趙善坤，張廣輝，柴海濤，李少剛，李志國

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.龍煤集團(tuán) 雙鴨山礦業(yè)分公司，黑龍江 雙鴨山 155100）

煤礦開采過程中的各種礦壓顯現(xiàn)主要受地應(yīng)力和采動應(yīng)力影響，二者是引起煤礦巷道變形破壞和誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)的根本作用力。以沉積賦存的煤巖體在漫長的成煤過程中受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動形式、運(yùn)動方向及影響范圍等因素不同，導(dǎo)致區(qū)域構(gòu)造特征與局部構(gòu)造應(yīng)力分布存在一定差異，地應(yīng)力很難推演計算[1-3]。而采動應(yīng)力是煤巖體受開挖擾動影響使得采場周圍巖體應(yīng)力重新分布并在局部形成高應(yīng)力集中，且隨工作面的推進(jìn)其應(yīng)力集中的位置和峰值強(qiáng)度不斷變化。采場煤巖體處于時空邊界條件變化不穩(wěn)定和存在形式耦合非獨立的動態(tài)變化應(yīng)力場之中，這也是煤礦沖擊地壓等動壓災(zāi)害難以監(jiān)測和防治的根本原因。采動應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力疊加是煤巖體沖擊失穩(wěn)的基礎(chǔ)，高采動應(yīng)力增量是誘發(fā)沖擊的根本原因。在煤礦實際生產(chǎn)過程中大多要通過現(xiàn)場實測來指導(dǎo)工程設(shè)計和理論分析。尹光志[4]以硯石臺煤礦為背景，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值計算研究了地應(yīng)力對沖擊地壓的影響并給出了能量判據(jù)。喬偉[5]分析了徐州礦區(qū)深部礦井地應(yīng)力的分布規(guī)律并將其應(yīng)用在張小樓礦沖擊地壓的預(yù)測預(yù)報；王連國[6]、康紅普[7]等人分別對霍州地區(qū)、晉城礦區(qū)和巨野礦區(qū)地應(yīng)力的分布特征及巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，趙善坤[8]、王迎超[9]等分別研究了地質(zhì)構(gòu)造對地應(yīng)力的影響并對平頂山礦區(qū)進(jìn)行了空間區(qū)劃。以上這些研究大多是從現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場出發(fā)，基于實測地應(yīng)力結(jié)果并借助統(tǒng)計分析或數(shù)值模擬對礦區(qū)或礦井的地應(yīng)力分布特征、巷道穩(wěn)定性及其與沖擊地壓的關(guān)系進(jìn)行研究，對于經(jīng)歷多期地質(zhì)構(gòu)造影響，區(qū)域內(nèi)半次生構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力與采動應(yīng)力復(fù)合作用而導(dǎo)致的動壓災(zāi)害研究相對較少。為此，通過對集賢煤田構(gòu)造演化及成煤特征的分析，結(jié)合煤田內(nèi)不同區(qū)域、不同水平的地應(yīng)力實測結(jié)果分析地應(yīng)力分布特征，并從區(qū)域構(gòu)造作用和煤層開采擾動的角度分析集賢煤礦沖擊地壓事故的原因和影響因素。

1 集賢煤田構(gòu)造演化及成煤特征分析

1.1 煤田構(gòu)造演化行跡分析

自印支運(yùn)動以來，黑龍江東部區(qū)在多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響下形成了一些列隆凹相間、東西成行、南北成列并以帶北偏東方向斜列分布為主體的含煤盆地。其中集賢煤田位于集賢拗陷北部，三江盆地西部，綏濱拗陷南部[10]。早白堊紀(jì)末期，三江盆地發(fā)生了區(qū)域性的逆沖褶皺作用，盆地發(fā)生了差異隆升剝蝕，使得前進(jìn)地區(qū)侏羅-白堊紀(jì)沉積被剝蝕殆盡。晚白堊世隨著完達(dá)山地體向西的斜向拼貼碰撞，形成自東向西的逆沖推覆構(gòu)造，盆地西部綏濱地區(qū)繼續(xù)處于隆升剝蝕狀態(tài)，同時區(qū)域受順時針走滑應(yīng)力場及熱隆起作用，形成了北西向逆斷層及其伴生的褶皺構(gòu)造。四川中晚期、華北期以及喜馬拉雅早期，受到太平洋向亞歐大陸持續(xù)脈沖作用，三江地區(qū)遭受NWW向縮短擠壓作用，普東斷裂、永生斷裂等斷裂構(gòu)造和東榮向斜、索利崗背斜等構(gòu)造發(fā)育形成。始新世末期，太平洋板塊對歐亞大陸俯沖的方向由NNW向轉(zhuǎn)為NWW向。新生代，特別是漸新世以后，由于太平洋板塊對歐亞大陸由東向西俯沖，在近EW向最大水平擠壓應(yīng)力作用下使得東北地區(qū)已存在的NNE向、NE向斷裂發(fā)生右旋扭動，NE、NNE向斷裂扭張拉開。自上新世以來，受NWSE向拉張構(gòu)造應(yīng)力場作用，先期一些NNE向斷裂轉(zhuǎn)變成正斷層，如富錦斷裂、勤得利二龍山斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬?，受拉張?yīng)力作用，整個三江下降接受沉積，煤田整體構(gòu)造初步形成。總體而言，本煤田總體構(gòu)造形態(tài)呈北低南高態(tài)勢，從構(gòu)造趨勢面上看，其北東向區(qū)域構(gòu)造線屬成煤前期作用，而北崗斷裂屬成煤后期作用，對煤田有一定的改造作用。

1.2 成煤地層特征分析

集賢煤田以遠(yuǎn)古界麻山群為基底，中生界下白堊統(tǒng)晚侏羅紀(jì)后陸相沉積的雞西群穆棱河組、城子河組為其主要含煤地層，由西向東發(fā)育煤層數(shù)量逐漸增多。本區(qū)含煤地層屬于上段屬晚侏羅紀(jì)的陸相沉積，成煤性一般，地層厚度在800～1 700 m。下段城子河組總厚度930 m，成煤性較好，共含煤50余層，可采和局部可采層22個。下部巖性以含礫砂巖為主，夾薄層粉砂巖、泥巖，上部以中粗粒砂巖為主，夾薄層粉砂巖及數(shù)層凝灰?guī)r，含豐富的植物化石。在東榮區(qū)南部及集賢礦區(qū)，由于基底隆起，該段缺失。中段為主要含煤段，巖性以中粗粒砂巖，石英砂巖為主，夾薄層粉砂巖及凝灰?guī)r。巖石粒級由上而下變粗，含植物化石，有閃長巖呈巖脈和巖床侵入。厚度約為320 m，含煤30余層，可采煤層16～18個。煤層分布集中，層間距小，厚度較大。上段巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖，粒度無明顯不同。中、下部夾薄層凝灰?guī)r及粉砂巖，含植物化石，厚度310 m，含煤10余層，可采層3個煤層薄、間距大。總體看，該區(qū)含煤地層從建造到改造，受多期擠壓應(yīng)力、地層旋轉(zhuǎn)滑動作用和新華夏系構(gòu)造控制，以斷裂、背斜構(gòu)造改造為主。其中白堊世以自東向西的逆沖推覆地質(zhì)改造為主，新華夏系以近西北向東南向的張拉斷裂改造為主。此外，本區(qū)煤層的變相、分叉、尖滅顯現(xiàn)普遍，表明成煤地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。

2 集賢煤田區(qū)域構(gòu)造特征分析

集賢煤田在三江盆地西部的綏濱、集賢拗陷北部，總體是由若干近南北和北東、北西向的不對稱向、背斜組成[11]。由于受區(qū)域性多種構(gòu)造應(yīng)力場的控制和影響，煤田北、東面均分布有較多的北西和北東向次級褶皺，部分區(qū)段內(nèi)斷裂也較發(fā)育集賢煤田的近南北向的構(gòu)造。南部邊緣有近東西向的弧形沖斷裂（北崗斷裂）和褶皺，西部以北東向的軍川斷裂為邊界，局部有復(fù)合構(gòu)造存在。東南部呈現(xiàn)3組近南北向的寬緩褶皺和F15斷裂，北東、北西的次級褶皺、斷裂也較發(fā)育。煤田內(nèi)的主要褶皺、斷裂，由西到東有：腰林子向斜、中伏屯背斜、新城鎮(zhèn)向斜、索倫崗背斜、東榮向斜、福山隆起、福山向斜，軸向主要為近SN向，次為NE向。其間主要斷裂有軍川、中伏屯、集賢斷裂和 F1、F11、F7、F15斷裂，走向主要為近SN向，次為NE、NW向，落差多在100～700 m之間，延伸較長且具有多期繼承性，對煤層破壞較嚴(yán)重。煤田內(nèi)以南北走向的索倫崗背斜為界，西部為集賢礦區(qū)，東部為東榮礦區(qū)。綏濱-集賢地區(qū)及東榮礦區(qū)構(gòu)造分布如圖1，東榮礦區(qū)構(gòu)造分布圖如圖2。

集賢礦區(qū)西鄰近北東向的新城鎮(zhèn)向斜，南部邊緣鄰近東西向的北崗沖斷裂和褶皺，北部呈現(xiàn)多向性起伏，區(qū)內(nèi)橫縱向上都有較多的寬緩起伏，NW和近EW向的次級褶皺較發(fā)育并次生一些中小型斷裂，該區(qū)整體為一軸向北西至近東西、北翼寬緩、南翼狹窄的不對稱向斜構(gòu)造。地層走向為北西向，傾角一般 5°～15°，個別地段 20°～35°，區(qū)內(nèi)以集賢煤礦為主。東榮礦區(qū)整體為一軸向近南北、東翼寬緩、西翼狹窄的不對稱向斜構(gòu)造。地層走向為近南北和北西、北東向，地層傾角一般為 10°～25°，局部地段變陡到30°～70°。該區(qū)近南北向褶皺主要在F3斷裂的東西兩側(cè)，斷裂落差多在30～150 m之間；北東向褶皺主要有二九一背斜、八隊向斜、福山崗3個背斜組以及F7、F8、F55等斷裂兩側(cè)的牽引褶皺，區(qū)內(nèi)以東榮一礦、二礦和三礦為主?？傮w而言，兩區(qū)在縱橫向上均有較多的寬緩起伏。北、東面均分布有較多的北西和北東向次級摺皺，部分區(qū)段內(nèi)斷裂也較發(fā)育，構(gòu)造較復(fù)雜。此外2個礦區(qū)內(nèi)均發(fā)現(xiàn)有中性閃長玢巖、基性輝綠巖以小型巖墻或巖脈侵入，對煤系地層結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞。

圖1 綏濱-集賢地區(qū)及東榮礦區(qū)構(gòu)造分布圖

圖2 東榮礦區(qū)構(gòu)造分布圖

3 集賢煤田地應(yīng)力分布與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系分析

3.1 集賢煤田主應(yīng)力情況分析

由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造經(jīng)歷地質(zhì)作用的多期性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，局部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場與大區(qū)域總體構(gòu)造應(yīng)力場可能不盡一致[12]。為了弄清局部地應(yīng)力分布特征與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系，采用空心包體三維應(yīng)力解除法對集賢煤田4個礦井不同開采水平的12個測點進(jìn)行了地應(yīng)力實測分析，并分別對煤田地應(yīng)力場的類型、最大主應(yīng)力方向、主應(yīng)力以及側(cè)向壓力系數(shù)隨深度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，雙鴨山礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果見表1。

表1 雙鴨山礦區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果

由表1可以看出，盡管集賢煤田位置處在區(qū)域 性的北西、近東西和北東向構(gòu)造的復(fù)合部位，同時受到3種構(gòu)造應(yīng)力的作用，但煤田屬于典型的以水平構(gòu)造應(yīng)力為主的σH＞σh＞σv型大地動力場，屬逆斷型應(yīng)力狀態(tài),有利于逆斷層的發(fā)育活動，這與煤田內(nèi)多逆斷層發(fā)育的事實相符合。地應(yīng)力量級大部分在30 MPa以上，占總測點數(shù)據(jù)的75%，屬于典型的高-超高應(yīng)力區(qū)。煤田內(nèi)2個主應(yīng)力近似于水平方向，其中最大主應(yīng)力方向介于 67.12°～192.26°，平均為129.69°，總體屬于NW-SE向，不僅與區(qū)內(nèi)主控斷裂的延展方向及次生構(gòu)造的發(fā)育特征相對應(yīng)，更與黑龍江及其鄰區(qū)震源機(jī)制測試結(jié)果接近。3個主應(yīng)力基本隨深度的增加而增大，但數(shù)據(jù)分布離散型較強(qiáng)，尤其是深度超過510 m以后，回歸方程的相關(guān)系數(shù)明顯較小，這可能與礦區(qū)開采擾動、局部地質(zhì)構(gòu)造及不同地區(qū)的地質(zhì)條件差異等因素有關(guān)，集賢礦區(qū)主應(yīng)力及側(cè)壓系數(shù)隨埋深分布變化圖如圖3。

3.2 集賢煤田地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)分析

圖3 集賢礦區(qū)主應(yīng)力及側(cè)壓系數(shù)隨埋深分布變化圖

借鑒Hoek-Brown關(guān)于側(cè)壓系數(shù)隨埋深變化的雙曲線擬合處理方法，分析了集賢礦區(qū)3個主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律，其中H介于440～573 m之間。以K=a/H+b(式中a、b均為待定系數(shù))的形式回歸分析了集賢礦區(qū)3個側(cè)壓系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律以及表示3個側(cè)壓系數(shù)分布取值范圍的內(nèi)外包絡(luò)線，如圖 3（b）～圖 3（f）。其中，為了彰顯包絡(luò)線的曲線性，將埋深和x軸比值做了適當(dāng)擴(kuò)展。3個主應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)隨埋深變化在470～540 m處的分布較為集中，而在560 m以上的分布較為零散。其中 KH的分布范圍是 1.97～2.51，平均為 2.26；Kh的分布范圍為 1.06～ 1.33,平均為 1.17；Kav的分布范圍為 1.56～1.88,平均為 1.72。具體分布如圖 3（b）～圖 3（f）。3個側(cè)壓系數(shù)的分布特征與Hork和Brown所測得結(jié)果相似且整體落在康紅普對中國煤礦所劃的區(qū)間之內(nèi)。此外，數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)，同一煤田內(nèi)的不同區(qū)域其主應(yīng)力大小、方向以及側(cè)壓系數(shù)等受地形地貌、地層巖石組合、局部構(gòu)造等因素影響變化較大，離散型較強(qiáng)，規(guī)律性較差，這可能不僅與煤田內(nèi)部開采擾動、局部地質(zhì)構(gòu)造差異等因素有關(guān)，更反映了本區(qū)歷經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的復(fù)雜性和多期性，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)合疊加作用明顯。

式中：H為測點深度，m；KH為最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比；Kh為最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比；Kav為平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比。

4 區(qū)域構(gòu)造特征對沖擊地壓的影響

4.1 集賢煤礦沖擊地壓概況

沖擊地壓的發(fā)生不僅取決于煤巖體自身的屬性、結(jié)構(gòu)特征，更與煤巖體所受的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)[12]。其中，區(qū)域構(gòu)造是沖擊地壓孕育的工程應(yīng)力環(huán)境因素，煤巖賦存特征是沖擊地壓發(fā)生的結(jié)構(gòu)因素，而采動應(yīng)力是沖擊地壓發(fā)生的工程擾動誘災(zāi)因素。集賢煤礦作為集賢煤田內(nèi)的典型礦井，其深部西二采區(qū)僅2010—2013年就發(fā)生40余次沖擊地壓顯現(xiàn)，累計造成1 600 m巷道損壞，煤礦生產(chǎn)和人員安全受到巨大威脅。這與其所處的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境和煤巖賦存結(jié)構(gòu)特征關(guān)系密切。

集賢煤礦西二采區(qū)位于中一下左六片采空區(qū)西部。北部為4109下部集中運(yùn)輸?shù)?，南部為北崗斷層，西部為西二采區(qū)二片（未回采）準(zhǔn)備回采面，東部為中一下左六片采空區(qū)。采區(qū)整體屬于單斜構(gòu)造，開采的9號煤層平均傾角10°，開采深度約650～700 m，為綜合機(jī)械化采煤，全垮落法管理頂板。煤層上方50 m范圍內(nèi)分別存在7.3 m的細(xì)粉砂巖（距煤層25 m）和9.8 m厚的中粒砂巖（距煤層45 m）。經(jīng)鑒定煤層及其頂板具有弱沖擊傾向性，集賢煤礦9煤沖擊傾向性評定相關(guān)參數(shù)見表2。集賢煤礦9煤頂板彎曲能量指數(shù)見表3。

表2 集賢煤礦9煤沖擊傾向性評定相關(guān)參數(shù)

表3 集賢煤礦9煤頂板彎曲能量指數(shù)

2013年3月11日，西二采區(qū)左一片工作面發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，造成工作面前方15 m范圍內(nèi)嚴(yán)重底鼓，上端頭3架防沖支架傾倒，煤壁炸幫明顯且在局部有頂板、煤層錯動摩擦現(xiàn)象，集賢煤礦西二采區(qū)左一片巷道沖擊圖如圖4。

圖4 集賢煤礦西二采區(qū)左一片巷道沖擊圖

4.2 集賢煤礦沖擊地壓機(jī)理分析

1）就集賢煤礦所處的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場而言，它處于索利崗背斜西翼、集賢向斜北翼的三角擠壓地帶。由于地區(qū)長期受到緯向構(gòu)造體系的南北向擠壓作用影響，產(chǎn)生北崗斷層將集賢向斜南翼抬起并逐漸風(fēng)化剝蝕掉，而北翼下降保存下來并形成單斜構(gòu)造。地層結(jié)構(gòu)總體為一走向近東西、向南傾斜的單斜構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)有3組主要斷裂構(gòu)造，分別為東西向的北崗斷裂，其斷裂面較陡并向南傾斜，落差在1 km以上，斷面擠壓破碎帶近100 m，為典型的左行平移逆沖斷層。北東向的集賢斷裂位井田的邊界斷層，斷層落差在74～190 m，區(qū)內(nèi)延展2 km。而北西向的而北西向的蘇家店-筆架山斷裂及新城鎮(zhèn)-東榮斷裂則是煤田內(nèi)主干斷裂，控制區(qū)內(nèi)其他斷裂的發(fā)育并派生出許多次級斷裂，在局部地段形成弧形構(gòu)造。此外，區(qū)內(nèi)局部因斷層切割發(fā)育有小型褶曲，地層傾角變化較大，一般在5°～25°之間。由此可見，較高的構(gòu)造擠壓應(yīng)力環(huán)境和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造分布為集賢煤礦沖擊地壓的發(fā)生提供了外部力源條件。

2）就其煤巖結(jié)構(gòu)特征而言，9煤層及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，屬典型的“硬頂-硬煤-硬底”的三硬結(jié)構(gòu)特性，在構(gòu)造應(yīng)力及采動應(yīng)力的作用下易于形成高應(yīng)力集中并積聚能量。同時，在9煤頂板及煤層之間存在軟弱薄層，其為煤巖結(jié)構(gòu)體在應(yīng)力作用下發(fā)生層間錯動提供了潤滑，增加了沖擊地壓發(fā)生的危險。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，沖擊后巷道頂板及煤層相對完整，頂板與煤層之間存在較大離層且沖出煤體表面附有灰白色的燃盡煤灰（推斷為頂板與煤層摩擦所致）可以得出，集賢煤礦沖擊地壓屬于構(gòu)造應(yīng)力影響下的結(jié)構(gòu)型沖擊地壓，具有明顯的結(jié)構(gòu)特性。

3）集賢煤礦西二采區(qū)整體處于區(qū)域單斜構(gòu)造之中，屬仰斜開采，上覆巖層的俯沖力不斷增強(qiáng)，使得煤層在構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力及采動應(yīng)力的多場應(yīng)力疊加作用下，積聚大量的能量。同時，由于西二采區(qū)煤層變化較大，呈波浪形分布，在煤層變化帶更易積聚構(gòu)造應(yīng)力，這些高應(yīng)力的存在使得煤層在開采之前就已發(fā)生錯動。此外，西二采區(qū)仰斜開采的支承壓力分布特點，也加速了煤巖結(jié)構(gòu)體的滑移失穩(wěn)，易于誘發(fā)沖擊地壓。

5 結(jié)論

1）集賢煤田整體呈北低南高的構(gòu)造形態(tài)，整體以遠(yuǎn)古界麻山群為基地成煤，由西向東煤層發(fā)育數(shù)量逐漸增多，以索倫崗背斜為界分布的東西2個礦區(qū)存在明顯的構(gòu)造差異。其中北東向區(qū)域構(gòu)造形成于成煤前期，北崗斷裂等形成于成煤后期。2個區(qū)內(nèi)均有小型巖墻或巖脈侵入，對煤系地層造成了一定破壞。

2）煤田是以水平應(yīng)為主的 σH>σh>σv型大地動力場，逆斷型應(yīng)力狀態(tài)，2個主應(yīng)力方向總體近似水平，最大主應(yīng)力方向平均為129.69°，總體趨于NW-SE方向。因受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動復(fù)合疊加作用的影響，最大、最小水平主應(yīng)力以及側(cè)壓系數(shù)雖整體表現(xiàn)為隨深度的增加而增大的趨勢，但數(shù)據(jù)分散性較大。

3）集賢煤礦所處的三角擠壓區(qū)域高應(yīng)力和礦區(qū)內(nèi)復(fù)雜的次級構(gòu)造為其沖擊地壓的發(fā)生提供了外部力源條件，9#煤層及頂?shù)装宓娜鯖_擊傾向性及其頂板煤層之間存在軟弱薄層的結(jié)構(gòu)特性為沖擊地壓的發(fā)生提供了結(jié)構(gòu)條件，而西二采區(qū)煤層波浪式的起伏以及仰斜式開采造成的應(yīng)力分布不均，為沖擊地壓的發(fā)生提供了應(yīng)力條件。