鹤岗矿区地应力场分布规律及其对冲击地压影响研究

【摘要】：近年来,随着开采深度的增加,鹤岗矿区冲击地压形势进一步严峻,多次发生冲击地压事故,严重影响煤矿安全生产。而深部高地应力以及采动叠加应力形成的高应力场是造成冲击地压灾害的根本原因。本文以鹤岗矿区为研究对象,采用点-面结合分析法研究鹤岗矿区地应力场分布规律,首先运用地质力学理论研究鹤岗矿区地质构造演化规律,通过分析鹤岗矿区各冲击矿井地质构造特征,得到各矿井的构造应力场分布特征,从而得到鹤岗矿区构造应力场分布规律,其次运用现场测量的方式获得鹤岗矿区各地应力测点的实测值,验证构造应力场分析结果,并确定区域应力场分布规律。本文地应力测量采用超声波测试、岩体结构测试与空心包体应力解除法相结合的方法,通过超声波测试和岩体结构测试可确定地应力测孔的深度,保证空心包体安装位置在巷道围岩弹性区,并且安装位置岩体结构完整,提高了地应力测量的成功率和准确性。根据鹤岗矿区地质资料选取了8条代表性勘探线建立二维数值模型,在充分考虑地表标高、区域容重以及地应力随深度变化等因素的基础上进行数值模拟计算,从而获得各勘探剖面的应力分布特征,同时运用线性差分的方法获取了鹤岗矿区三个主采水平的最大水平主应力分布图。最后通过对鹤岗矿区冲击地压现状进行调查分析,得到了鹤岗矿区冲击地压特征。并以典型冲击地压发生工作面为地质原型,运用数值模拟的方法分析了地应力场方向、最大水平主应力、最小水平主应力对回采工作面超前区域能量场的影响,进而得到地应力对冲击地压影响的规律。根据能量准则和最小能量原理,提出了鹤岗矿区冲击地压区域危险性评价判据。基于地应力场分布规律研究结果,对鹤岗矿区进行了冲击地压危险区域划分,应用效果良好。本文研究成果可概括如下:1.鹤岗矿区现今构造应力场特征研究鹤岗矿区煤系地层共经历了5期构造活动,其中喜山晚期构造活动对矿区现今构造特征影响明显,在矿区内形成了北北西向短轴褶曲构造,北东东向张性张扭性断裂、北北西向压性断裂、北北东向压性断裂以及北东向平推断层。这些构造切割了鹤岗矿区内的其他构造,控制着鹤岗矿区现今构造应力场。鹤岗矿区现今构造应力场方向与喜山晚期构造应力场方向一致,为北东东-南西西向。同时南山矿区构造应力场受喜山中期构造活动影响,表现为北西-南东向。2.鹤岗矿区深部地应力测量通过围岩超声波测试和岩体结构测试,确定地应力测孔深度,保证空心包体应力计安装位置位于巷道围岩弹性区并且岩体结构完整,同时对地应力测试工具进行了改进,将原有定向器用以定向的圆盘改装为带有锥形头的圆筒,提高了应力解除法地应力测量的成功率。运用超声波测试、岩体结构测试以及空心包体应力解除法相结合的方法,对鹤岗矿区进行地应力测试,获得了24个测点的地应力实测值,分析可知:(1)鹤岗矿区地应力场为典型的构造应力场类型,最大主应力位于水平方向。(2)鹤岗矿区地应力场方向为北东东或近东西向,南山矿区地应力场方向为北西向,与构造应力场特征分析结果一致。(3)鹤岗矿区各测点的地应力值具有明显的区域性,各埋深水平最大水平主应力最大值和最小值相差10~20mpa。受区域构造影响较大。通过拟合分析可知,垂直应力与埋深高度相关,相关关系为正相关。鹤岗矿区平均容重为0.029kn/m3,略大于国际统计的平均容重值。(4)鹤岗矿区最大水平主应力与垂直应力的比值范围为1.3~2.2。最小水平主应力与垂直应力的比值范围为0.6~1.6。3.鹤岗矿区地应力场分布规律数值模拟研究根据鹤岗矿区地质资料选取了8条代表性勘探线,运用数值模拟分析方法研究了鹤岗矿区地应力场分布规律。(1)鹤岗矿区最大水平主应力受断层影响较大,断层尖灭区域、断层倾角、断层的组合分布以及岩层的组合分布特征对研究区域的最大水平主应力的分布特征有很大的干扰作用。断层尖灭的部位容易出现应力集中现象;断层倾角越大,水平应力释放区越大;在断层包围形成的闭合区域内,最大水平主应力小于闭合区域外的水平应力;当两个断层的尖灭部位距离较近时,容易在两个断层尖灭区域形成应力叠加,水平应力值远大于周围区域;当断层穿过不同的岩层时,其水平应力集中容易发生在较硬的岩层中,而且在岩层变化处应力集中更为强烈。(2)鹤岗矿区垂直应力在断层的影响下分布特征明显,垂直应力随着深度的增加而增加。垂直应力在断层尖灭部位变化极大,有明显的应力集中现象;断层上下盘垂直应力分布差异大,一般断层下盘的垂直应力大于上盘的垂直应力。(3)运用线性插值分析方法绘制鹤岗矿区-330、-450、-530三个开采水平的最大水平主应力等值线图。鹤岗矿区最大水平主应力具有明显的区域性,局部区域受断层影响应力值发生变化。矿区东部和西部区域最大水平主应力量值大于中部区域,中部区域多处出现应力减小区域。4.鹤岗矿区冲击地压特征分析通过分析鹤岗矿区巷道冲击地压和工作面冲击地压现状,可获得鹤岗矿区冲击地压特征。(1)巷道冲击地压:冲击范围集中在距掘进工作面50m范围内,释放能量范围为2.0×105j~1.07×108j,冲击地压发生时造成巷道断面缩小,支护体破坏,设备人员损失;(2)工作面冲击地压:冲击范围分布在工作面及上顺槽(回风道),回风道冲击范围为上出口位置至超前工作面110m,其释放能量范围为3.57×104j~9.12×109j。相对于巷道掘进冲击地压,其破坏更为严重。(3)鹤岗矿区冲击地压发生的原因可分为三类:地应力、煤岩体的物理力学性质以及生产技术条件。煤岩体的物理力学性质决定了煤岩体的冲击倾向性特性,地应力以及生产技术条件构成了煤岩体发生冲击的地压的条件,三方面因素的共同作用下导致了冲击地压的发生。5.鹤岗矿区地应力对冲击地压的影响以典型冲击地压发生工作面为地质原型,建立数值模型分析地应力场方向、最大水平主应力、最小水平主应力对冲击地压的影响。分析可知:(1)随着最大水平主应力方向与工作面推进方向的夹角的增大,工作面超前区域的能量峰值向煤层内部转移,能量集中区分布范围逐渐增大,夹角为70°~90°时,工作面超前区域能量峰值达到最大;(2)随着最大水平主应力与垂直应力的比值K1的增大,工作面超前区域的峰值能量随之增大,能量集中区域也随之增大;(3)最小水平应力与垂直应力的比值K2与工作面超前区域的能量集聚为正相关关系,其变化对工作面超前区域的能量分布影响小。6.鹤岗矿区冲击地压区域危险性评价根据能量准则及最小能量原理确定了鹤岗矿区冲击区域危险性评价判据,弱冲击倾向性煤层评价判据为:smin eminU?U?U安全区,min emin smin emaxU?U?U?U?U威胁区,smin emaxU?U?U危险区。强冲击倾向性煤层评价判据为:smin eminU?U?U威胁区,smin eminU?U?U危险区。其中Us为岩体动力破坏前所储存的总能量,Umin为岩体动力破坏所需要的最小能量,Uemin取为冲击地压发生时到达临空面的最小能量,Uemax为矿井冲击地压监测的预警能量值。根据该冲击地压区域危险性判据对鹤岗矿区进行冲击地压危险区域划区,已发生冲击地压有74.2%落在冲击地压危险区域内。该冲击地压区域危险性评价方法具有一定的合理性,同时说明在目前开采水平进行开采活动,地应力是鹤岗矿区冲击地压发生的一个重要因素。