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晋城成庄煤矿区生产过程中瓦斯突出事件以及突水事件无一不受构造应力场的控制,开采过程中的稳定性或安全性不仅受控于现今应力场,同时也也受古构造应力场基本特征和发展演化这一先存边界条件的制约。本文在充分利用煤层厚度与项板底板标高,建立煤层相应的构造等高线图及空间位态的基础上,在精细大比例尺填图过程中,通过对节理系统研究,从节理的运动学研究入手,判别其构造期次与动力学特征(即不同时期的主应力方向),并根据断裂准则定量地计算出各期主应力大小,得到主应力迹线(主方向)及主应力大小所描绘的古构造应力场以及变形强度的变化趋势。根据古构造应力场的基本特征建立相应的构造模型对古构造应力场进行构造模拟,并选择采空区和关键地段加以验证,确证这一古构造应力场是可能的。最后结合宏观变形、解析计算和数值模拟结果,对矿区进行了安全性评价。本文取得的主要成果和基本认识如下:
1.根据断裂准则确定晋城成庄矿区存在三期古构造应力场。第一期构造应力场(D1):最大主应力σ1总体近东西向展布,最大值72.07Mpa,与之垂直的最小主应力σ3总体方向为南北向,最大值为11.8Mpa;第二期构造应力场(D2):最大主应力σ1方向总体为北北东向,最大值106.7Mpa,与之垂直的最小主应力σ3则为南东东向,最大值为11.8Mpa;第三期构造应力场(D3):最大主应力σ1方向为北西-南东向,最大值46.35Mpa,最小主应力σ3方向北东-南西向,最大值8.97Mpa。
2.根据矿区现今应力测量结果,矿区古、今应力值随时间总体呈先增后减的变化趋势。第一期至现今,σ1最大值的变化趋势是72.07→106.7→46.35→13.84 Mpa,σ3最大值的变化趋势则为11.8→31→8.97→6.48Mpa。
3.平面数值模拟显示在不同的边界条件和不同的加载力大小情况下再现了前两期构造应力场过程中只有在矩形边界条件下先东西向加载60Mpa,然后在此基础上在南北向再加载110Mpa较合理;三维数值模在先东西向加载60Mpa的情况下,再在南北向加载180Mpa才能基本满足地表剪节理及3#煤中已知剪节理的破裂实况。
4.根据古构造应力场模拟和先存构造条件将矿区的危险性分区分为东西向展布的三个带。其北带位于侯节-后河以及老家-陈庄-宝佛山一带,强度相对较小;中带主要分布在许村附近、司家山一疙套附近,强度相对较大;南带主要为稽庄-常坡-中街一带,强度相对较小;三个带分别以东部为强度较大区。
5.根据现今应力测量值和岩石力学参数,通过数学解析评价其稳定性发现:在均质岩石中(无先存构造的区域)属安全的,即抵抗岩石破坏的能力远大于现今的应力值,因此现今应力作用下不可能导致破坏而失去稳定性;但在强变形带若某区域没有走向为NW320°-NE50°的节理或断层则为安全区;若某区域存在NE0-50°或者SE130-180°走向的密集节理或断层,则该区域为可能的危险区,而如果节理或断层的走向为NE20-30°或SE150-160°则最有可能成为危险区。