大型逆冲断层区域冲击地压频发地质原因分析

张万鹏，李松营，杨 培

(河南能源化工集团研究总院有限公司，河南 郑州 450046)

义马煤田位于河南省三门峡市，横跨义马和渑池两地，是河南省境内唯一开采中生代侏罗系煤层的煤田，面积100 km2，走向近东西，曾有6对生产矿井，5对井工矿和1个露天矿。5对井工矿井自西向东分别为杨村煤矿、耿村煤矿、千秋煤矿、跃进煤矿和常村煤矿，1个露天矿为北露天矿，受资源枯竭和煤炭去产能政策影响，北露天煤矿、杨村煤矿和跃进煤矿已相继关闭。

义马煤田冲击地压从20世纪八十年代开始显现，主要表现为响“煤炮”、巷道局部轻度变形、设备轻微位移等，由于没有影响正常生产，加之当时缺乏对冲击地压的认识，故未做记录。首次有记录的是千秋煤矿18152下巷掘进工作面在1998年9月3日所发生的冲击地压，事故造成2人死亡，1人受伤，工作面停产60天。之后，义马煤田中部5对矿井陆续出现冲击地压，不同程度地受到冲击地压威胁[1].近年来，义马煤田5对生产矿井均转入深部开采，最大开采深度已达1 060 m，距离大型义马逆冲断层(F16逆冲断层)越来越近，并开始越过该断层。随着采深的增加和开采强度的加大，义马煤田冲击地压灾害趋于严重。截至2019年底，义马煤田已累计发生有记录的较为明显的冲击地压110余次，直接、间接经济损失达数亿元，成为全国冲击地压危害最严重的矿区之一。针对义马煤田冲击地压灾害，国内科研院所、高校等开展了一系列科研工作，取得了科研成果，对义马煤田的冲击地压灾害防治工作起到了推动和示范作用，但以往研究多从开采条件方面着手，围绕义马煤田地质条件，尤其是义马煤田南部的F16大型逆冲断层与冲击地压灾害之间关系的研究相对较少。本文围绕义马煤田南部F16断层开展构造应力分析，研究义马煤田深部F16大型逆冲断层区域冲击地压频发的地质原因。

1 义马盆地和F1逆冲断层演化概述

义马盆地位于崤熊构造区西北部，发育在三角形的渑池义马断块之上，该断块被近东西向、北西向和北东向等三组断裂所围限，即东北部的岸上断层(走向北西)、西北部的扣门山断层(走向北东)和南部的硖石-义马断层(走向近东西)，硖石-义马断层又称为硖石-F16逆冲断层。这3条断层均为区域性断层，特别是南部的硖石-义马断裂和东北部的岸上断层，具长期活动历史，对义马煤盆地的形成和演化起了决定性的控制作用，义马盆地构造纲要图见图1.

图1 义马盆地构造纲要图

在三叠系地层沉积后抬升阶段，受印支运动影响，先期形成了硖石-南平泉逆冲断层组，并与岸上断层、扣门山断层共同组成了义马山间断陷盆地。硖石-南平泉逆冲断层组持续活动，燕山晚期更加剧烈。受其影响，中侏罗世豫西地区大面积隆起并伴随大规模的岩浆活动，在隆起的边缘地带发生重力扩展，同时伴有南部造山运动后期的伸展运动，产生由南向北的大规模挤压应力，从而导致义马盆地南部近东西向逆冲推覆构造的形成，盆地内近南北向张性、张扭性断层的产生。

硖石-义马逆冲推覆构造体系的形成过程是由南向北挤压的不断扩展过程，最先开始活动的应是硖石-南平泉断层以北一定范围内的二叠-三叠系地块。由于受硖石-南平泉逆冲断层活动影响和在由南向北的巨大挤压应力作用下，在硖石-南平泉逆冲断层北边岩层薄弱地带发生错动，形成断裂面，下伏地层沿着断裂面由下向上、由北向南发生不同程度的逆冲运动，形成硖石-F16逆冲断层组。先期形成的断裂面，多迁就地层的软弱面，以煤层和泥岩为主，会出现层间滑动，其次在砂岩-泥岩软硬岩石接触面。进一步的挤压作用又将引起硖石-南平泉逆冲断层与硖石-F16逆冲断层间二叠-三叠系地块中一系列次级逆断层的形成；

更进一步的挤压作用使硖石-F16逆冲断层以南的次级逆断层强烈活动，一方面造成各断层间的楔形块体挤压变薄；另一方面，在运动过程中由于速度不一，各楔形块体将发生扭动，从而使得原始地层产状发生变化。在F16断层以北的广大地区，挤压作用力的加强将造成被正断层切割开的地块沿着泥岩段泥岩层顶面向北作逆冲运动，从而开始大规模的逆冲滑移；同时，由于被正断层切割开的各地块逆冲运动的速度有差异，各地块之间的断层界面将由于断块差异运动而表现出扭性断层的特点，此时，早期形成的张性断裂转变成扭性，断层面上出现大量水平擦痕及挤碎的石英岩粉，由下部地层中向上贯入断层带中被揉搓形成的断层泥也属此时的产物。至此，义马逆冲推覆构造体系基本确立[2].

2 地面勘探和井下采掘揭露

F16断层(义马断层)为受南北挤压作用而形成的大型逆冲断层，延伸长度约45 km，水平断距20～1 080 m，最大垂直落差超过500 m，是义马煤田的主控构造，主要形成于燕山运动时期。F16断层走向近东西，大部分地段倾向南略偏东。断层倾角上陡下缓，即在中、上部的砂岩和砾岩等坚硬岩石段发生刚性断裂，断层面较陡，倾角多在70°以上；在底部煤层、泥岩等软弱岩段则以水平滑动为主，倾角逐渐变小，在转折端区域多在20°～30°，而在滑动区域断层倾角与煤层倾角完全一致，F16逆冲断层地质勘探和井下揭露剖面图见图2[3-4].

图2 F16逆冲断层地质勘探和井下揭露剖面图

3 F16断层区域应力场分析

地层的运动形成各种各样的地质构造，如断层、褶皱，在这些地区特别是深部岩层中某个点的应力(包括大小和方向)是自重应力场和构造应力场的综合叠加，其最大主应力的大小和方向，在多数情况下往往是由构造运动形成的应力所决定的。特别是临近背、向斜轴等构造线的部位，构造运动形成的应力场往往是最重要的[5-6].在国外一些开采深度较大的矿井中进行应力测量的结果发现，水平成因构造单元中的水平方向最大主应力可以比垂直应力高出3～5倍，达到自重应力值的8～10倍，甚至更大。在构造应力场的作用下，一方面形成新的断裂组合，同时对井下开采过程中的各种动力现象的发生起着决定性作用，构造应力是孕育冲击地压的主要动力环境因素之一。

义马向斜的狭长形态和F16断层的压扭性质与近东西走向均说明南北挤压作用构成义马煤田的主构造应力，其方向近SN[7].构造应力自北向南递增。正是南北向的强大推挤作用，导致断层上盘的下伏三叠系泥砂岩地层在煤田南部边缘区域能够叠置在中侏罗统义马组2-3煤之上，也使得三叠系地层呈现近直立、直立、甚至倒转的状态，还使得煤层在滑动区域严重薄化，甚至缺失，而在断层转折端煤层由于受到推挤、阻滞等作用而异常增厚，最厚达百米以上。也正是由于不均匀的南北向挤压作用，义马煤田内出现较多的近SN走向的正断层，义马煤田构造纲要图见图3.

一般认为，在构造应力作用下，岩石强度越高，完整性越好、应力的量级也越大。这是因为坚硬的高强度岩层往往能够在构造运动过程中吸收和集聚能量而且能够长时间地保存下来。相反，岩性松软或强度低的岩层，或强度虽高但已遭破坏的岩层，集聚能量的能力很弱，集聚的能量很容易在长时间流变过程中释放掉。这是在受构造影响的坚硬岩层或其相邻的岩层中开掘巷道，容易产生瓦斯或煤层突出、冲击地压等动力灾害事故的一个重要原因。义马煤田2煤组合并区域直接顶板一般为厚度20余米的泥岩；之上为马凹组地层，厚度0～253 m，平均166 m，煤田自西向东，碎屑颗粒由大到小从砾岩逐渐转变为泥砂岩互层；再向上为发育到地表或接近地表的最厚达700余米的巨厚砾岩层。煤层底板普遍发育有底砾岩，有的区域煤层与底砾岩直接相连。砾岩、砂岩比较坚硬，而煤层、煤矸互叠层、泥岩相对软弱。这种“两硬一软”的煤岩结构在造成坚硬顶板积聚弹性能的同时，煤体也将承受较大的挤压作用[8-9].

图3 义马煤田构造纲要图

4 数值模拟

为了研究义马煤田地应力分布与变化特征，特别是F16断层附近应力场，该研究采用FLAC3D数值模拟软件进行数值分析。数值计算几何模型根据义马煤田37地质勘探线剖面和义马煤田走向地质剖面线千秋矿段建立。模型南北宽约4 240 m、东西宽约1 800 m、高约1 700 m，网络剖分图见图4.

图4 网格剖分图

该次数值分析所建立的材料模型定义为弹性材料，模型边界条件设置为上表面自由，左右边界为应力边界，下边界为竖向约束边界，计算参数见表1.为了对千秋煤矿围岩地质力学状况做全面了解，天地科技股份有限公司与千秋煤矿合作，在已掘巷道中布置3个测站，采用水力压裂法进行现场地应力测试。各测点实测地应力结果见表2.因3号测点实测地应力最大，该次数值模拟将3号测点所测地应力，转换成三角形分布的围压作用于模型。

通过对比分析数值模拟结果和井下实测结果，可以看出，1、3号测站数值模拟结果与实测结果较为吻合，2号结果差别较大。主要因为2号测站煤层顶板为厚层状的泥岩，其节理、裂隙和破碎区域较为发育，局部延伸至顶板以上较深区域，导致其岩石力学参数较其它测站低，而数值模型中岩石力学参数的选取没有反应该变化。对比结果表明，将实测结果作为模型边界条件较为合理，数值计算模型可靠。

表1 计算参数表

表2 实测结果与计算结果对比表

数值计算结果见图5.由图5可知，义马煤田应力场类型为最大水平主应力σH>竖向应力σV>最小水平主应力σh.其中，竖向应力计算结果显示：最大竖向应力(其值约为-120 MPa)出现在F16断层转折端并高度集中；受义马向斜南北推挤，在F16断层核部，其变形受到极大阻碍，导致该处竖向应力高度集中。水平应力计算结果显示：南北向水平应力大于东西向；马凹组水平应力较大，超过其竖向应力；马凹组与F16断层交界处，水平应力高度集中；最大水平应力出现在F16断层核部。

在义马向斜南北推挤作用下，马凹组应力较为集中，越靠近F16断层，应力集中越明显；最大水平应力和竖向应力出现在义马向斜轴部F16断层拐点处，在该处，其变形受到极大阻碍，应力高度集中。

图5 数值计算结果图

5 F16断层区域冲击地压频发原因

构造应力分析和数值模拟结果均表明，义马煤田地应力为以南北向的水平应力为主，南北向的水平应力表现为巨大的南北挤压作用，在义马煤田南部边界造成坚硬岩层错断，沿煤层、煤矸互叠层等软弱面推覆滑动，煤层顶板坚硬岩层发生弯曲变形等，这也是义马盆地、义马向斜和F16逆冲断层形成的主要原因。F16逆冲断层叠置于义马向斜之上，位于向斜轴部区域，断层和向斜轴部区域坚硬岩层的弯曲变形积聚了大量弹性能，造成该区域应力集中。义马煤田煤岩结构属顶底板坚硬，煤层软弱的“两硬夹一软”的地层结构，F16逆冲断层和义马向斜轴部区域坚硬的顶底板岩层积聚了大量的弹性能，应力高度集中，易导致冲击地压的发生[10].南北挤压作用导致F16逆冲断层区域坚硬岩层的弯曲变形、应力集中，以及顶底板和煤层所组成的“两硬夹一软”的地层结构是导致冲击地压发生的重要因素，义马向斜轴部与靠近F16逆冲断层的轴部区域是发生冲击地压的高风险区域，义马煤田冲击地压事件与F16断层位置关系见图6.

图6 义马煤田冲击地压事件与F16断层位置关系图

6 结 论

义马煤田的主应力方向为南北向，南北向的水平应力导致义马向斜轴部和F16逆冲断层区域煤岩结构中坚硬岩层发生弯曲变形，积聚大量弹性能，地应力高度集中，加之煤岩层“两硬夹一软”的特殊地层结构，在采掘扰动作用下，煤层顶底板坚硬岩层中积聚的应力在煤层、煤矸互叠层等软弱结构中瞬间释放，导致义马煤田深部靠近F16逆冲断层和义马向斜轴部区域冲击地压事件频发。

冲击地压灾害是地质条件和开采条件共同作用的结果。其中，地质条件又是内在的、本质的、控制的因素，随着矿井采掘区域向深部延伸，部分回采工作面已临近甚至跨过F16逆冲断层，发生冲击地压的风险越来越高，受冲击地压灾害威胁也越来越严重，矿井应加强围绕F16逆冲断层等地质因素开展冲击地压灾害防治的研究和实践工作。