第 38 卷第 1 期 煤　 　 炭　 　 学　 　 报 Vol. 38　 No. 1　

　 2013 年 1 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Jan. 　 2013　

　 　 文章编号:0253-9993(2013)01-0073-05

口泉断裂与同忻井田强矿压显现的关系

于　 斌1,2,陈　 蓥3,韩　 军3,刘锦荣1

(1． 大同煤矿集团有限责任公司,山西 大同　 037003;2． 中国矿业大学 矿业学院,江苏 徐州　 221008;3． 辽宁工程技术大学 矿业学院,辽宁

阜新　 123000)

摘　 要:通过对口泉断裂的几何学、运动学和动力学的分析,确定了口泉断裂的活动特征和应力状

态。 在此基础上利用 FLAC3D 数值计算方法分析了口泉断裂两侧地块煤岩体的构造应力空间分布

特征,并与同忻井田强矿压显现特征进行了对比分析。 研究表明:口泉断裂在区域构造应力作用下

活动性更强,更容易发生失稳;同忻井田位于口泉断裂活动性最强的中段,围岩及煤层中存在不均

匀的、较高的构造应力,聚集了相对较高的弹性能量,决定了矿山压力显现的区域性分布。 口泉断

裂是同忻井田产生强矿压显现的地质动力因素,对井田矿压显现具有重要影响。关键词:口泉断裂;活动性;地质动力环境;应力状态

中图分类号:TD323　 　 　 文献标志码:A

收稿日期:2012-10-27　 　 责任编辑:常　 琛　 　 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51104085);中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金资助项目(12kF04)　 　 作者简介:于　 斌(1962—),男,黑龙江海伦人,教授级高级工程师。 Tel:0352-7868878,E-mail:yubin0352@ 163． com

Study of the relationship between the Kouquan fault and strongground pressure in Tongxin Coal Mine

YU Bin1,2,CHEN Ying3,HAN Jun3,LIU Jin-rong1

(1． Datong Coal Mine Group Co. ,Ltd. ,Datong　 037003,China;2． China University of Mining and Technology,Xuzhou　 221008,China;3． School of Mines,Liaoning Technical University,Fuxin　 123000,China)

Abstract:The Kouquan fault is the east boundary fault of Datong mining area,and Level-3 tectonic unit boundary ofthe Yungang block depression and the new Sanggan River rift. Tongxin minefield adjoins it. Through the analysis of ge-ometry kinematics dynamics and activity characteristics,the stress state of the Kouquan fault is determined. On this ba-sis,applying the FLAC3D numerical calculation method,the tectonic stress space distribution features on both sides ofthe Kouquan faultwere analysed,and compared with the strata behavior characteristics of the Tongxin minefield. Re-search shows that the action of the Kouquan fault is more active and stronger under regional tectonic stress,and its in-stability is more likely to happen. Tongxin minefield is located in the middle of the strongest activity area of the Kou-quan fault. Surrounding rock and coal seams are asymmetrical and present higher tectonic stress,and gather relativelyhigh elastic energy,which determine regional distribution. The Kouquan fault is the geological dynamic factor for strongstrata behavior and controls the strata behavior of Tongxin minefield.Key words:Kouquan fault;activity;geodynamic environment;stress state

　 　 煤矿开采破坏了煤岩体中的原始应力平衡状态,在应力重新调整至平衡的过程中围岩产生了变形、移动和破坏。 大量的研究表明,在一定的地质条件下,采场围岩的应力分布、采场结构的形成和采场围岩变

形、破坏规律与地质构造有着密切的联系。 黄醒春等

研究表明复合断层的叠加扰动影响造成了原岩应力

状态的区域性非均匀分布,从而使巷道的稳定性具有

明显的区域差异[1]。 孟召平、李志华等认为断层导

致初始应力场发生变化,不同的推进方向、断层倾角、断层强度、断层落差、基本顶厚度和基本顶强度下,工作面支承压力有不同的变化规律[2-3]。 韦四江等研

究表明滑动构造作用下工作面超前支承压力峰值所

煤　 　 炭　 　 学　 　 报 2013 年第 38 卷

在位置比无构造时远得多,但应力集中系数较低,工作面前方的煤岩体破坏范围大[4-5]。 尹力明等指出

断层带及其影响范围内的岩体破碎,矿压显现表现为

周期断裂步距小,垮落带高,尤其是断层下盘,顶板稳

定性差[6]。 闫宪磊等采用 SOS 微震监测系统对断层

区域煤岩体内微震活动进行全时连续监测,并分析统

计在过断层期间微震活动发生的次数和能量释放的

变化规律,指出断层等弱面地质构造具有较高的不稳

定性[7]。 基于地质构造与矿压显现的关系,张宏伟

利用地质动力区划方法进行了活动断裂的划分与岩

体应力分析,确定了区域岩体应力分布规律,并对矿

井开采中的矿山压力显现做出了区域预测[8-10]。大同矿区是我国规划建设的晋北大型煤炭基地,

同忻煤矿是大同矿区重点建设的千万吨矿井之一。该矿在生产过程中矿压显现强烈,巷道变形严重,部分回采设备损坏,给矿井安全高效生产带来了诸多难

题。 本文通过对同忻井田东侧的口泉断裂运动特征、应力状态和动力学特征进行分析,确定口泉断裂对其

附近煤岩体应力状态的影响,阐明同忻井田矿压显现

的地质动力条件。

1　 同忻井田矿压显现

同忻煤矿位于大同矿区东北部,属大同向斜的东

翼,井田基本构造形态为一走向北东 10° ~50°、倾向北

西、东高西低的单斜构造。 地层倾角一般为 3° ~ 10°,东南及南部靠煤层露头处地层陡峭,倾角一般为 30° ~80°,局部直立、倒转,向西北方向变平缓。 井田东南部

边界毗邻口泉断裂,南部边界处发育一逆断层,落差较

大。 井田内断层稀少,仅发育有 2 条落差为 10 m 左右

的正断层,均沿北北东向展布。 大同矿区为侏罗系和

石炭-二叠系共存的双系煤田,同忻煤矿开采下部石炭

-二叠系的 6 个煤层,主采煤层 3 ~ 5 号煤层厚 0 ~35． 31 m,平均 15． 70 m,采用综放开采工艺。

开采 3 ~ 5 号煤层的综放工作面,工作面长

193 ~ 200 m,工作面走向长 1 670 ~ 1 740 m,采用一

进两回三巷布置,进、回风巷道均沿煤层底板布置,顶板抽瓦斯巷沿 3 ~ 5 号煤层顶板掘进,内错回风巷道

20 m,进、回风巷道规格:宽×高分别为 5． 3 m×3． 6 m,5． 3 m×3． 7 m。 基本顶为中细砂岩、含砾粗砂岩,直接顶为粗砂岩,底板为炭质泥岩。 相邻工作面之间留

有 45 m 宽的保护煤柱。 工作面机采高度 3． 9 m,使用 ZF15000 / 27． 5 / 42 液压支架,两巷超前使用单体支

柱配带 1． 2 m 长金属铰接顶梁进行支护。同忻井田在开采过程中矿压显现强烈。 8100 综

放工作面在 2011 年 3 月至 4 月期间出现了 4 次强矿

压显现,主要表现为:① 采空区顶板大面积垮落并伴

有响声;② 液压支架增阻明显、安全阀开启频繁、立柱破坏,前刮板输送机哑铃销断裂等;③ 巷道底臌和

片帮严重、顶板下沉量大、煤炮频繁;④ 超前压力影

响范围大(图 1)。

图 1　 8100 工作面进风巷道矿压显现

Fig． 1　 Ground press of headway of 8100 panel

在 8106 工作面回采过程中,其临近 8105 工作面

回风巷道巷压力显现强烈,出现混凝土喷层掉落、顶板下沉、巷道底臌(最大处约 1． 2 m)、顶板锚杆被拉

断等现象。 8107 工作面回采过程中,回风巷道顶板

下沉量达 0． 5 ~ 0． 6 m,底臌量达 1． 2 ~ 1． 5 m,帮鼓

0． 7 m,导致巷道断面高 1． 7 ~ 1． 8 m,宽 4． 6 m,严重

影响了巷道使用(图 2)。

图 2　 8107 工作面回风巷道矿压显现

Fig． 2　 Ground press of headway of 8107 panel

上述几个工作面的矿压监测结果表明,工作面矿

压显现较强,基本可以控制;监空巷道的矿压显现最

为强烈,控制难度极大。 初步分析矿压显现强烈的开

采因素:① 顶板坚硬不易垮落;② 监空巷道受相邻

采空区顶板活动未稳定的影响大。

2　 口泉断裂几何特征和动力状态

2． 1　 口泉断裂几何学特征

大同煤田为一轴向北东—南西的向斜构造盆地,位于华北断块内二级构造单元鄂尔多斯断块中的云冈

块坳。 煤田东侧为山西断陷带北部的桑干河新裂陷,

47

第 1 期 于　 斌等:口泉断裂与同忻井田强矿压显现的关系

口泉断裂是二者之间的界线。 同忻井田位于大同煤田

的东部,毗邻口泉断裂,位于口泉断裂西侧(图 3)。

图 3　 大同含煤盆地区域构造

Fig． 3　 Coal-bearing basin regional tectonic in Datong

口泉断裂作为云冈块坳和桑干河新裂陷两个三

级构造单元的界线,是地质学上一条非常重要的构造

单元界线和活动断裂。 口泉断裂北起大同市以北的

官屯堡附近,往 SW 经北羊坊、上皇庄、口泉、鹅毛口、小峪口、大峪口至上神泉,在甘庄转为近 SN 走向,继续向南在地上庄转向 SW,向西在神头转为近 EW 向

并止于峙峪,全长 160 km。 口泉断裂在断裂除南端

走向近 EW 外,总体走向 N35° ~ 55°E,倾向 SE,倾角

50° ~ 70°。 总体呈现南北不对称的“S”形空间展布

特征(图 3)。2． 2　 口泉断裂运动学特征

口泉断裂为一条全新世活动断裂,现今仍在活

动。 大同地震台于 1984 年建立了两处跨口泉断裂的

地形形变固定观测站,定期进行观测。 两处观测站的

观测结果都表明现今断裂仍继承地质时期的运动,即南东盘持续下降,北西盘持续上升 (图 4),1990—1998 年口泉断裂上盘下降的平均速率为 2． 36 mm /a[11]。 口泉断裂全新世活动段落长度约 120 km,其中

北起圣水沟南至鹅毛口中段,活动性最强[12-13]。 同

忻井田位于口泉断裂的最强活动地段。2． 3　 口泉断裂动力学特征

华北地区总体应力状况是北东东向挤压,在此应

力环境下,华北地区块体的运动以近东西向的移动为

主,因此,华北地区块体的东西向边界走向滑动较为

明显,南北向边界则主要表现为张性和压性边界。 张

跃刚等研究表明鄂尔多斯断块的相对运动速度为

3． 2 mm / a,山西断陷带的相对运动速度为 2． 2 mm /a[13]。 由于鄂尔多斯断块和山西断陷带的运动存在

速度差,导致鄂尔多斯块体和山西断陷带的之间边

图 4　 口泉断裂运动特征

Fig． 4　 Movement features of Kouquan fault

界———口泉断裂表现为压缩边界,即口泉断裂目前的

动力学状态属于压缩状态。为了进一步确定口泉断裂的应力状态,利用空芯

包体测量方法在口泉断裂附近的同忻井田内进行了

4 个地点的地应力测量工作。 测量结果见表 1[15]。通过测量可以确定口泉断裂是以水平压应力为主,最大主应力方位为 244°。 根据区域构造动力特征和地

应力测量结果,可以确定口泉断裂是在 NEE 方向构

造应力作用下处于压扭状态(图 5)。 根据岩石强度

理论,岩石在加载作用下破坏面法线与荷载轴线的夹

角 β = π4

± φ2,其中 φ 为岩石的内摩擦角。 在口泉断

裂中段,口泉断裂与区域最大主应力的夹角为 30°左右,因此在区域构造应力作用下活动性更强,更容易

发生失稳。

表 1　 地应力测量结果

Table 1　 In-situ measurement results

测量地点 主应力类别量值 /MPa

方位角 /( °)

倾角 /( °)

最大主应力 20． 96 245． 92 1． 368107 顶

中间主应力 13． 80 -29． 12 -74． 94回风巷

最小主应力 11． 60 156． 29 -15． 00

图 5　 口泉断裂全新世活动段落展布

Fig． 5　 Holocene active segment spread of Kouquan fault

3　 口泉断裂对同忻井田矿压显现的影响

同忻井田强矿压显现主要出现在井田东翼,已经

57

煤　 　 炭　 　 学　 　 报 2013 年第 38 卷

开采的 8100,8101,8106,8107 等工作面都出现了强

烈矿压显现。 通过矿压显现区域与口泉断裂的空间

关系来看,距离口泉断裂较近的开采区域,矿压显现

强烈,随着远离口泉断裂的区域,矿压显现相对趋缓

(图 6)。

图 6　 同忻井田矿压显现分布

Fig． 6　 Ground press distribution of Tongxin Mine

为了确定口泉断裂对同忻井田矿压显现的影响,利用 FLAC3D 软件分析口泉断裂两侧断块在水平挤

压作用下的应力状态。 模型左右边界施加位移边界,左边界施加方向向右的 0． 32 mm /时步的边界条件,即每计算 1 个时步左边界向右移动 0． 32 mm;模型右

边界施加方向向右的 0． 22 mm /时步的边界条件,即每计算 1 个时步右边界向右移动 0． 22 mm;模型底部

垂直方向位移限制,水平方向位移自由;模型上部为

自由边界。 计算模型如图 7 所示。

图 7　 物理模型及边界条件

Fig． 7　 Physical model and boundary conditions

图 8,9 为水平挤压情况下口泉断裂两侧岩体最

大主应力分布云图,由图可知,口泉断裂及其附近区

域形成了应力集中,且其西侧的云冈块坳岩体的应力

集中程度高于断裂东侧桑干河新断陷岩体的应力集

中程度,同样位于云冈块坳内的石炭二叠系煤层的应

力水平高于侏罗系煤层的应力水平,而且在侏罗系煤

层的上部岩体内存在应力降低区。大同煤田侏罗系煤层赋存标高在 + 1 100 ~

+1 300 m 之间,由于口泉断裂东侧没有地层约束,即存在自由边界,因此在受挤压的情况下通过自由边界

应力能够转移,使其具备弹性变形潜能释放的条件,因此在侏罗系煤田开采过程中矿压显现相对要平缓。位于+900 ~ +1 100 m 之间的同忻井田的石炭二叠系

图 8　 口泉断裂周围岩体最大主应力剖面图

Fig． 8　 Distribution of vertical maximum principal stress ofrock around Kouquan fault

图 9　 口泉断裂周围岩体最大主应力三维分布

Fig． 9　 3D distribution of maximum principal stress of rockaround Kouquan fault

煤体,由于受到口泉断裂东侧地层的约束,形成了弹

性变形潜能积聚的条件,当受到挤压时其能够积聚更

多的弹性潜能,因此在开采过程中围岩发生的失稳破

坏要比上部侏罗系煤层开采时的强烈。从应力计算结果可以分析得出,在口泉断裂附

近,应力集中程度很高,随着远离口泉断裂,应力集中

程度逐渐降低。 实际生产矿井的矿压显现情况也表

现出这一特点,同忻矿井是大同矿区几个开采石炭系

煤炭的矿井中距离口泉断裂最近的,同忻矿井的矿压

显现也是最强烈的。 在承受强烈挤压的构造带,围岩

及煤层中存在不均匀的、较高的构造应力,聚集了相

对较高的弹性能量,成为强矿压发生的基础条件,并决定了矿山压力显现的区域性分布。

在矿井开采时,需要根据井巷工程所处的不同构

造部位和地质动力条件,掌握井田岩体应力状态类型

和应力作用特征,从矿井设计、开采方法和工艺、巷道

布置和支护等方面等进行调整,合理有效地确定采场

布局和回采顺序、巷道断面及其支护形式和支护参

数,保障井巷工程的稳定性,实现安全高效生产。

4　 结　 　 论

(1) 口泉断裂是大同盆地东侧的一条重要的活

动断裂,同忻井田所在的断裂区域北西盘持续上升,南东盘桑干河新裂陷持续下降,井田位于口泉断裂的

67

第 1 期 于　 斌等:口泉断裂与同忻井田强矿压显现的关系

活动性最强的地段,具有复杂的地质动力条件。 口泉

断裂与区域最大主应力的夹角为 30°左右,在区域构

造应力作用下活动性更强,更容易发生失稳。(2) 口泉断裂及其附近区域形成了应力集中,其

西侧的云冈块坳岩体的应力集中程度高于断裂东侧

桑干河新断陷岩体的应力集中程度,位于云冈块坳内

的石炭二叠系煤层的应力水平高于侏罗系煤层的应

力水平。 同忻井田开发的石炭二叠系煤岩体具备弹

性变形潜能积聚条件。(3) 口泉断裂的存在使同忻井田具备了产生强

矿压显现的地质动力条件和应力条件,对同忻井田煤

岩及工程稳定性,特别是矿压显现具有重要影响。 因

此,对口泉断裂活动特征和开采的工程效应要进行深

入研究,在确定矿井巷道布置方式、回采工艺参数等

方面要充分考虑口泉断裂的影响,为矿井的安全生产

提供保障。

参考文献:

[1] 　 黄醒春,寇新建. 鹤壁六矿-300 m 水平地应力场与矿压显现特

征[J] . 矿冶工程,1999,19(2):20-23.Huang Xingchun,Kou Xinjian. Behaviors of ground pressure and ini-tial rock stress field at -300 m level of No. 6 Colliery of Hebi[ J] .Mining and Metallurgical Engineering,1999,19(2):20-23.

[2] 　 孟召平,彭苏萍,黎　 洪. 正断层附近煤的物理力学性质变化及

其对矿压分布的影响[J] . 煤炭学报,2001,26(6):561-565.Meng Zhaoping,Peng Suping,Li Hong. Influence of normal faults onthe physical and mechanical properties of coal and the distribution ofunderground pressure[ J] . Journal of China Coal Society,2001,26(6):561-565.

[3] 　 李志华,窦林名,陈国祥,等. 采动影响下断层冲击矿压危险性

研究[J] . 中国矿业大学学报,2010,39(4):490-495.Li Zhihua,Dou Linming,Chen Guoxiang,et al. The risk of fault in-duced rockburst during mining[ J] . Journal of China University ofMining & Technology,2010,39(4):490-495.

[4] 　 韦四江,支光辉,勾攀峰. 滑动构造下回采工作面异常矿压显现

规律模拟[J] . 西安科技大学学报,2010,30(4):402-405.Wei Sijiang,Zhi Guanghui,Gou Panfeng. Abnormal strata pressureof mining field under condition of gliding tectonics using numericalsimulation[J] . Journal of Xi’an University of Science and Technolo-gy,2010,30(4):402-405.

[5] 　 支光辉,韦四江,黄春光. 告成矿滑动构造顶板矿压观测研究

[J] . 矿冶工程,2011,31(3):22-25.Zhi Guanghui,Wei Sijiang,Huang Chunguang. Study on pressure ob-servation for roof of sliding structure in Gaocheng Coal Mine[ J] .Mining and Metallurgical Engineering,2011,31(3):22-25.

[6] 　 尹立明,郭惟嘉,尹增德. 断层影响下覆岩破坏规律研究[J] . 山东科技大学(自然科学版),2009,28(4):59-63.Yin Liming,Guo Weijia,Yin Zengde. Study on failure law of overla-ying strata under influence of faults[J] . Journal of Shandong Univer-sity of Science and Technology(Natural Science),2009,28(4):59-

63.[7] 　 闫宪磊,陈学华,闫宪洋. 综放工作面过断层期间微震规律分析

[J] . 煤炭学报,2011,36(S1):83-87.Yan Xianlei,Chen Xuahua,Yan Xianyang. Analysis on microseismiclaw when fully-mechanized coalface passed through fault[J] . Journalof China Coal Society,2011,36(S1):83-87.

[8] 　 张宏伟,马翼飞,段可信. 构造应力与矿区地震[J] . 辽宁工程技

术大学学报(自然科学版),1998,17(1):1-6.Zhang Hongwei, Ma Yifei, Duan Kexin. Tectonic stress and mineearthquakes[ J] . Journal of Liaoning Technical University ( Natu-ral Science Edition),1998,17(1):1-6.

[9] 　 张宏伟,邓智毅. 地质动力区划在岩体应力预测中的应用[ J] .安徽理工大学学报(自然科学版),2004,24(3):9-13.Zhang Hongwei,Deng Zhiyi. The application of geo-dynamic divisionin rock stress prediction[J] . Journal of Anhui University of Scienceand Technology(Natural Science),2004,24(3):9-13.

[10] 　 张宏伟,韩　 军,宋卫华,等. 地质动力区划[M]. 北京:煤炭工

业出版社,2009.Zhang Hongwei,Han Jun,Song Weihua,et al. Geodynamic division[M]. Beijing:China Coal Industry Publishing House,2009.

[11] 　 王秀文,郭星全,陈建国. 大同地震台水准形变异常调查与地震

关系的研究[J] . 华北地震科学,2004,22(1):18-22.Wang Xiuwen,Guo Xingquan,Chen Jianguo. Study on the relation-ship of the fixed leveling anomalies in Datong Seismostation withearthquakes[J] . North China Earthquake Sciences,2004,22(1):18-22.

[12] 　 王贞海. 口泉断裂带中段断裂组合特征及活动性研究[ J] . 山西建筑,2008,34(35):124-125.

[13] 　 张跃刚,胡新康. 华北地区块体及其边界的相对运动[J] . 大地

测量与地球动力学,2005,25(1):47-50.Zhang Yuegang,Hu Xinkang. Relative motion between plates andtheir boundaries in north China[J] . Crustal Deformation and Earth-quake,2005,25(1):47-50.

[14] 　 徐　 伟,刘旭东,张世民. 口泉断裂中段晚第四纪以来断错地貌

及滑动速率确定[J] . 地震地质,2011,33(2):335-344.Xu Wei,Liu Xudong,Zhang Shimin. Late quaternary faulted land-forms and determination of slip rates of the middle part of Kouquanfault[J] . Seismology and Geology,2011,33(2):335-344.

[15] 　 陈　 蓥. 同忻煤矿地质动力环境分析与矿压显现规律研究

[D]. 阜新:辽宁工程技术大学,2011.Chen Ying. Research on geo-dynamic environment and strata-pres-sure behavior of Tongxin Mine [ D]. Fuxin: Liaoning TechnicalUnivsrsity,2011.

77