張 曉

（天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

基于地應(yīng)力測(cè)量的地應(yīng)力場(chǎng)研究

張 曉

（天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

分析了我國(guó)多個(gè)礦區(qū)的200多個(gè)測(cè)站的水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，在測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)典型礦區(qū)進(jìn)行了地應(yīng)力場(chǎng)研究，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了我國(guó)煤礦不同深度礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征及水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值隨深度變化的規(guī)律，測(cè)量結(jié)果可為煤礦生產(chǎn)實(shí)踐提供重要的參考價(jià)值。

地應(yīng)力測(cè)量;水壓致裂法;構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng);水平主應(yīng)力;垂直主應(yīng)力

由于地應(yīng)力場(chǎng)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(lái)表達(dá)應(yīng)力場(chǎng)特征，只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析地應(yīng)力分布規(guī)律才最為準(zhǔn)確。

采用水壓致裂法在全國(guó)煤礦進(jìn)行了200多個(gè)測(cè)站的地應(yīng)力測(cè)試工作，測(cè)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(cè)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(yīng)力測(cè)量涵蓋了我國(guó)煤礦大部分條件，具有較好的代表性。

在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了不同深度礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)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(shè)計(jì)、巷道支護(hù)等與地應(yīng)力有關(guān)的工作中，而且對(duì)于分析我國(guó)煤礦礦區(qū)宏觀地應(yīng)力場(chǎng)，甚至全國(guó)范圍內(nèi)的地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律有一定的參考價(jià)值。

1 典型礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)研究

1.1 晉城礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與分析

晉城礦區(qū)由于受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，地應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜。在晉城礦區(qū)共完成了10個(gè)煤礦的62個(gè)測(cè)站的地應(yīng)力測(cè)量。

1.1.1 晉城礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)

由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，晉城礦區(qū)地應(yīng)力總體上以水平應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。進(jìn)一步細(xì)分，在晉城礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)中，存在2種應(yīng)力場(chǎng):垂直主應(yīng)力為中間主應(yīng)力的有37個(gè)測(cè)站，占測(cè)站69%。大部分處于埋藏相對(duì)較深的井區(qū);垂直主應(yīng)力為最小主應(yīng)力的有20個(gè)測(cè)站，占測(cè)站32.3%。絕大部分處于埋藏深度相對(duì)較淺的井區(qū)?？梢?jiàn)，晉城淺部礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)中最小水平主應(yīng)力為中間主應(yīng)力，相對(duì)深部礦區(qū)中垂直主應(yīng)力為中間主應(yīng)力。

1.1.2 礦區(qū)主應(yīng)力方向

晉城礦區(qū)最大水平主應(yīng)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(yīng)力的差異較大。

1.2 深部礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)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(gè)礦區(qū)，進(jìn)行了24個(gè)測(cè)站的地應(yīng)力測(cè)量。其中新汶礦區(qū)，測(cè)站最大埋深達(dá)1283m，最小埋深也達(dá)到790m，屬于典型的深部礦井?；茨系V區(qū)測(cè)站最大埋深803m，最小埋深也達(dá)到655m。平頂山礦區(qū)6個(gè)測(cè)站中，最大埋深844m，最小埋深689.7m。

淮南礦區(qū)6個(gè)測(cè)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(gè)，占83%?？梢钥闯龌茨系V區(qū)整體上地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，自重應(yīng)力場(chǎng)占明顯優(yōu)勢(shì)，屬于典型的自重應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型?；茨系V區(qū)6個(gè)測(cè)站中最小主應(yīng)力均為最小水平主應(yīng)力。

平頂山礦區(qū)6個(gè)測(cè)站中，σH/σV均小于1，表明地應(yīng)力以巖體自重形成的自重應(yīng)力為主，應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型屬于自重應(yīng)力場(chǎng)。

新汶礦區(qū)12個(gè)測(cè)站中，最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的有8個(gè)測(cè)站，占總測(cè)站數(shù)的67%，礦區(qū)整體上地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。

雖然同是深部礦井，但3個(gè)礦區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型是不同的。新汶礦區(qū)由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響比較強(qiáng)烈，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)應(yīng)力場(chǎng)起著控制作用，水平應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。而淮南、平頂山礦區(qū)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響相對(duì)較弱，以巖體自重為主的垂直主應(yīng)力對(duì)應(yīng)力場(chǎng)起著控制作用，屬于自重應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。可見(jiàn)，即使在深部礦井，如受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較為嚴(yán)重，地應(yīng)力仍可能會(huì)以水平應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力仍可能為最大主應(yīng)力，應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型呈現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征而非自重應(yīng)力場(chǎng)的特征。

1.3 典型向斜煤田地應(yīng)力測(cè)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(gè)測(cè)站，分別對(duì)華亭礦區(qū)急傾斜和近水平煤層進(jìn)行了2次地應(yīng)力測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 華亭礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明:隨測(cè)站埋深增加，垂直主應(yīng)力、水平主應(yīng)力也有所增加，但水平主應(yīng)力增大幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直主應(yīng)力的增加幅度，水平主應(yīng)力的應(yīng)力梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他礦區(qū)，實(shí)測(cè)表明向斜軸部是水平主應(yīng)力集中的區(qū)域。

2 全國(guó)煤礦礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

在全國(guó)共完成了200多個(gè)測(cè)站的地應(yīng)力測(cè)試工作，測(cè)試地點(diǎn)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(yáng)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(guò)分析這些測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)煤礦礦區(qū)地應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

2.1 地應(yīng)力大小隨深度的變化關(guān)系

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

圖1 全部測(cè)站地應(yīng)力與深度的關(guān)系

在所有測(cè)點(diǎn)中，超過(guò)600m埋藏深度的測(cè)點(diǎn)絕大部分集中在新汶、淮南和平頂山3個(gè)深部礦區(qū)。由于新汶礦區(qū)所處位置受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，且近、現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)仍比較明顯，現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的影響比較顯著。即使在千米深度上地應(yīng)力仍然是水平主應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征。

而淮南、平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，受區(qū)域大的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響相對(duì)較小，近、現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)規(guī)模相對(duì)較小。隨著埋藏深度的增加，構(gòu)造應(yīng)力在應(yīng)力場(chǎng)中的優(yōu)勢(shì)逐漸削弱，自重應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)逐漸增大。因此，在埋藏深度超過(guò)600m后巖體自重引起的自重應(yīng)力場(chǎng)逐漸占有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)自重應(yīng)力場(chǎng)的特征。

因此，對(duì)于不同礦區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)特征，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)礦區(qū)埋藏深度和傳統(tǒng)的觀點(diǎn) （在淺部礦井以水平應(yīng)力為主，在深部礦井以自重應(yīng)力為主）而隨意判斷礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的類(lèi)型，而應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的活躍程度來(lái)綜合分析某一區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)特征。

2.2 最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值隨深度變化規(guī)律

最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)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(shì)，并向1附近集中。對(duì)于受現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(huì)比受現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(shí)測(cè)站側(cè)壓比較大，其值在2左右波動(dòng)，這些測(cè)站絕大部分位于較淺部的井區(qū)，可見(jiàn)對(duì)于淺部的井區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)中構(gòu)造應(yīng)力的所占比重往往較大。

圖2 最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值隨深度的變化

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

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

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

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

2.3 平均水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值隨深度變化關(guān)系

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參照霍克－布朗世界范圍內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律的研究成果及分析方法，回歸分析所有測(cè)站平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)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(yīng)力資料得出平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值關(guān)系:

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

因此，我國(guó)煤礦常見(jiàn)的沉積巖中平均水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值k與深度的關(guān)系，不能簡(jiǎn)單地套用霍克－布朗關(guān)系，可用式 （1）作為參考依據(jù)。該回歸曲線對(duì)于沉積巖區(qū)域地下工程設(shè)計(jì)，尤其是煤礦開(kāi)采工程設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用水壓致裂法在全國(guó)13大礦區(qū)進(jìn)行了200多個(gè)測(cè)站的地應(yīng)力測(cè)試，在測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)典型礦區(qū)進(jìn)行了地應(yīng)力場(chǎng)研究，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了我國(guó)煤礦不同深度礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征及水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)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(shí)踐提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］康紅普，林 健.我國(guó)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試技術(shù)新進(jìn)展［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2001（7）.

［2］張 曉.典型向斜構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究［J］.煤礦開(kāi)采，2011，16（4）:101－102.

［3］ Hubert MK， Willis DG.Mechanics of hydraulic fracturing ［J］ .Trans.AIME，1957，210（2）:154－160.

［4］劉允芳，等.水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量破裂準(zhǔn)則的探討 ［J］．長(zhǎng)江學(xué)院院報(bào)，1995，12（2）.

［5］張 曉.小孔徑水壓致裂三維地應(yīng)力測(cè)量及其應(yīng)用［A］.采礦工程學(xué)新論［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［6］張 曉.地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形和破壞影響的數(shù)值模擬分析［A］.采礦工程學(xué)新論 ［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［7］張 曉.晉城寺河礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)研究［A］.地下開(kāi)采現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐新進(jìn)展［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［8］康紅普，林 健，張 曉.巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)原位快速測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用［A］.地下開(kāi)采現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐新進(jìn)展［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［9］康紅普，林 健，張 曉.深部礦井地應(yīng)力測(cè)量方法研究與應(yīng)用 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（5）:929－933.

［10］王勝本，張 曉.煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力的關(guān)系 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008（10）.

［11］康紅普，姜鐵明，張 曉，等.晉城礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)研究及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（1）.

［12］ Kanghongpu，Zhangxiao，Silinpo.Study on in－situ stress distribution law in deep underground coal mining areas［A］ .2009年香港國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)論文集［C］.2009.

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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 （973）資助項(xiàng)目:深部煤炭資源賦存規(guī)律、開(kāi)采地質(zhì)條件與精細(xì)探測(cè)基礎(chǔ)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(xué)及巷道支護(hù)研究工作。

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］