劉泉聲，劉愷德

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

隨著人類對礦產(chǎn)需求量的日益增加，開采向深部發(fā)展是地下礦山的必然趨勢[1－3]。近年來，淮南礦區(qū)整體進入深部開采階段，各礦井開采深度普遍達到新的水平。其中，新莊孜礦達-812 m、謝橋礦-720 m、顧橋礦-780 m、潘三礦-812 m、望風崗礦-960 m等。與此同時，許多深部礦壓問題開始凸現(xiàn)，其中高地應力造成的巷道失穩(wěn)破壞、沖擊地壓，以及煤與瓦斯突出等問題尤為突出。而這些都與礦區(qū)深部煤巖體中的應力狀態(tài)息息相關[4－5]，煤巖體應力狀態(tài)主要取決于原巖應力、采動應力及其相互疊加，其中原巖應力的大小與方向?qū)鷰r應力分布有很大影響。因此，在淮南礦區(qū)深部進行地應力測量并分析地應力場分布特征，對礦井安全生產(chǎn)、圍巖穩(wěn)定控制以及瓦斯治理等具有重要的現(xiàn)實意義。

有關淮南礦區(qū)地應力場方面的研究，很多學者從不同角度出發(fā)做了大量有價值的工作。徐燕等[6－7]通過對淮南礦區(qū)地下應力狀態(tài)的探測，分析和探討了地應力與地震的關系，并對地震危險性做了較深入的研究。李文平[8]研究找到了一種由少量硬巖層實測地應力值估算礦區(qū)煤層及軟巖層地應力值的方法。孟召平等[9]從地質(zhì)條件入手，研究了淮南礦區(qū)地應力分布規(guī)律，探討了圓形硐室圍巖應力分布和不同側壓下煤層頂板穩(wěn)定性。彭向鋒等[10]、韓軍等[11－12]則通過對淮南礦區(qū)地應力的測量和分析，分別從工程地質(zhì)、煤與瓦斯突出角度總結了淮南礦區(qū)地應力場特點。

但已有的研究散而不聚，鮮見針對淮南礦區(qū)深部地應力場的系統(tǒng)研究，加之實測不足，資料匱乏，從而難以得到系統(tǒng)而全面反映礦區(qū)深部地應力場特征及其影響程度的結論。本文利用水壓致裂法和套孔應力解除法分別對淮南礦區(qū)-500～-1000 m深度范圍內(nèi)的多個代表性礦井進行了地應力實測，系統(tǒng)分析了礦區(qū)深部地應力場特征及規(guī)律，并結合構造運動進一步探討了礦區(qū)深部地應力場與地質(zhì)構造的關系。

2 淮南礦區(qū)地理與地質(zhì)簡況

淮南礦區(qū)位于安徽省淮南市中北部，東西長度為140 km，南北寬度為20～30 km，面積約3200 km2。構造位置處于華北板塊南緣，主體構造形跡為近EW向的對沖構造盆地（見圖1），南北兩側均為推覆沖斷構造構成的疊瓦扇，內(nèi)部則為一復式向斜構造[13－14]。復式向斜南北兩翼發(fā)育，顯示了由南向北的逆沖推覆作用，并構成了兩翼對沖的推覆構造格局。南翼的舜耕山斷層和阜（陽）－鳳（臺）斷層組成了舜耕山、八公山、劉莊由南向北的推覆體；北翼的上窯－明龍山－尚塘斷層組成了由北向南的滑覆體。在復式向斜內(nèi)部，走向逆斷層和 NNE向斜切正斷層發(fā)育，后者截切近EW向構造，主要有武店斷裂、新城口－長豐斷裂、陳橋－穎上斷裂、口孜集（西番樓）斷裂等，構成一組大致平行于郯廬斷裂且向西傾的階梯式構造。研究表明，淮南煤田的近EW向褶皺和斷層構造主要形成于印支期、燕山期，而部分 NNE向的正斷層多為新構造，形成于喜山期[13]。

圖1 淮南礦區(qū)構造及地應力測點分布示意圖Fig.1 Sketch of tectonics and measuring points distribution of in-situ stress in Huainan mining area

3 淮南礦區(qū)地應力測量與分析

3.1 測量方法

地應力測量方法有多種，這里針對淮南礦區(qū)不同礦井測點巖體完整性、堅硬性、裂隙發(fā)育程度等具體特點，分別采用水壓致裂法和套孔應力解除法對典型地段的地應力場進行了現(xiàn)場測試。對于巖體雖軟弱，但裂隙不發(fā)育，完整性較好的地段采用水壓致裂法。測點布置，除潘二礦-502 m水平鉆孔水平布置在回風巷幫部外，其余均布置在礦井巷道底板，鉆孔均為垂直孔，鉆孔深度為25～30 m，直徑為91 mm。鉆孔承壓段的封隔系統(tǒng)，采用輕型封隔器，總長約為3.4 m，膠筒長為1.2 m，座封后形成的液壓段長度為1 m。

對于巖體完整性較好、較堅硬，能夠取出長度達到或超過30 cm完整巖芯的地段，則采用套孔應力解除法。測量時，鉆孔深度根據(jù)巷道圍巖應力場的影響范圍確定，以終孔點不受巷道圍巖應力場的影響為準，由巷道跨度情況最終確定為25 m，鉆孔上傾角度為4°～7°，以便水流和清洗鉆孔。其測量元件為CKX-97型空心包體式鉆孔三向應變計，這種應變計是長江科學院對澳大利亞 CSIRO應變計經(jīng)過改進后研制的[15]。

3.2 測量及計算結果

對淮南礦區(qū)-500～-1000 m范圍內(nèi)12個礦井進行了現(xiàn)場地應力測試，總共測得19個有效測點的數(shù)據(jù)。其中采用水壓致裂法測點的測量結果見表1（表中，Z為測點埋深，σH為最大水平主應力，σh為最小水平主應力，σV為垂直主應力，σh,av為平均水平主應力，下同）。套孔應力解除法的測量及理論計算結果見表2、3。

表1 水壓致裂法地應力測量結果Table1 In-situ stress measurement results of hydraulic fracturing technique

表2 套孔應力解除法地應力測量結果Table2 In-situ stress measurement results of stress relief method by overcoring

表3 套孔應力解除法主應力計算結果Table3 Results of principal stresses of stress relief method by overcoring

需要說明的是：水壓致裂法地應力測量通常分為平面和三維應力測量[16]，本次采用的是平面應力測量。而套孔應力解除法為三維應力測量，從表 3可以看出，利用套孔應力解除法測量的7個測點的主應力計算結果中，除1、6兩個測點最大、最小主應力傾向接近水平，中間主應力傾向接近垂直外，其余測點最大、最小主應力傾向與水平，中間主應力傾向與垂直均有較大偏離。為了將兩種方法所得的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，結果均按表1、2中最大、最小水平主應力及垂直主應力進行分析。

3.3 地應力測量結果分析

分析淮南礦區(qū)19個地應力測點實測數(shù)據(jù)，可以看出，地應力分布呈現(xiàn)一定規(guī)律性。

3.3.1 礦區(qū)深部地應力場類型及量級

19個測點中，屬于 σH＞σV＞σh型的有 16個測點，占總測點數(shù)的 84.2%；屬于 σH＞σh＞σV型的測點有2個，占總測點的10.5%；屬于 σV＞σH＞σh型的測點有一個，占總測點的5.3%。由上可知，最大水平主應力σH大于垂直主應力σV的測點有18個，占總測點的 94.7%。因此，礦區(qū)深部地應力場總體上以水平應力為主，即構造應力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構造應力場類型，且總體應力場特征為σH＞σV＞σh。

19個測點中，18 MPa≤σH≤30 MPa的測點有16個，占總測點數(shù)的84.2%。根據(jù)地應力實測值的高地應力定量標準[17－18]，淮南礦區(qū)深部地應力狀態(tài)總體屬高地應力水平。

3.3.2 主應力值隨深度的變化關系

礦區(qū)深部-502 m～-985 m范圍內(nèi)各測點地應力隨深度的變化關系如圖2所示。隨測點深度的增加，最大、最小水平主應力總體上均呈增大的趨勢，但離散性明顯。根據(jù)地應力測量結果，結合鉆孔的地質(zhì)資料可以看出，在巖體完整性好、強度高的測點，其最大和最小水平主應力量值較巖體完整性差、強度低的測點的地應力量值為大。這一結果究竟是淮南礦區(qū)深部地應力賦存規(guī)律的體現(xiàn)，還是由于地應力測試分析過程中的誤差造成的，尚需進一步研究。從測試過程來看，在巖體完整性好、強度高的地點，無論是套孔應力解除法還是水壓致裂法實施起來都比較容易，測試結果的準確性更有保障；而在巖體完整性差、強度低的地點，兩種方法實施起來都比較困難，測試數(shù)據(jù)的準確性明顯降低，從而測試誤差更大。特別是，在巖體完整性差、強度低的地點，鉆孔周圍巖體已經(jīng)進入峰后的應變軟化狀態(tài)，這與兩種測試方法將巖體視為均質(zhì)各向同性線彈性體的假定相差甚遠。無論是套孔應力解除法在套孔解除應力過程中實測到的應變值，還是水壓致裂過程中測得的破裂應力，都比理想條件下的應變值和應力值明顯偏小，從而造成在巖體完整性差、強度低的地點得出的地應力測試值小于巖體完整性好、強度高的測點得出的地應力測試值。

利用最小二乘法進行回歸分析，并用R檢驗法對回歸曲線進行顯著性效果檢驗，即檢驗垂直主應力、水平主應力與埋深的線性相關性?；貧w分析可得到淮南礦區(qū)深部地應力與深度關系為

（1）垂直主應力

圖2 淮南礦區(qū)地應力與深度的關系Fig.2 Relationships between in-situ stresses and depth in Huainan mining area

對回歸曲線進行顯著性效果檢驗：樣本數(shù)量n=19，擬合的相關系數(shù)R=0.8570＞Ra=0.5487，α=0.01。表明測點垂直主應力隨深度的變化呈現(xiàn)較好的線性相關性。Brown和Hoek[19]通過研究世界各地116個現(xiàn)場地應力測量數(shù)據(jù)得出的關系為

式（1）、（2）相比可知，當 500 m≤Z≤1000 m時，由Brown和Hoek得到的關系，垂直應力量值從13.5 MPa增加到27.0 MPa，而式（1）表明，淮南礦區(qū)深部垂直應力是從12.3 MPa增加到22.7 MPa，二者相差約1.2～4.3 MPa，隨深度增加回歸曲線的梯度小于Hoek-Brown曲線。

（2）最大水平主應力

相關系數(shù)R=0.5510＞Ra=0.5487，α=0.01。說明最大水平主應力和深度的關系雖有一定的線性相關性，但離散性較大。

由圖2可知，最小水平主應力與深度關系離散性更大，沒有明顯的相關性。

3.3.3 側壓系數(shù)λ隨測點深度的變化關系

側壓系數(shù)λ為最大水平主應力與垂直主應力的比值，其隨深度的變化關系（見圖3）為

相關系數(shù)R=0.6620＞Ra=0.5487，α=0.01。說明λ隨測點深度的變化有一定的線性相關性。顯然，隨測點深度的增加λ呈減小趨勢。

淮南礦區(qū)深部19個測點的λ為0.85～1.81。其中λ≤1.0的測點有 1個，占測點總數(shù)的 5.26%；λ＞1.0的測點數(shù)為18，占總數(shù)的94.74%。由此亦可知測區(qū)應力場以構造應力場為主。同時發(fā)現(xiàn)，在λ＞1.0的測點中，1.0＜λ≤1.2的測點有14個，占測點總數(shù)的73.68%；1.2＜λ≤1.81的測點有4個，占測點總數(shù)的21.05%?？梢?，隨深度的增加側壓系數(shù)有接近1.0的趨勢。根據(jù)彭向峰等[10]對原巖應力場宏觀類型的劃分，可以發(fā)現(xiàn)淮南礦區(qū)深部-500～-1000 m范圍內(nèi)，地應力場為大地動應力場型，但隨著深度的增加，有逐漸向準靜水壓力場型過渡的趨勢。

圖3 側壓系數(shù)λ與深度的關系Fig.3 Relationship between lateral pressure coefficient λ and depth

3.3.4 側壓比κ隨測點深度的變化規(guī)律

側壓比κ是平均水平主應力與垂直主應力的比值，而平均水平主應力為最大水平主應力與最小水平主應力之和的平均值。即

由19個測點的實測數(shù)據(jù)可知，κ的變化范圍為0.78～1.41，κ隨深度的變化關系（見圖4）為

圖4 側壓比κ與深度的關系Fig.4 Relationship between lateral pressure ratio κ and depth

回歸相關系數(shù)R=0.6672＞Ra=0.5487，α=0.01。故側壓比κ隨測點深度的變化有一定的線性相關性。顯見，隨測點深度的增加側壓比κ呈減小趨勢。

同時，參照Brown和Hoek對世界范圍內(nèi)地應力分布規(guī)律的研究成果及分析方法[19－20]，再次回歸分析淮南礦區(qū)深部地應力測點側壓比κ隨深度變化的規(guī)律。

考察式（5）的定義，令

式中：a、b均為待定常數(shù)，則有

可見，κ與深度的倒數(shù)呈線性關系[16,21]。將實測數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸分析可得：a=456.7，b=0.339，R=0.721。于是可得側壓比κ隨深度變化的關系曲線（見圖5）為

同式（6）相比，式（9）所表示的κ隨深度變化的關系曲線相關性更高（R=0.721＞0.67＞Ra=0.5487，α=0.01），所表示的κ與深度的關系更可靠。

圖5中，同時繪制出了Hoek-Brown研究世界范圍內(nèi)有關地應力測量數(shù)據(jù)后，得到的側壓比κ隨深度變化的關系曲線[20]，即

以及內(nèi)外包線的曲線：

圖5 淮南礦區(qū)側壓比κ 隨深度變化曲線及Hoek-Brown曲線Fig.5 Lateral pressure ratio κ curves varying with depth in Huainan mining area and Hoek-Brown curves

由圖 5可以看出：在淮南礦區(qū)深部-500～-1000 m范圍內(nèi)，側壓比κ隨深度的變化曲線處于Hoek-Brown內(nèi)外包線帶內(nèi)，即包含于式（11）表示的 Hoek-Brown側壓比范圍之內(nèi)，且變化趨勢與Hoek-Brown側壓比中值線相似；但礦區(qū)深部側壓比曲線在Hoek-Brown側壓比中值線之外，換言之，在相同深度時淮南礦區(qū)深部側壓比小于 Hoek-Brown中值線側壓比。

研究發(fā)現(xiàn)，Hoek-Brown曲線是對世界范圍內(nèi)地應力分布規(guī)律的總結，而地應力分布具有很強的地區(qū)性，不僅與特定區(qū)域的巖性有關，而且受到區(qū)域構造運動的影響很大。淮南礦區(qū)深部地應力場的這一分布規(guī)律在一定程度上是對礦區(qū)深部巖性及歷史和現(xiàn)今構造運動特征的反映。

3.3.5 最大、最小水平主應力的關系

如圖6所示，最大水平主應力與最小水平主應力的比值范圍為1.12～2.02，其中68.42%的測點分布在1.67～2.02之間，上下相差不大。根據(jù)巖石力學理論，最大剪應力是最大、最小主應力差值的1/2，而巖體的破壞通常是由剪切破壞引起的。因此，該值在相當程度上反映了礦區(qū)深部圍巖穩(wěn)定性。

圖6 最大水平主應力與最小水平主應力的比值Fig.6 The ratio of maximum to minor horizontal principal stresses varying with depth

3.3.6 最大水平主應力作用方位

如圖7所示，由實測數(shù)據(jù)繪制的玫瑰圖可知，礦區(qū)測點的最大水平主應力方位在NE和NW向均有所顯示，但最優(yōu)勢方位為NEE接近EW向。

圖7 最大水平主應力方位玫瑰圖Fig.7 Rose diagram for the orientation of maximum horizontal principal stress

4 地應力與地質(zhì)構造的關系分析

褶皺、斷層、節(jié)理等所有地質(zhì)構造無不是在構造應力的作用下引起的地殼巖石形變與斷裂而保存下來的構造形跡[22]。不同應力條件下形成的地質(zhì)構造往往不同，因此，不同地質(zhì)構造在一定程度上可以反映其形成時不同的構造應力狀態(tài)[23]。地層中絕大多數(shù)地質(zhì)構造的存在形式都是經(jīng)歷過多次構造運動的結果，因此，有必要從構造演化期次、序次成生關系上進行研究地應力和地質(zhì)構造的關系。

在地質(zhì)史上，淮南礦區(qū)構造發(fā)展演化主要經(jīng)歷了中生代的印支運動、燕山運動以及新生代的喜山運動等3個階段[13,24]。

淮南礦區(qū)復式向斜構造格架的雛形起于印支運動末期至燕山運動早期的華北板塊和華南板塊沿大別山造山帶的碰撞對接。從而，在SN向擠壓應力作用下，礦區(qū)南部形成了一系列EW向展布的壓扭性逆沖斷裂和疊瓦式構造，向斜內(nèi)部產(chǎn)生了NW和NE向“X”型節(jié)理。構造應力場最大主應力方向為SN向，這是第1期的構造應力場。

燕山運動期，華南板塊相對華北板塊向北運移，礦區(qū)受到NW－SE方向側向擠壓及NE－NNE向左旋壓扭性作用，除近EW向斷裂和褶皺進一步加劇外，構造分異更加明顯，近 EW 向構造被改造成NWW－SEE向，并在這一方向形成新的斷裂系。構造應力場最大主應力方向為NWW－SEE向，這是第2期的構造應力場。

喜山運動期，受印度板塊向歐亞板塊強烈俯沖產(chǎn)生復合應力作用，形成了華北板塊向東蠕散的引張力，NE－NNE東向構造帶得到了充分的發(fā)展，郯廬斷裂右旋平移[25]。此時，區(qū)域構造應力場由擠壓縮短機制轉化為拉張延展機制，在 NWW－SEE向拉張應力作用下，形成了大量NE－NNE向正斷層，同時形成了向近NE向區(qū)域右旋力偶作用的應力場，最大主應力方向發(fā)展為NEE－EW向，這是第3期的構造應力場。

由分析可知，淮南礦區(qū)最大主應力的方向從第1期構造運動時的SN向轉為第2期構造運動時的NWW－SEE向，最后逐漸發(fā)展成為第3期構造運動時的NEE－EW向。從圖9所示的最大水平主應力玫瑰圖可以清楚地看到：大多數(shù)測點的最大水平主應力的方位為NEE－EW向，部分測點為NWSE向，這與前面分析的第2、3期構造應力場的最大主應力方向是一致的，這說明礦區(qū)現(xiàn)今的地應力場在部分保留了第2期構造應力場特征的同時，基本上繼承了第3期的構造應力場，構造應力場最大主應力的方向為NEE－EW向。

5 結 論

（1）淮南礦區(qū)深部地應力場以水平應力為主，構造應力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構造應力場類型，總體應力場特征為σH＞σV＞σh；從地應力場的量級來看，測區(qū)地應力狀態(tài)屬高地應力水平。

（2）淮南礦區(qū)深部主應力隨深度的增加均呈增大趨勢，其中垂直主應力與埋深線性相關性較好，最大水平主應力次之，最小水平主應力則離散性較大，相關性不明顯。

（3）側壓系數(shù)λ隨深度的增加線性減小，且有接近1.0的趨勢，地應力場有從大地動應力場型向準靜水壓力場型過渡的趨勢。

（4）礦區(qū)深部-500～-1000 m范圍內(nèi)，側壓比κ隨深度變化可表示為 κ=456.7/Z+0.339，且變化趨勢與Hoek-Brown側壓比中值線相似，但礦區(qū)深部側壓比小于Hoek-Brown曲線中值。

（5）最大水平主應力與最小水平主應力的比值范圍為 1.12～2.02，其中 68.42%的測點分布在1.67～2.02之間，上下相差不大；從最大水平主應力方位玫瑰花圖可以看出，最大水平主應力方位為NEE－EW向。

（6）淮南礦區(qū)最大主應力方向與構造運動密切相關，實測大多數(shù)測點的最大水平主應力的方位為NEE－EW向，部分測點為NW－SE向，這與礦區(qū)現(xiàn)今構造應力場最大主應力的方位有一定程度的吻合性。

最后需要說明的是淮南煤田作為煤與瓦斯高突出礦區(qū)，地應力對煤與瓦斯突出的關系非常顯要，這方面的工作將在后續(xù)專題中開展研究，本文暫不贅述。

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