張 曉

（天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013）

基于地應力測量的地應力場研究

張 曉

（天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013）

分析了我國多個礦區(qū)的200多個測站的水壓致裂地應力測試數(shù)據(jù)，在測試數(shù)據(jù)的基礎上對典型礦區(qū)進行了地應力場研究，并對測試結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，得出了我國煤礦不同深度礦區(qū)的構(gòu)造應力場特征及水平主應力與垂直主應力的比值隨深度變化的規(guī)律，測量結(jié)果可為煤礦生產(chǎn)實踐提供重要的參考價值。

地應力測量;水壓致裂法;構(gòu)造應力場;水平主應力;垂直主應力

由于地應力場在空間上分布不均勻，受多種因素影響，很難用函數(shù)形式來表達應力場特征，只有通過現(xiàn)場實測，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析地應力分布規(guī)律才最為準確。

采用水壓致裂法在全國煤礦進行了200多個測站的地應力測試工作，測試范圍涵蓋了山西、山東、河南、安徽、甘肅、內(nèi)蒙6大省份的13大礦區(qū)。測量深度從淺部的神東礦區(qū) （最小埋深69.2m）到深部的新汶礦區(qū) （最大埋深1283m）;煤層條件從近水平煤層、傾斜煤層到急傾斜特厚煤層。地應力測量涵蓋了我國煤礦大部分條件，具有較好的代表性。

在大量實測數(shù)據(jù)的基礎上，分析了不同深度礦區(qū)地應力場分布特征與規(guī)律，這些研究成果不僅可直接用于采區(qū)設計、巷道支護等與地應力有關的工作中，而且對于分析我國煤礦礦區(qū)宏觀地應力場，甚至全國范圍內(nèi)的地應力場分布規(guī)律有一定的參考價值。

1 典型礦區(qū)地應力場研究

1.1 晉城礦區(qū)地應力測試結(jié)果與分析

晉城礦區(qū)由于受多期地質(zhì)構(gòu)造運動的影響，地應力場較為復雜。在晉城礦區(qū)共完成了10個煤礦的62個測站的地應力測量。

1.1.1 晉城礦區(qū)地應力場

由測試結(jié)果可見，晉城礦區(qū)地應力總體上以水平應力為主，構(gòu)造應力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應力場類型。進一步細分，在晉城礦區(qū)地應力場中，存在2種應力場:垂直主應力為中間主應力的有37個測站，占測站69%。大部分處于埋藏相對較深的井區(qū);垂直主應力為最小主應力的有20個測站，占測站32.3%。絕大部分處于埋藏深度相對較淺的井區(qū)?？梢姡瑫x城淺部礦區(qū)應力場中最小水平主應力為中間主應力，相對深部礦區(qū)中垂直主應力為中間主應力。

1.1.2 礦區(qū)主應力方向

晉城礦區(qū)最大水平主應力方向在東區(qū)主要集中在N19°W～N57°W，在西區(qū)主要集中在 N30.5°E～ N96.2°E。

晉城礦區(qū)由于受晉獲褶斷帶的影響，造成礦區(qū)東西部的最大水平主應力的差異較大。

1.2 深部礦區(qū)地應力測試結(jié)果分析

在深部礦區(qū)中，主要選擇了山東新汶、河南平頂山、安徽淮南3個礦區(qū)，進行了24個測站的地應力測量。其中新汶礦區(qū)，測站最大埋深達1283m，最小埋深也達到790m，屬于典型的深部礦井?；茨系V區(qū)測站最大埋深803m，最小埋深也達到655m。平頂山礦區(qū)6個測站中，最大埋深844m，最小埋深689.7m。

淮南礦區(qū)6個測站中，側(cè)壓比σH/σV最大為1.07，最小為0.74，側(cè)壓比 σH/σV＜1的有5個，占83%?？梢钥闯龌茨系V區(qū)整體上地應力以垂直應力為主，自重應力場占明顯優(yōu)勢，屬于典型的自重應力場類型。淮南礦區(qū)6個測站中最小主應力均為最小水平主應力。

平頂山礦區(qū)6個測站中，σH/σV均小于1，表明地應力以巖體自重形成的自重應力為主，應力場類型屬于自重應力場。

新汶礦區(qū)12個測站中，最大水平主應力大于垂直主應力的有8個測站，占總測站數(shù)的67%，礦區(qū)整體上地應力以水平應力為主，屬于構(gòu)造應力場類型。

雖然同是深部礦井，但3個礦區(qū)的應力場類型是不同的。新汶礦區(qū)由于受構(gòu)造運動的影響比較強烈，地質(zhì)構(gòu)造復雜，構(gòu)造應力對應力場起著控制作用，水平應力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應力場。而淮南、平頂山礦區(qū)受構(gòu)造運動影響相對較弱，以巖體自重為主的垂直主應力對應力場起著控制作用，屬于自重應力場類型。可見，即使在深部礦井，如受構(gòu)造運動影響較為嚴重，地應力仍可能會以水平應力為主，最大水平主應力仍可能為最大主應力，應力場類型呈現(xiàn)出構(gòu)造應力場的特征而非自重應力場的特征。

1.3 典型向斜煤田地應力測試結(jié)果分析

華亭礦區(qū)煤層分為急傾斜和緩傾斜兩部分，屬于典型的向斜構(gòu)造煤層。共布置了14個測站，分別對華亭礦區(qū)急傾斜和近水平煤層進行了2次地應力測量。測試結(jié)果如表1所示。

表1 華亭礦區(qū)地應力測試結(jié)果

測試結(jié)果表明:隨測站埋深增加，垂直主應力、水平主應力也有所增加，但水平主應力增大幅度遠遠大于垂直主應力的增加幅度，水平主應力的應力梯度遠遠大于其他礦區(qū)，實測表明向斜軸部是水平主應力集中的區(qū)域。

2 全國煤礦礦區(qū)地應力測試結(jié)果分析

在全國共完成了200多個測站的地應力測試工作，測試地點涵蓋了山西、山東、河南、安徽、甘肅、內(nèi)蒙6大省份，包括山西晉城、潞安、汾西、大同、平朔、陽泉、華晉，河南平頂山，安徽淮南，山東新汶，甘肅華亭，內(nèi)蒙平莊，神東等13大礦區(qū)。經(jīng)過分析這些測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)我國煤礦礦區(qū)地應力分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

2.1 地應力大小隨深度的變化關系

地應力與埋藏深度的關系如圖1。在埋藏深度小于600m的礦區(qū)，最大主應力值大部分在20MPa以內(nèi)，且分布比較集中，和埋藏深度的線性相關性也較好，最大、最小水平主應力絕大部分都分布在直線的附近。隨埋藏深度增加，地應力的3個主應力值也隨著增加。

圖1 全部測站地應力與深度的關系

在所有測點中，超過600m埋藏深度的測點絕大部分集中在新汶、淮南和平頂山3個深部礦區(qū)。由于新汶礦區(qū)所處位置受多期構(gòu)造運動影響，地質(zhì)構(gòu)造非常復雜，且近、現(xiàn)代構(gòu)造運動仍比較明顯，現(xiàn)代構(gòu)造運動對地應力的影響比較顯著。即使在千米深度上地應力仍然是水平主應力占絕對優(yōu)勢，礦區(qū)地應力場呈現(xiàn)出構(gòu)造應力場的特征。

而淮南、平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對比較簡單，受區(qū)域大的地質(zhì)構(gòu)造運動影響相對較小，近、現(xiàn)代構(gòu)造運動規(guī)模相對較小。隨著埋藏深度的增加，構(gòu)造應力在應力場中的優(yōu)勢逐漸削弱，自重應力的優(yōu)勢逐漸增大。因此，在埋藏深度超過600m后巖體自重引起的自重應力場逐漸占有相對優(yōu)勢，礦區(qū)地應力場呈現(xiàn)自重應力場的特征。

因此，對于不同礦區(qū)的應力場特征，不能簡單地根據(jù)礦區(qū)埋藏深度和傳統(tǒng)的觀點 （在淺部礦井以水平應力為主，在深部礦井以自重應力為主）而隨意判斷礦區(qū)應力場的類型，而應根據(jù)實測結(jié)果結(jié)合現(xiàn)今構(gòu)造運動的活躍程度來綜合分析某一區(qū)域的應力場特征。

2.2 最大水平主應力和垂直主應力的比值隨深度變化規(guī)律

最大水平主應力和垂直主應力的比值 （側(cè)壓比）隨深度變化規(guī)律如圖2。隨著深度增加，側(cè)壓比呈現(xiàn)減小的趨勢，并向1附近集中。對于受現(xiàn)今構(gòu)造運動影響比較大的礦區(qū)出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)的埋藏深度一般會比受現(xiàn)今構(gòu)造運動影響較弱的礦區(qū)出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)的埋藏深度要大一些，比如新汶礦區(qū)的要比平頂山和淮南礦區(qū)的靜水壓力深度要大。

圖2所示，在較淺部 （深度＜250m）時測站側(cè)壓比較大，其值在2左右波動，這些測站絕大部分位于較淺部的井區(qū)，可見對于淺部的井區(qū)地應力場中構(gòu)造應力的所占比重往往較大。

圖2 最大水平主應力和垂直主應力的比值隨深度的變化

在204個測站中，側(cè)壓比大于2.5的有3個，占1.5%;側(cè)壓比小于0.5的只有2個，占0.98%;側(cè)壓比大于0.5小于2.5的有199個測站，占97.5%，因此，我國沉積巖多數(shù)礦區(qū)中最大水平主應力和垂直主應力的比值 （側(cè)壓比）主要集中在0.5～2.5。

在204個測站中，最小水平主應力大于垂直主應力的 （即σH＞σh＞σV）有39個，其中埋深大于250m的測站有12個;埋深小于250m的有27個，占測站數(shù)的81.8%?？梢?，我國淺部礦區(qū)地應力狀態(tài)一般為，最小水平主應力往往大于垂直主應力，成為中間主應力，而垂直主應力成為最小主應力。

在204個測站中，σH＞σV＞σh的測站數(shù)有97個，其中埋藏深度處于250～600m的有74個，占側(cè)壓比大于1的測站數(shù)的76.3%;埋藏深度小于250m的有10個測站，占側(cè)壓比大于1的測站數(shù)的10.3%，因此，在我國中等埋深礦區(qū)地應力狀態(tài)一般處于σH＞σV＞σh的狀態(tài)。

埋藏深度大于600m的測站數(shù)共有24個，其中σH＞σV的測站有9個，占測站總數(shù)的37.5%，σV＞σH的測站有15個，占深部測站數(shù)的62.5%。對于埋深超過600m的礦區(qū) （受近現(xiàn)代構(gòu)造運動明顯影響的地區(qū)除外）地應力狀態(tài)一般為垂直主應力為最大主應力、最大水平主應力轉(zhuǎn)為中間主應力，最小水平主應力為最小主應力，即σV＞σH＞σh，但對于受近、現(xiàn)代構(gòu)造運動影響較大的地區(qū)超千米礦井地應力場仍可能為構(gòu)造應力場。

2.3 平均水平主應力和垂直主應力的比值隨深度變化關系

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，參照霍克－布朗世界范圍內(nèi)地應力分布規(guī)律的研究成果及分析方法，回歸分析所有測站平均水平主應力與垂直主應力的比值k隨深度H變化的規(guī)律:

霍克－布朗總結(jié)了世界范圍內(nèi)的地應力資料得出平均水平主應力與垂直主應力的比值關系:

比較 （1），（2）式可以看出，經(jīng)過回歸的平均水平主應力和垂直主應力的比值k與深度的關系與霍克－布朗形式一樣，但數(shù)值有所差異。

因此，我國煤礦常見的沉積巖中平均水平主應力和垂直主應力的比值k與深度的關系，不能簡單地套用霍克－布朗關系，可用式 （1）作為參考依據(jù)。該回歸曲線對于沉積巖區(qū)域地下工程設計，尤其是煤礦開采工程設計具有重要參考價值。

3 結(jié)束語

采用水壓致裂法在全國13大礦區(qū)進行了200多個測站的地應力測試，在測試數(shù)據(jù)的基礎上對典型礦區(qū)進行了地應力場研究，并對測試結(jié)果進行了分析，得出了我國煤礦不同深度礦區(qū)的構(gòu)造應力場特征及水平主應力與垂直主應力的比值隨深度變化的規(guī)律，這些寶貴的數(shù)據(jù)可為煤礦生產(chǎn)實踐提供重要的基礎數(shù)據(jù)。

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Research on Geo-stress Field Based on Geo-stress Survey

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

This paper analyzed geostress data by hydrofracture method from 200 survey stations in China.Geostress field of typical mining areas in China was researched on the basis of this.Characteristic of tectonic stress field and the rule that ratio of horizontal principal stress to vertical principal stress varied with mining deep was obtained by statistic results.The result could provide important reference for mining practice.

geostress survey;hydrofracture method;tectonic stress field;horizontal principal stress;vertical principal stress

TD311

A

1006-6225（2012）02-0023-03

2011－11－21

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃 （973）資助項目:深部煤炭資源賦存規(guī)律、開采地質(zhì)條件與精細探測基礎研究 （2006CB202200）

張 曉 （1979－），男，河南駐馬店人，碩士，工程師，從事地質(zhì)力學及巷道支護研究工作。

［責任編輯:姜鵬飛］