.位于計(jì)算模型中部，應(yīng)力值為14.0～18.5MPa，V-8斷裂從中間穿過，影響范圍是0.82km2。C.位于計(jì)算模型南部，應(yīng)力值是14.0～18.5MPa，IV-3斷裂從中間穿過，影響范圍是0.14km2。D.位于計(jì)算模型的南部，應(yīng)力值是14.0～18.5MPa，V-3斷裂從其中穿過，影響范圍0.19km2。

3.巖體應(yīng)力分析對工作面開采影響

(1)巖體應(yīng)力特征對4煤層首采工作面影響分析

紅一煤礦首采工作面為1150401工作面，計(jì)劃回采時(shí)間為2022年7月—2023年4月（10個(gè)月），該工作面位于首采區(qū)三條上山北翼，設(shè)計(jì)采高1.6m，傾向長度為257m，走向長度為1829m。受4煤風(fēng)氧化帶防水煤柱限制，工作面推進(jìn)分為2個(gè)部分，第一部分初始工作面開切眼尺寸235m，推進(jìn)834m；第二部分為調(diào)整切眼尺寸257m，推進(jìn)995m。

①高應(yīng)力區(qū)巷道穩(wěn)定性分析

1150401工作面高應(yīng)力區(qū)范圍及應(yīng)力值為：工作面開切眼，范圍235m，應(yīng)力值為25～26MPa，回風(fēng)順槽從開切眼至1291m處，范圍1291m，應(yīng)力值為22.5～26MPa，運(yùn)輸順槽切眼至490m，范圍490m，應(yīng)力值為23.5～25MPa。

建議紅一煤礦在進(jìn)行首采工作面巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，對于處在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)巷道，應(yīng)適當(dāng)加大巷道支護(hù)強(qiáng)度，采取增加錨桿（索）的直徑與長度，減小錨桿（索）間排距等技術(shù)措施。在進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)觀測巷道圍巖破碎、離層情況，在頂板煤巖強(qiáng)度低，條件較差區(qū)域，可調(diào)整巷道支護(hù)方式，采用圍巖注漿或架棚等多種聯(lián)合支護(hù)方式。

②應(yīng)力梯度區(qū)巷道穩(wěn)定性分析

1150401工作面應(yīng)力梯度區(qū)范圍及應(yīng)力值為：回風(fēng)順槽1291～1634m處，范圍343m，應(yīng)力值為19.5～21.0MPa，運(yùn)輸順槽490～1350m處，范圍860m，應(yīng)力值為19.5～22.0MPa。

應(yīng)力梯度區(qū)內(nèi)煤巖體易受到地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、褶曲等）等影響，在應(yīng)力梯度區(qū)內(nèi)的巖體，區(qū)域內(nèi)巖體應(yīng)力總體處于高水平，容易在巖體內(nèi)部積聚彈性能，并且部分受壓較大的巖體已經(jīng)達(dá)到極限平衡狀態(tài)。

③低應(yīng)力區(qū)巷道穩(wěn)定性分析

1150401工作面地應(yīng)力區(qū)范圍及應(yīng)力值為：運(yùn)輸順槽1350～1829m處，范圍479m，應(yīng)力值為16～18.5MPa，回風(fēng)順槽不存在低應(yīng)力區(qū)。

低應(yīng)力區(qū)巷道圍巖與高應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力梯度區(qū)相比，應(yīng)力整體處于較低水平，圍巖內(nèi)積聚彈性能較少，利于維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定，巷道可以進(jìn)行正常掘進(jìn)及支護(hù)。

(2)應(yīng)力分區(qū)對4煤層首采工作面礦壓顯現(xiàn)影響分析

工作面自開切眼推進(jìn)490m，這490m范圍內(nèi)，完全屬于高應(yīng)力區(qū)；工作面推進(jìn)490～1291m，這801m范圍，屬于高應(yīng)力與應(yīng)力梯度混合區(qū)；工作面推進(jìn)1291～1350m，這59m范圍，完全屬于應(yīng)力梯度區(qū)；工作面推進(jìn)1350～1727m，這377m范圍，屬于應(yīng)力梯度與低應(yīng)力混合區(qū)；工作面推進(jìn)1727～1829m（停采線），這102m范圍，屬于低應(yīng)力區(qū)。

工作面在不同應(yīng)力區(qū)開采時(shí)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度、覆巖破斷特征、工作面支架受力存在明顯的差異。

①工作面從開切眼推進(jìn)至490m：該范圍為工作面在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)進(jìn)行回采，在工作面未開采前，高應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤巖體最大主應(yīng)力最大就達(dá)到了26.5MPa。隨著工作面開采，受工作面超前支承壓力影響，應(yīng)力值會(huì)持續(xù)增大，煤巖體受采動(dòng)應(yīng)力與原巖應(yīng)力雙重影響，煤巖體會(huì)積聚較大能量，此時(shí)工作面易發(fā)生強(qiáng)礦壓及動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)情況。同時(shí)，工作面開切眼長度235m，預(yù)計(jì)工作面初次來壓、一次見方均會(huì)發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，工作面來壓強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，支架受力大，甚至造成壓架事故，對開采產(chǎn)生較大影響。②工作面推進(jìn)490～1291m：該范圍為工作面在高應(yīng)力與應(yīng)力梯度混合區(qū)內(nèi)進(jìn)行回采，此區(qū)域，煤巖體仍保持較高的應(yīng)力水平，在采動(dòng)應(yīng)力的影響下，煤巖體積聚能量較高，造成工作面來壓強(qiáng)度大的情況。③工作面推進(jìn)1291～1350m：該范圍為應(yīng)力梯度區(qū)，原巖應(yīng)力相比高應(yīng)力區(qū)有所減小，應(yīng)力梯度區(qū)應(yīng)力狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化，也是工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈區(qū)域。

4.結(jié)論

（1）應(yīng)用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)”，完成了紅一煤礦4煤層、5煤層的巖體應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算分析，確定了紅一煤礦井田巖體應(yīng)力分布規(guī)律并劃分了不同的應(yīng)力分區(qū)，分析了不同應(yīng)力區(qū)的礦壓顯現(xiàn)特征。其中4煤層劃分了4個(gè)高應(yīng)力區(qū)，5個(gè)應(yīng)力梯度區(qū)，4個(gè)低應(yīng)力區(qū)；5煤層劃分了3個(gè)高應(yīng)力區(qū)，3個(gè)應(yīng)力梯度區(qū)，3個(gè)低應(yīng)力區(qū)。（2）4煤層設(shè)計(jì)首采區(qū)包含6個(gè)回采工作面，其中1150401、1150403、1150406工作面開采受應(yīng)力影響較大，1150402、1150404工作面開采影響中等，1150405工作面開采影響較弱。（3）首采面1150401工作面應(yīng)力分區(qū)結(jié)果為自開切眼開始0～490m為高應(yīng)力區(qū)，490～1291m為高應(yīng)力與應(yīng)力梯度混合區(qū)，1291～1350m為應(yīng)力梯度區(qū)，1350～1727m為應(yīng)力梯度與低應(yīng)力混合區(qū)，1727m～停采線為低應(yīng)力區(qū)。