張曉

（天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013）

典型向斜構造應力場研究

張曉

（天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013）

采用水壓致裂法在典型向斜構造礦區(qū)——甘肅華亭礦區(qū)進行了14個測站的地應力實測工作，測站布置在向斜軸部和翼部。根據(jù)實測結果分析了典型的向斜構造應力場變化特征;同時采用了FLAC3D模擬軟件分析了典型向斜構造應力場特征，實測結果與數(shù)值模擬結果均表明在向斜軸部是水平主應力最為集中的區(qū)域。

向斜構造;應力場;水壓致裂法;地應力測量;數(shù)值模擬

引起地應力的主要原因是重力作用和構造運動，其中尤以水平方向的構造運動對其形成及特點影響最大。巖體自重引起的自重應力場相對簡單，而形成構造應力場的因素則非常復雜，其在空間的分布極不均勻，且隨著時間的推移在不斷變化，屬于非穩(wěn)定的應力場。迄今為止，很難用函數(shù)形式來表達構造應力場，而只能通過實測得到比較準確的地應力值，然后基于實測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，尋找其分布與變化規(guī)律，用以指導工程實踐。

本文采用水壓致裂法在典型向斜構造礦區(qū)——甘肅華亭礦區(qū)進行了14個測站的地應力實測，兩組測站分別布置在向斜軸部和翼部，根據(jù)實測結果分析了向斜構造礦區(qū)地應力場特征。為比較測試結果與與理論分析一致性，本文采用FLAC3D模擬軟件分析了典型向斜構造應力場特征，實測結果與數(shù)值模擬結果均表明在向斜軸部和翼部應力場特征有很大差異，向斜軸部是水平主應力最為集中區(qū)域，實測結果與數(shù)值模擬結果有很好的一致性。

1 典型向斜礦區(qū)地應力場現(xiàn)場實測

甘肅華亭礦區(qū)賦存有我國煤礦典型的急傾斜特厚煤層。其煤層分為急傾斜和緩傾斜兩部分，整體屬于典型的向斜構造煤層。

采用水壓致裂法分別對華亭礦區(qū)急傾斜和緩傾斜煤層 （近水平煤層）進行了2次地應力測量。兩次測量共布置了14個測站，其中前4個測站位于向斜的翼部，后10個測站位于向斜的軸部。

實測結果表明:前4個測站最大水平主應力平均為12.81MPa，后10個測站最大水平主應力平均為23.20MPa，平均增大80%;前4個測站最小水平主應力平均為7.62MPa，后10個測站最小水平主應力平均為12.46MPa，平均增大64%。

前4個測站平均埋深462m，后10個測站平均埋深505m，雖然后10個測站埋深有所增加，垂直主應力也有所增加，但水平主應力增大幅度遠遠大于垂直主應力增加幅度，水平主應力增加的應力梯度遠遠大于其他礦區(qū)，說明在向斜軸部，最大、最小水平主應力急劇增大。實測表明“向斜軸部是水平主應力最為集中的區(qū)域”。這也是華亭礦井開采向斜煤層沖擊礦壓頻繁發(fā)生的重要原因之一。

地應力測量結果表明，華亭礦區(qū)14個測站中σH/σV＞1的有13個測站，占總測站的93%，說明礦區(qū)最大主應力為水平主應力，構造應力占有絕對優(yōu)勢，屬于典型的構造應力場類型。

2 向斜構造應力場的數(shù)值模擬分析

為了考慮向斜構造附近應力場的情況，建立物理模型:長×寬×高=60m×60m×12m，用來模擬水平地層巖層在受到水平擠壓力的作用下形成向斜的過程及向斜構造的應力場特征。邊界條件:模型左右邊界施加10MPa的水平壓應力，前后邊界施加8MPa的壓應力，在模型高8m處中間巖層施加向下5MPa的壓應力。模型上下表面為自由面，可以模擬在應力邊界條件下巖層的彎曲變形狀態(tài)。

當模型計算到1600步時向斜附近形成的應力場情況如圖1。

圖1 向斜附近應力分布特征

從圖1可以看出在向斜的軸部上部巖層出現(xiàn)垂直于向斜樞紐的壓應力集中區(qū)，在向斜的軸部底部巖層附近出現(xiàn)一定范圍的張應力集中區(qū)，在兩翼巖層應力集中現(xiàn)象不明顯，應力值遠小于同巖層的軸部巖層應力值。應力梯度在向斜翼部遠小于向斜軸部。數(shù)值模擬表明:向斜軸部是水平主應力最為集中的區(qū)域，這與實測結果有很好的一致性。

3 結束語

采用水壓致裂法在甘肅華亭礦區(qū)典型向斜煤田進行了14個測站的地應力測試，測試結果表明:在向斜軸部水平主應力增加的應力梯度遠遠大于垂直主應力增加的應力梯度，在向斜軸部最大、最小水平主應力急劇增大。向斜軸部水平主應力集中的程度遠大于向斜翼部水平主應力集中的程度，軸部是水平主應力最為集中的區(qū)域，數(shù)值模擬與實測結果有很好的一致性。向斜軸部水平主應力急劇增大，應力集中程度最高，很好地解釋了近幾年來華亭礦區(qū)開采近水平煤層 （向斜軸部）區(qū)域沖擊礦壓頻繁發(fā)生的根本原因。

［1］司林坡.全景鉆孔窺視儀在水壓致裂法地應力測試中的應用［J］.煤礦開采，2011，16（2）:97－101.

［2］劉允芳，劉元坤.水壓致裂法地應力測量若干問題的討論［J］.地震研究，1999，22（3）.

［3］陳桂忠，蔡美峰，于 波，等.對水壓致裂地應力測量資料的解釋［J］.中國礦業(yè)，1996（5）.

［4］康紅普，林 健.我國巷道圍巖地質(zhì)力學測試技術新進展［J］.煤炭科學技術，2001（7）.

［5］王建軍.應用水壓致裂法地應力測量的幾個問題［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（2）.

［6］］南存全，張文軍，張建華.礦區(qū)構造應力對井巷穩(wěn)定性的影響［J］.遼寧工程技術大學學報 （自然科學版），1998，17 （1）:7－9.

［7］王連杰，潘立宙，等.地應力測量及其在工程中的應用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1991.

［8］張 曉.小孔徑水壓致裂三維地應力測量及其應用［A］.采礦工程學新論［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［9］康紅普，林 健，張 曉.巷道圍巖地質(zhì)力學原位快速測試技術及其應用［A］.地下開采現(xiàn)代技術理論與實踐新進展［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［10］王勝本，張 曉.煤礦井下地質(zhì)構造與地應力的關系［J］.煤炭學報，2008（10）.

Research on Stress Field of Typical Syncline Tectonic

ZHANG Xiao

（Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

This paper applied hydro-fracturemethod to testing 14 points'geo-stress in typical syncline tectonic area.These points located at syncline axes and wings.On the basis of test results，stress field variation characteristic in typical syncline tectonic areawas analyzed.FLAC3D was applied to analyzing stress field characteristic of typical syncline tectonic.Test and simulation result showed that syncline axes was where horizontal principal stress concentrated.

syncline tectonic;stress field;hydro-fracturemethod;geo-stress test;numerical simulation

TD311

A

1006-6225（2011）04-0100-02

2011－05－26

天地科技股份有限公司科技發(fā)展基金 （青年技術創(chuàng)新）:基于地應力測量的煤礦區(qū)域應力場反演計算 （TZ－JJ－09－kd－03）

張 曉 （1979－），男，河南駐馬店人，碩士，工程師，從事地質(zhì)力學測試及巷道支護技術研究工作，任項目經(jīng)理。

［責任編輯:王興庫］