＊楊勇 張曉春 王強 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，隨著開采強度和深度的不斷增加，深部煤層所面臨的地質動力環(huán)境、巖體應力狀態(tài)與淺部資源開采相比存在明顯的不同，具有復雜的地質動力環(huán)境，地質構造復雜，地應力場多變的復雜格局，井田應力場分布極具復雜性和各項異性，地質動力環(huán)境與開采工程效應雙重作用，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)新構造運動、地殼及巖石圈結構、地震活動、地殼形變以及地應力等多方面資料的基礎上，建立了地質模型、計算機模型和應力場反演的判據(jù)，論證了地殼運動的深部過程。

本文采用的地質動力區(qū)劃方法是以板塊學說為基礎，通過地貌學、遙感學等一系列學科，劃分查明區(qū)域內的Ⅰ～Ⅴ活動斷塊圖[3]，這些斷塊構成了區(qū)域構造運動的格架，利用Ⅳ、Ⅴ斷塊圖建立模型，分析區(qū)域原巖應力狀態(tài)，從而為人類的工程活動提供地質環(huán)境信息和預測工程活動可能產(chǎn)生的地質動力效應[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、細砂巖，巖體質量為中等，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、細砂巖。首采區(qū)作為紅一煤礦首個規(guī)劃采區(qū)，共開采2個煤層，分別為4煤與5煤。4煤共規(guī)劃開采6個工作面，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.井田巖體應力分析

(1)巖體應力狀態(tài)分析步驟

①計算模型和網(wǎng)格劃分

地質動力區(qū)劃的方法是可以用來對紅一煤礦進行井田劃分，利用繪圖法查明了Ⅰ～Ⅴ級斷塊，利用紅一煤礦V級斷塊圖的地質構造模型。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)作為巖體應力分析的計算模型，模型尺寸小于井田范圍。計算紅一煤礦4煤層巖體應力計算模型長度為5.6km，寬度為2.4km，面積13.44km2。

②參數(shù)定義

A.地應力參數(shù)確定

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

B.巖體力學參數(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)計井田內地質勘探鉆孔臺賬數(shù)據(jù)，二是利用井下各類工程揭露的巖性數(shù)據(jù)進行補充。

C.斷裂影響范圍確定

斷裂帶力學參數(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。計算模型選取了Ⅳ、Ⅴ級斷裂，4煤層計算模型頂板巖性與斷裂選取的力學參數(shù)。

③應力計算

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

(2)4煤層巖體應力計算結果及應力分區(qū)

地質動力區(qū)劃團隊應用有限元方法，利用Fortran77語言和Microsoft Visual C++ 6.0開發(fā)了“巖體應力分析系統(tǒng)”，得到煤層的水平最大主應力值。應用Golden Software Surfer 7繪圖軟件，可對應力數(shù)據(jù)文件進行等值線的繪制，得到水平最大主應力值圖，同時根據(jù)應力區(qū)劃分規(guī)則，完成了井田內部區(qū)域的不同應力區(qū)的劃分。

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

①高應力區(qū)：井田內部劃分4個區(qū)域。A.位于計算模型北部，應力值為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.位于計算模型西部，應力值為22.5～29.0MPa，影響范圍0.23km2。C.位于計算模型中部，應力值為22.5～29.0MPa，V-4斷裂從其中穿過，影響范圍0.16km2。D.位于計算模型南部，應力值為22.5～29.0MPa，V-4斷裂從中間穿過，影響范圍是0.17km2。

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

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

3.巖體應力分析對工作面開采影響

(1)巖體應力特征對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，計劃回采時間為2022年7月—2023年4月（10個月），該工作面位于首采區(qū)三條上山北翼，設計采高1.6m，傾向長度為257m，走向長度為1829m。受4煤風氧化帶防水煤柱限制，工作面推進分為2個部分，第一部分初始工作面開切眼尺寸235m，推進834m；第二部分為調整切眼尺寸257m，推進995m。

①高應力區(qū)巷道穩(wěn)定性分析

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

建議紅一煤礦在進行首采工作面巷道支護參數(shù)設計時，對于處在高應力區(qū)內巷道，應適當加大巷道支護強度，采取增加錨桿（索）的直徑與長度，減小錨桿（索）間排距等技術措施。在進行巷道掘進時，應及時觀測巷道圍巖破碎、離層情況，在頂板煤巖強度低，條件較差區(qū)域，可調整巷道支護方式，采用圍巖注漿或架棚等多種聯(lián)合支護方式。

②應力梯度區(qū)巷道穩(wěn)定性分析

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

應力梯度區(qū)內煤巖體易受到地質構造（如斷層、褶曲等）等影響，在應力梯度區(qū)內的巖體，區(qū)域內巖體應力總體處于高水平，容易在巖體內部積聚彈性能，并且部分受壓較大的巖體已經(jīng)達到極限平衡狀態(tài)。

③低應力區(qū)巷道穩(wěn)定性分析

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

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

(2)應力分區(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490m，這490m范圍內，完全屬于高應力區(qū)；工作面推進490～1291m，這801m范圍，屬于高應力與應力梯度混合區(qū)；工作面推進1291～1350m，這59m范圍，完全屬于應力梯度區(qū)；工作面推進1350～1727m，這377m范圍，屬于應力梯度與低應力混合區(qū)；工作面推進1727～1829m（停采線），這102m范圍，屬于低應力區(qū)。

工作面在不同應力區(qū)開采時，礦壓顯現(xiàn)強度、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至490m：該范圍為工作面在高應力區(qū)內進行回采，在工作面未開采前，高應力區(qū)內煤巖體最大主應力最大就達到了26.5MPa。隨著工作面開采，受工作面超前支承壓力影響，應力值會持續(xù)增大，煤巖體受采動應力與原巖應力雙重影響，煤巖體會積聚較大能量，此時工作面易發(fā)生強礦壓及動載礦壓顯現(xiàn)情況。同時，工作面開切眼長度235m，預計工作面初次來壓、一次見方均會發(fā)生在高應力區(qū)內，工作面來壓強度大、持續(xù)時間長，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490～1291m：該范圍為工作面在高應力與應力梯度混合區(qū)內進行回采，此區(qū)域，煤巖體仍保持較高的應力水平，在采動應力的影響下，煤巖體積聚能量較高，造成工作面來壓強度大的情況。③工作面推進1291～1350m：該范圍為應力梯度區(qū)，原巖應力相比高應力區(qū)有所減小，應力梯度區(qū)應力狀態(tài)處于動態(tài)變化，也是工作面礦壓顯現(xiàn)強烈區(qū)域。

4.結論

（1）應用地質動力區(qū)劃團隊開發(fā)的“巖體應力狀態(tài)分析系統(tǒng)”，完成了紅一煤礦4煤層、5煤層的巖體應力狀態(tài)計算分析，確定了紅一煤礦井田巖體應力分布規(guī)律并劃分了不同的應力分區(qū)，分析了不同應力區(qū)的礦壓顯現(xiàn)特征。其中4煤層劃分了4個高應力區(qū)，5個應力梯度區(qū)，4個低應力區(qū)；5煤層劃分了3個高應力區(qū)，3個應力梯度區(qū)，3個低應力區(qū)。（2）4煤層設計首采區(qū)包含6個回采工作面，其中1150401、1150403、1150406工作面開采受應力影響較大，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工作面應力分區(qū)結果為自開切眼開始0～490m為高應力區(qū)，490～1291m為高應力與應力梯度混合區(qū)，1291～1350m為應力梯度區(qū)，1350～1727m為應力梯度與低應力混合區(qū)，1727m～停采線為低應力區(qū)。