大同煤田双系开采强矿压与地质动力环境关系研究

苏经纬,杨东辉,樊 聪,李 立,吕兆恒,程虹铭

(山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037003)

矿井动力灾害是一种严重的矿井煤岩系统动力失稳灾害,具有突发性强、破坏性大、机理复杂等特点[1]。实践表明,煤层开采越深,地质构造越复杂,发生矿井动力灾害的频率越大,破坏性也越强。目前普遍认为矿井动力灾害是在区域地质构造运动和开采扰动的共同作用下,局部煤岩体力学系统发生的剧烈动力失稳破坏现象,其动力源为地层动力运动过程中所聚积的弹性能。矿井动力灾害在时间、空间和强度上的差异主要取决于矿井的地质动力环境[2-4]。BATUGINA et al[5]最早从地球动力学的角度对冲击地压等煤岩动力灾害开展研究,并初步建立了地质动力区划分理论。张宏伟等[6]通过分析我国部分冲击地压矿区的地质构造条件、现代地壳运动以及浅源地震特征,提出了冲击地压地质动力条件的概念。韩军等[7]通过分析京西煤田新构造运动、构造应力场、地壳应变能等地质动力环境,利用构造反差强度对其进行定量评估,并探讨了煤岩体的破坏形式和应变能的释放条件。

断层、褶皱等地质构造发育的区域往往更容易孕育发生强矿压显现,甚至矿井动力灾害。宋卫华等[8]通过典型岩石的双剪摩擦试验,分析了北票矿区主要断层的滑动摩擦性状,采用多区域耦合有限元法对井田区域构造应力场进行了反演。李志华等[9]采用相似模拟和数值模拟手段系统地研究了采矿活动诱发断层滑移失稳规律,为断层强矿压的现场预测和防治提供一定的指导。许多学者在构造动力灾害发生机理和防治方法等方面取得了一定的研究成果,但由于矿井地质条件的复杂性,以及采掘扰动的不确定性,强矿压发生机理研究多集中在局部简化条件下的相似模拟试验和数值计算方面,较少涉及区域地质条件下的强矿压动力环境分析或现场实测研究。而强矿压动力源范围不仅局限于巷道或回采空间,而是远大于采掘空间尺度,因此需要结合宏观尺度对强矿压的地质动力环境进行研究。基于此,本文以大同煤田双系开采为工程背景,在分析矿井动力灾害特征的基础上,结合活动地块学说,从地块活动断裂、地层动力运动、构造应力场、地震活动规律等角度阐述大同煤田的地质动力环境及其对强矿压的影响。

1 大同煤田区域地质构造

大同煤田为一轴向NE不对称的开阔向斜构造盆地,长85 km,宽30～40 km,面积约1 739 km2,其区域构造位于华北断块内二级构造单元吕梁-太行断块中的云冈断坳(图1)。云冈断坳北部与内蒙古断块相邻,东部及南部与桑干河新裂陷为界,西北部与偏关-神池断坪接壤。同忻井田位于大同煤田的东北部,毗邻桑干河新裂陷,口泉断裂是二者间的分界线。同忻井田范围内双系煤层重叠率近100%,同忻矿开采3-5#石炭二叠系煤层,开采上覆侏罗系煤层的矿井自北向南依此为晋华宫矿、忻州窑矿、煤峪口矿、永定庄矿、同家梁矿(图2)。口泉断裂是大同煤田的主要边界断裂之一,全长160 km,除南端走向近EW外,总体走向NE35°～55°,倾向SE,倾角50°～70°,呈现南北不对称的“S”形空间展布特征。

大同煤田位于云冈断坳与桑干河新裂陷的交界,是地块构造变形的产物。自晚古生代形成大同煤田以来,在侏罗纪后期,经历了印支和燕山强烈的构造运动,煤田东部地质构造复杂,断裂及岩浆活动较多,地层陡峻;北部、西北部构造则相对简单,以单一向斜为主,断层、褶皱较少,整体属简单型构造煤田[10]。张跃刚等[11]研究表明,鄂尔多斯断块和山西断陷带在1992—1996年间表现为张性,1996—2001年间表现为压性,相对运动速率分别为3.2 mm/a、2.2 mm/a,且方向一致。由于运动存在速率差,导致两者之间的口泉断裂边界处于压缩状态,易于聚积能量,为强矿压发生提供了能量基础。大同地震台观测结果表明,口泉断裂在1990—1998年间上盘下降的平均速度为2.36 mm/a,至今南东盘仍持续下降,北西盘仍持续上升。应用震源位置和速度结构联合反演方法研究表明,口泉断裂中北段活动强而南北两端弱,其中北起圣水沟南至鹅毛口中段,活动性最强,可聚积较强的孕震或诱冲能量[12],忻州窑矿、同忻矿即位于口泉断裂的最强活动地段。

图1 大同煤田构造纲要图[13]Fig.1 The structural map of Datong coalfield

图2 同忻井田双系煤层布置图Fig.2 Layout of the dual-system coal seamsin Tongxin minefield

忻州窑矿位于大同煤田的东北部,井田中部构造较为复杂,东西两翼相对简单。其中,10 m以上落差断层4条,1～5 m的8条,小于1 m的近百条,向斜3个,不对称的忻州窑大向斜贯穿整个井田,背斜2个。据不完全统计,1981—2007年间矿井发生强矿压53次,2008—2011年间83次,2012—2016年间16次,主要发生在11～12#合并煤层,该层煤分叉合并较强烈,厚度0.80～13.02 m,平均7.5 m,普氏系数f=3.0～4.5;顶板普遍存在有10～35 m的厚层状整体砂岩,普氏系数f=8～16;底板存在2～5 m厚砂岩,属典型“三硬”开采条件。忻州窑矿西二11#层8935综放工作面发育5条断层,其走向与工作面倾向垂直或斜交。2011年工作面回采过程中发生15次强矿压,且集中在距断层360～230 m范围内,冲击能量2.0×104～2.2×106J,大部分为105J数量级。可知断层附近易导致局部应力叠加,在采动扰动下诱发坚硬顶板破断,从而产生强矿压。

同忻矿也位于大同煤田东北部,属大同向斜的东翼,井田为一走向NE10°～50°、倾向NW、西低东高的单斜构造形态。井田东南部毗邻口泉断裂,处于压缩状态的口泉断裂两侧聚积大量能量,形成了井田典型的地质动力环境。井田南部边界处发育一逆断层,落差较大。井田开采石炭-二叠系的6层煤,主采3～5#煤层厚0～35.31 m,平均15.70 m,埋深450 m,采用综放开采工艺。复杂的构造背景和坚硬顶板的弹性能量聚积,使同忻矿具备发生强矿压的地质动力条件。8107工作面回采过程中,回风巷道顶板下沉量达0.5～0.6 m,底鼓量达1.2～1.5 m,帮鼓量达0.7 m,导致巷道断面高1.7～1.8 m,宽4.6 m,严重影响了巷道的正常使用。

2 强矿压与活动断裂关系

前人研究[14-15]认为,中国大陆现代构造变形以地块运动为主要特征,主要强震大都发生在活动地块边界带上[16]。有史料以来,中国大陆共记录到6级以上(含6级)地震685次,其中8级以上特大地震18次,7～7.9级大地震118次,6～6.9级地震549次,不同级别地震中分布在边界带上的次数各占其总数的100%、86%、56%[17]。且各活动地块边界带运动变形的应变速率与地震活动应变能释放呈线性相关,即地块变动过程中应变和应变能积累的速率越大,地震活动水平就越高,可见,活动地块的运动变形对强震总体活动水平具有控制作用。

区域构造运动引起活动地块(煤岩体系统)中应力和能量的重新分布,当能量超过岩体材料破坏极限时,产生新的平衡状态。能量聚积往往容易发生在地壳的非连续变形地块,并在切割地壳浅层的活动断裂区域产生最强烈的非连续构造变形,从而诱发矿震、地震等动力灾害。据不完全统计,我国16个强矿压矿区的活动断裂及其特性见表1,活动地块边界及其活动断裂容易造成应力应变集中,导致构造应力方向、应力类型发生变化,成为强震、强矿压孕育发生的重要地带,区域地质动力环境为强矿压发生提供了所需能量。其中,口泉断裂对大同煤田强矿压的控制作用较为明显。

表1 部分强矿压矿区活动断裂及其特征Table 1 Active faults and their characteristics of mine fields with strong rock pressure

3 大同煤田构造应力场分析

3.1 地质模型

本文在分析大同区域地质构造的基础上,结合研究区的构造格架和地质体主要物性,采用有限元软件ANSYS对大同煤田双系煤层的构造应力场分布进行数值模拟,旨在为强矿压的区域预测提供指导。

建立地质模型时,采用二维平面模拟,不考虑垂向载荷,选用Plane183结构单元,假定正常岩体单元和断层带为均质弹性体,遵循摩尔库伦破坏准则。正常岩石力学参数由实验室测定[17],断层带内岩体力学性质与周围岩体相差较大,其弹性模量一般取正常地区的40%～70%,泊松比一般高出正常地区0.02。根据大同煤田主要地质构造特征,将侏罗系(埋深350 m)和石炭系煤层(埋深500 m)分别划分多个构造单元,各构造单元岩体力学参数如表2所示。根据李长洪等[18]对大同煤田地应力的实测结果(表3),确定模型的边界条件。由表3可知:侏罗系煤层σ1、σ3近水平,σ1方位角为324.9°～330.7°,σ1大小为12.05～12.95 MPa,σ3大小为5.83～7.14 MPa;石炭-二叠系煤层σ1方位角为244.4°,σ1大小为20.96 MPa,σ3大小为11.60 MPa。通过三角变换,侏罗系煤层东西边界施加11.9 MPa的载荷,南北边界施加14.1 MPa的载荷;石炭系煤层东西边界施加24.0 MPa的载荷,南北边界施加20.5 MPa的载荷。

表2 各构造单元岩体力学参数Table 2 Lithomechanic parameters of tectonic units

表3 大同煤田实测主应力结果[18]Table 3 Results of measured principal stress in Datong coalfield

3.2 构造应力场分布规律

图3显示了大同煤田等效应力(地应力)分布特征,双系煤层主要控煤构造不同,地应力分布差别明显。侏罗系煤层东北部主要受口泉断裂带和青磁窑断裂带的控制,西部主要受西南断层带的影响。石炭系煤层整体上受口泉断裂带影响显著。模拟结果显示:侏罗系煤层水平地应力主要在11.3～20.4 MPa之间,高地应力主要分布在断层边界和顶角(可以在图中标出断层或者在上部加一个模型图),数值在17.4～26.5 MPa之间,不作讨论。低地应力集中在西南部和东部断层发育的地区。石炭系煤层水平地应力主要在14.6～34.1 MPa之间,高地应力主要分布在口泉断裂中部边界附近,数值在29.2～43.8 MPa之间。

图3 大同煤田地应力分布云图Fig.3 Cloud map of ground stress distribution in Datong coalfield

双系煤层地应力分布均呈现四周向内部逐渐增大的趋势,总体上区块边界和断层拐点处应力较大,断裂带应力较小,且构造曲率越大,水平应力越小。说明地应力分布主要受地质构造分布的控制。石炭系煤层地应力整体上高于侏罗系煤层,主要是由于石炭系煤层埋深大于侏罗系煤层,煤层水平应力随埋深增大而有所增加。

3.3 构造主应力迹线方向

图4显示了大同煤田双系煤层局部区域最大主应力迹线分布特征,最大主应力以压应力为主,整体NW向展布,与研究区边界张拉方向存在一定夹角,局部地区差异性明显。侏罗系煤层总体上最大主应力方向以NNW为主,忻州窑矿和口泉断裂中上段最大主应力为NW和NNW向,与地应力实测结果一致。东部和南部局部区域由于受到口泉断裂带及煤层相变的影响,最大主应力转为NNE和NE向,且分布范围有限,对煤层总体应力分布影响不大。

(a)侏罗系煤层

(b)石炭系煤层

石炭系煤层总体上最大主应力方向以NE为主,同忻矿和煤层中部最大主应力均为NE向,南部区域由于受到口泉断裂带及其它断层带的影响,最大主应力转为NNW向,对煤层东部及南部应力分布影响较大。

结合地质动力环境分析,大同煤田水平挤压应力方向基本为NW,后期向NNW转动,是对燕山运动时期构造应力NW水平挤压应力的继承和发展。大量震源机制解结果显示[19-20],大同地区存在走向为NNE和NNW的两条地震节面,其中NNE向节面与大同盆地走向一致,另一条与其斜交。大同煤田现代构造应力场主压应力为NEE向,方位角30°～60°,仰角变化较大,在10°～60°之间,主张应力为NNW向,仰角较小。而采用有限元法模拟得出的大同煤田构造主应力迹线方向,不同于华北区域性NE向挤压的走滑型应力场,体现了构造应力场的分区性,但与实测地应力方向具有明显的一致性,且受口泉断裂带的控制和影响较为显著。

从煤层赋存上来讲,侏罗系煤层标高在+1 000～+1 100 m,石炭系在+800～+900 m或更深,层间距150～200 m,局部约130 m,而口泉断裂东侧地表标高在+1000～+1100 m。侏罗系煤层由于未受到口泉断裂东侧地层的约束,最大主应力方向发生了较大偏转,聚积的弹性能相对较低;石炭系煤层由于受到口泉断裂东侧地层的约束,聚积大量弹性能,导致水平主应力急剧增大,构造活动性明显增强,发生矿井动力失稳破坏的频率和强度显著增加。由此可见,口泉断裂NW伸展的正断型应力场控制着矿区“双系两硬”煤层开采的动力灾害。

4 大同煤田区域地震特征

4.1 区域地震分布

研究认为,地震多发生在构造应力作用复杂、强烈地区和应力区边界,其次在局部应力变化区和活动断裂带上[21]。大同煤田属于山西地震带的一部分,山西地震带是华北地震活动较强的地区之一。历史上大同煤田东侧的口泉断裂曾发生4次古地震事件,其中3次距今2.52、5.68、13.73 ka,另一次距今6.76～10.82 ka,平均间隔约3.74 ka,反映了口泉断裂可能具备准周期的强震活动。整理国家地震科学数据共享中心(http://data.earthquake.cn)大同煤田及其邻域(39.0°～40.5°N、112.0°～114.0°E)在1983—2022年间ML≥1.0级的地震记录(1983—2012年来源于中国地震台网地震目录,2013—2022年来源于中国地震台网统一地震目录),总计656次,其中ML≥3.0级地震216次,占总数的32.9%,ML≥5.0级地震7次,仅1989年便发生5次,最大为10月18日大同5.9级。通过ArcGIS平台对大同煤田区域地震目录和地貌图进行叠加,展现出地震活动和活动断裂的空间分布关系(图5)。六棱山北麓和大同煤田东北部地震分布较为密集,与复杂的地质构造呈现显著的正相关性。大同矿区典型动力灾害矿井忻州窑矿、煤峪口矿、同家梁矿、同忻矿等,均位于地质构造条件复杂的大同煤田东北部。可见地震活动性越强,构造运动就越剧烈。根据中国地震台网统一地震目录,大同煤田及其邻域在2009年1月1日—2022年12月31日共发生ML≥1.0级地震546次,其中天然地震占62.1%,塌陷型地震占30.0%,爆破型地震占7.3%,可知煤炭开采活动诱发地震占总数的将近一半,其中采空区顶板垮落极易诱发地震活动。图6显示了大同煤田区域地震时间分布具有一定的规律性,不同年度地震频发交替出现,主要集中在1988—1992、1998—2002和2013—2022三个时间段,最近10 a地震活动性呈现上升趋势,地质动力环境活跃程度也明显增强,为矿井动力灾害的发生提供能量基础。

历史上山西地震频发,且大部分强震发生在断陷盆地。大同煤田虽未发生过7级以上地震,但中小地震不断,且空间分布具有一定的规律性,主要发生在边界断裂和隐伏断裂带上。究其原因,主要是均匀区域构造应力场发生了局部应力变化。我国华北地区构造应力场总体上以NE向挤压走滑型为主,而山西断陷带以NW—NNW向拉张为主,大同煤田则以NW—NNW向挤压为主,与华北区域构造应力场相比,应力方向和结构类型发生了明显的变化。

图5 大同煤田及其邻域地震分布Fig.5 Earthquake distribution of Datong coalfield and its neighborhood

图6 大同煤田及其邻域年度地震次数统计Fig.6 The annual earthquake statistics of Datong coalfield and its neighborhood

4.2 地震应变积累-释放特征

大同煤田及其邻域地震资料比较完整,以1983年为起点,绘制该区域1983—2022年地震应变积累-释放曲线及M-t图(图7)。在1983—2022总计40 a大同煤田区域平均应变释放率ε=5.8×105J1/2/a,相当于每年释放0.41次5级地震,与华北地区平均应变释放率ε=5.9×106J1/2/a[22-24]相比,应变积累略低,地震活动性稍弱。图7(a)显示的应变积累释放曲线大致反应了一个平静活跃周期,从1989年开始经过5次5.0级以上地震和1991年1次5.8级地震,应变能释放基本完成,其应变值达到最低,而后应变能一直处于积累阶段。该区域至今应变值波动式增加,很快达到积累阶段峰值并释放出来,预测数年内地震活动性会明显增强,地质动力环境趋于活跃,矿井动力灾害逐渐增加。

(a)1983—2022年应变释放曲线

(b)1983—2022年M-t图

5 结论

1)矿井动力灾害的发生是区域地质构造运动和开采扰动共同作用的结果。活动地块边界及其活动断裂是强矿压孕育的动力学条件,区域地质动力环境为强矿压显现提供了所需能量。

2)大同煤田的构造作用以NW-NNW向的近水平压应力为主,侏罗系煤层水平地应力介于11.3～20.4 MPa,石炭系煤层地应力介于14.6～34.1 MPa,口泉断裂NW伸展的正断型应力场控制着矿区“双系两硬”煤层开采的动力灾害。

3)大同煤田地震活动具有明显的时空分布特征。空间上煤田东北部地震活动频繁,与复杂的地质构造呈现显著的正相关性;时间上不同年度地震频发交替出现,主要集中在1988—1992、1998—2002和2013—2022三个时间段,且最近10 a地震活动性呈现上升趋势。

4)大同煤田区域1983—2022年间应变释放率ε=5.8×105J1/2/a,相当于每年释放0.41次5级地震;区域应变能现今仍处于积累阶段,其应变值波动式增加,很快达到峰值并释放出来。预测数十年内地震活动性会明显增强,地质动力环境趋于活跃,矿井动力灾害逐渐增加。