京西煤田冲击地压的地质动力环境

韩 军,张宏伟,兰天伟,李 胜

(辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000)

京西煤田冲击地压的地质动力环境

韩 军,张宏伟,兰天伟,李 胜

(辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000)

为了确定京西煤田冲击地压灾害发生的地质动力环境,分析了京西煤田的地质构造、新构造运动、地应力场、地壳应变能,计算了京西煤田各矿井构造反差强度,定量评估了京西煤田的地质动力环境,讨论了京西煤田冲击地压的形成机制。研究表明,京西煤田属于现代地壳隆升区,新构造运动强烈;煤田最大主应力明显高于全国平均水平,且最大主应力与最小主应力的差别显著;京西煤田处于地壳高应变密度能区域,地壳积累了高的弹性应变能;京西构造凹地反差强度大于0.5,该区域具有发生冲击地压的地质动力环境,各矿井具有发生冲击地压的地质动力条件。京西煤田地质动力环境下的冲击地压是煤岩体在高构造应力条件下以块体整体突然破坏而快速释放能量的过程。

冲击地压;地质动力环境;应力场;构造凹地

冲击地压是岩石力学与采矿工程领域的重要研究课题。虽然国内外相关学者对冲击地压的发生机理存在不同意见,但普遍认为冲击地压是一个煤岩体变形与破坏、能量积聚与释放的力学过程[1-6]。И.М.佩图霍夫提出了冲击地压的力-能量理论,首次指出“煤-围岩”体系参与了冲击地压显现的概念,认为冲击地压的能量包括破坏煤体积蓄的能量和围岩弹性变形能,后者传达了冲击地压的动力信息[7-8]。И.М.巴图金娜等最早开展了从地球动力学的角度开展冲击地压等煤岩动力灾害研究工作,建立了地质动力区划理论[9]。张宏伟等通过对我国部分冲击地压矿区的区域构造条件、构造演化、现代地壳运动、区域浅源天然地震时空强特征等的分析,提出了冲击地压的地质动力条件的概念[10]。韩军等以海州立井冲击地压为实例从岩石力学系统的角度将冲击地压的机制问题划分为3个层次的系统,即地质构造-沉积建造系统、煤层-围岩系统和底板系统,分析了冲击地压的发生和显现过程中的非线性和层次性,指出地质构造-沉积建造系统是冲击地压发生的外在环境[11],以开滦矿区为例确定了冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害具有由开平向斜控制下的统一的构造应力环境[12]。宋佩德等指出高构造应力条件下,煤层及其顶底板围岩中的高水平应力为冲击地压的发生提供了力源条件,而在高地应力环境下所积聚的大量弹性应变能为冲击地压的发生提供了能量条件[13]。王存文等从构造形成机制的角度分析构造区的应力环境,认为断层、褶皱、相变等构造诱发冲击地压的机理为构造应力与采动应力叠加,向斜轴部、背斜轴部和翼部是冲击地压的易发区[14]。

冲击地压发生的动力源和所需的能量不仅局限于巷道或者回采工作面这一局部范围,参与冲击地压发生的岩体范围远大于采掘空间尺度。因此需要进一步从宏观尺度对冲击地压的地质动力环境进行研究。本文以京西煤田为例,从新构造运动、构造应力场、地壳应变能等角度分析京西煤田的地质动力环境,利用构造反差强度进行了地质动力环境的定量评估,并从地应力和煤岩体强度的角度分析了煤岩体的破坏形式和应变能量释放的条件,探讨了地应力在京西煤田冲击地压中的作用。

1 京西煤田区域构造特征

京西煤田大地构造位置处于中朝准地台褶带中段、华北断坳西北隅。自太古带以来,本区经历了多次构造变动和多阶段多旋回的地质构造演化。区域构造基本格架显示出早期的EW向或近EW向隆坳或褶皱断裂被后期的NE、NNE或近SN向褶皱断裂、断坳或断块所交切复合的特点。

京西煤田构造线总体走向呈NE—NEE向展布,由一系列相间排列的复式向斜、背斜组成。其中百花山、髻髻山—庙安岭、九龙山—香峪3个向斜呈雁行式排列,其基本特征是向斜宽缓而其间背斜紧密,在以褶皱构造为主的基础上发育有走向断裂构造。煤田南部发育有北岭向斜,其东被南大寨断裂切割(图1)。

图1 京西煤田地质构造略Fig.1 Geological structure sketchmap of western Beijing coalfield

2 京西煤田构造活动性特征

北京大多数地区属不稳定区,新构造运动持续不断。北京地区第四纪构造格局是在新近纪“二隆夹一凹”(京西隆起、大兴隆起和北京凹陷)的基础上发展起来的(图2)。京西煤田所处区域为京西地区。新生代以来京西地区处于强烈抬升状态,特别是中更新世后期开始,北京西山遂有加速上升趋势,在距今0.100～0.012Ma的晚更新世期间,山脉上升幅度和速度达到第四纪各阶段的最大值,其中山脉上升幅度达72 m,上升速度达0.82 mm/a。在0.012～0 Ma B.P.的全新世阶段,山体仍较强烈上升,其上升幅度一般为3～5 m,最大达8m;最大上升速度为0.66mm/a,第四纪山体总上升量可达300～450 m[15]。

图2 北京新构造运动略图Fig.2 Neo-tectonic movement sketch map ofwestern Beijing coalfield

京西地区现今构造活动性强,特别是一系列NWW向的盆地和断裂的分布与强震活动密切相关,构成了以燕山山脉隆起为背景、面对华北平原广大沉降带强烈活动的格局。从趋势上看,地壳形变受第四纪构造活动的控制。

现代地壳运动与地应力场密切相关,一般来说,现代隆起区内最大水平主应力(或剪应力值)较高,而沉降区内最大水平主应力(或剪应力)则较低。因此,京西地区的强烈隆起代表着该区域处于高构造应力应力状态,最大主应力要高于一般水平,这一点将在下面的地应力场分析中加以说明。

3 京西煤田构造应力场特征

利用空心包体地应力测量方法对京西煤田的长沟峪井田、大台井田、大安山井田、木城涧井田、门头沟井田进行了地应力测量,同时收集了门头沟井田的地应力测量结果[16]。京西煤田地应力测量点分布如图3所示,测量结果见表1。

图3 京西煤田地应力作用示意Fig.3 Sketch map of in situ stress ofwestern Beijing coalfield

表1 京西煤田地应力测量结果Table1 In-situ stressmeasurement results of western Beijing coalfield

京西煤田地应力测量结果表明,最大主应力方位为NE—EW。最大主应力与中间主应力的比值为1.18～2.29,平均值为1.63。平均水平应力与垂直应力的比值为0.84～1.60。最大主应力与最小主应力的比值为1.36～4.81,平均值为2.43。

赵德安、景锋等[17-18]统计分析了我国大量地应力测量数据,得出华北地区最大主应力与最小主应力比值的统计关系为

式中,σH为最大主应力;σh为最小主应力;h为深度。

图4为根据式(1),(2)计算得到的全国最大主应力及最大主应力与最小主应力比值和京西煤田的对比。图4(a)表明,京西煤田最大主应力远高于全国平均水平,特别是在-700 m深度以下,京西煤田的地应力更加显著。从图4(b)可以看出,京西煤田最大主应力与最小主应力的比值也明显高于全国平均水平,表明京西煤田煤岩体承受更为强烈的非均匀构造应力环境。

图4 京西煤田地应力与全国应力地应力对比Fig.4 In-situ stress comparison of Jingxicoalfield and all of China

4 京西煤田地壳应变能特征

根据弹性力学理论,单位体积内的弹性应变能W可以分解为体积变形的应变能WV和形状变化的应变能WF两部分。应变能密度特指形状变化的应变能及其密度[19]。

对于弹性体地壳应力与应变的关系可表示为

由弹性体地壳应力与应变的关系可得地壳应变能密度为

应变能密度DE的单位是J/m3。

由式(3),(4)推得应变能密度变化率公式为

式中,DE,εji,Θ分别为年应变能密度变化率、应变率及体膨胀率,DE的单位是J/(m3·a)。

应变能密度变化率是衡量地壳积累能量高低的重要指标,应变能密度变化率越大,地壳积累能量越高。地壳中积累的应变能是包括冲击地压、地震等地壳破裂释放能量的主要来源,是影响冲击地压和地震活动的重要因素。图5表明,京西煤田处于高应变能密度变化率地区,地壳积累能量高。因此京西煤田整体上具有发生冲击地压的能量条件。

图5 北京地区面应变能密度变化率Fig.5 Density of strain energy in Beijing

5 京西煤田地质动力环境评估

张宏伟、韩军等根据针对具有煤岩动力灾害矿区的地形地貌特征,提出了构造凹地的概念,即矿区两侧或四周为隆起区,中间为低凹区,二者具有一定的高程差,指出构造凹地具有较高的水平构造应力,且水平差应力显著[20-21]。建立了构造凹地的定量评价指标——构造反差强度及其计算方法

式中,C为构造凹地的反差强度;Δh为构造凹地最高与最低高程的差值,m;Δl为构造凹地的宽度,km。

京西煤田山脉绵延,山峰林立,由一系列北东—南西走向,并大致平行排列的褶皱山脉组成。该系列山脉由西北向东南依次排列为:百花山—清水尖—妙峰山山脉,九龙山—香山山脉。以山地整体为对象可以将京西煤田划分为中山带、低山带和山地沟谷河道。京西煤田所开发的各矿井,普遍处于低山带和山地沟谷地带,既处于构造凹地中(图6)。

图6 京西煤田三维地形Fig.6 3D topographymap ofwestern Beijing coalfield

根据构造反差强度的计算方法对京西煤田各矿井的构造反差强度计算表明,京西煤田7个构造凹地的C值都大于0.50(表2)。构造凹地反差强度从大到小依次为门头沟矿、木城涧矿、城子矿、大台井、大安山矿、长沟峪矿和房山矿。门头沟矿、城子矿、房山矿、长沟峪矿、大台井、木城涧矿、大安山矿都有冲击地压发生,其中尤以门头沟矿、房山矿、城子矿和大台井最为严重。大安山矿自1996年以来已多次发生震级较大的冲击地压。

表2 京西煤田构造凹地反差强度计算结果Tab le2 Contrast of tectonic concave of western Beijing coalfield

通常情况下,当构造反差强度大于0.50时,表明构造凹地具有发生冲击地压等动力灾害的动力条件。从京西煤田各井田构造反差强度计算结果来看,构造反差强度最小为房山矿(0.66),其次为长沟峪矿(0.67)、大安山矿(0.68),表明京西煤田各矿井冲击地压灾害都具备发生冲击地压灾害的动力条件。目前生产的矿井中,大台井、大安山矿、长沟峪矿等都具备发生严重冲击地压灾害的动力条件。

6 讨 论

地下开挖空间岩体破坏的形式可以分为2类,一类是重力作用下岩块沿结构面的冒落,另一类是高应力作用下岩体的破坏[22-24]。前者是在构造应力弱的条件下,岩体破坏沿结构面滑动与构造断块的冒落,构造块体本身并不会破坏,从过程上来讲相对缓慢,从释放能量的级别来看能量相对较低。后者是当构造应力很大时,构造块体本身被压坏的现象将占主导地位,这一过程属于弹性能量的突然猛烈释放。煤岩体在高构造应力条件下,无法实现沿构造非均质面的滑落而释放其弹性变形潜能,这种弹性变形潜能往往会以块体整体的突然破坏等较为强烈的方式释放,即发生冲击地压。对于采矿工程而言,需要事先判断煤岩体可能出现的破坏类型,以便在矿井开拓开采设计中采取相应的措施以应对可能出现的问题。

Martin提出了评估岩体破坏类型决策树模型(图7)[25]。在该模型中,将岩体分为软弱岩体(地质强度指标GSI＜30)和坚硬岩体(GSI＞40)。从该模型中可以得出,只有岩体GSI高于40,且岩体所受最大主应力σ1＞0.15σC时,岩体才会发生脆性破坏,冲击地压作为煤岩体发生的一种突然的、强烈的脆性破坏,也应该满足上述条件。

图7 地下开挖破坏类型的决策树模型[22]Fig.7 Decision tree of failure around underground openings[22]

采掘工程作为冲击地压地压的诱发因素,是因为其破坏了岩体的原始平衡状态,在煤岩体中出现了应力升高区域。Martin等利用最大切应力σmax作为开采引起应力集中的指标,其计算方法[23]如下:

式(7)表明,开采形成的应力集中程度与最大主应力和最小主应力有关,最大主应力越大且与最小主应力的差值越大,开采形成的应力集中程度越高,煤岩体发生破坏的可能性越大。京西煤田最大主应力与最小主应力差值大,采动应力集中程度高,煤岩体更容易发生破坏。

构造应力不仅影响岩体的破坏类型,同时也对其破坏后的释放能量大小具有重要影响。图8给出了最大切应力、岩体强度与能量释放之间关系[22]。岩体所承受的地应力水平越高,岩体最大切应力越高,其破坏后释放的能量越大,特别是当应力与岩体强度的比值大于2.5时,释放能量显著增加。冲击地压的显著特点是释放大量应变能量,因此高地应力是冲击地压发生的必要条件。

图8 岩体破坏释放应变能量危险[22]Fig.8 Strain energy release hazard of rock failure[22]

7 结 论

(1)京西煤田所处区域现代构造活动性强,现代地壳隆起幅度大,表明该区处于强烈的构造挤压区,具有形成高构造应力的构造动力环境。

(2)地应力测量表明京西煤田最大主应力明显高于全国平均水平,最大主应力与最小主应力的比值也高于全国平均水平,构造应力差(σ1/σ3)显著,这是京西煤田冲击地压发生的应力环境。

(3)京西煤田处于高应变能密度变化率地区,地壳积累能量高,形成了冲击地压煤岩体破裂释放能量的主要来源,因此其具有发生冲击地压的能量环境。

(4)京西煤田构造反差强度大于0.50,具有发生冲击地压的地质动力环境,各矿井冲击地压灾害都具备发生冲击地压灾害的地质动力条件。

(5)煤岩体在高构造应力条件下,无法实现沿构造非均质面的滑落而释放其弹性变形潜能,因而这种弹性变形潜能往往会以块体整体的突然破坏等较为强烈的形式释放,即发生冲击地压。

(6)冲击地压有其孕育的地质动力环境,在矿井开采前,应对矿井所处的地质动力环境进行评估,确定矿井是否具有发生冲击地压的地质动力条件。

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Geodynam ic environm ent of rockburst in western Beijing coalfield

HAN Jun,ZHANG Hong-wei,LAN Tian-wei,LISheng

(College ofMining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

To determine the rockburst’s geodynamic environment of western Beijing coalfield,analyzed geological structure,the neo-tectonic movement,stress field,crustal strain energy,calculated contrast of tectonic concave,assess of the geodynamic environment,and discussed the mechanism of rockburst.Research shows that western Beijing coalfield belongs to modern crustal uplift areas,the neo-tectonic movement is intensive;maximum principal stress is significantly higher than the average value,and the difference of maximum principal stress and minimum principal stress is significant;and the crustal strain energy density is higher than others because of high elastic strain energy.The contrast of tectonic concave is greater than 0.5,it shows thatwestern Beijing coalfield has the geodynamic condition of rock burst.The rockburst ofwestern Beijing coalfield is coal and rock sudden and rapid damage and release of energy as a whole block at high tectonic stress conditions.

rockburst;geodynamic environment;stress field;tectonic concave

煤矿科技规范名词与废弃名词比对(9)

TD324

A

0253-9993(2014)06-1056-07

韩 军,张宏伟,兰天伟,等.京西煤田冲击地压的地质动力环境[J].煤炭学报,2014,39(6):1056-1062.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1426

Han Jun,Zhang Hongwei,Lan Tianwei,et al.Geodynamic environment of rockburst in western Beijing coalfield[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1056-1062.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1426

2013-09-29 责任编辑:常 琛

国家自然科学基金资助项目(51104085);辽宁省自然科学基金资助项目(201204407);辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助项目(LJQ2013035)

韩 军(1980—),男,内蒙古临河人,副教授,博士。Tel:0418-3350473,E-mail:hanj_lntu@163.com