尹茂勝，趙仁寶，孟圣師，鄭義寧

（1.山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島 266590；2.魯西礦業(yè)集團 郭屯礦，山東 菏澤 274000）

0 引 言

地應(yīng)力是引發(fā)采礦、地下硐室、土木建筑、邊坡等各類巖土工程圍巖變形和破壞的根本力源。特別是對煤炭開采而言，回采巷道設(shè)計、圍巖變形控制等應(yīng)從地應(yīng)力實測和分析入手，已成為采礦行業(yè)工程技術(shù)人員的基本共識[1-4]。

近年來，我國采礦科技工作者在地應(yīng)力測量方法與裝備、地應(yīng)力現(xiàn)場實測、地應(yīng)力分布規(guī)律與工程應(yīng)用等方面進行了大量有益探索。如蔡美峰院士[5-6]發(fā)明了一種完全溫度補償?shù)牡貞?yīng)力測量方法和裝置，提出了符合工程巖體特性的地應(yīng)力測量理論分析與計算方法，極大提高了空心包體地應(yīng)力測量方法的準確性；康紅普院士[7-8]提出了適用于深部煤礦巷道的小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量方法，并在潞安、晉城、汾西等多個礦區(qū)進行地應(yīng)力實測應(yīng)用；李鵬等[9]研究了山東地區(qū)地應(yīng)力場特征與地殼應(yīng)力積累理論，探討了地殼的穩(wěn)定性；王迎超等[10]對平頂山礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律進行了實測和分析。上述研究成果使地應(yīng)力測量在原理、方法與技術(shù)裝備上日漸完善，同時為我國煤炭開采積累了大量地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)。

本文采用空心包體應(yīng)力解除法對郭屯煤礦二、三、四采區(qū)進行地應(yīng)力現(xiàn)場實測，系統(tǒng)的研究該礦地應(yīng)力場大小和方向的分布特征以及主應(yīng)力、側(cè)壓系數(shù)隨埋深變化規(guī)律。研究成果對該礦巷道方位選擇和支護方案合理化設(shè)計等具有重要理論與現(xiàn)實意義。

1 地應(yīng)力方向預測

1.1 概 況

郭屯煤礦位于山東省菏澤地區(qū)鄆城縣城南約3～17 km，井田中部距鄆城縣城約10 km。井田面積69.33 km2，主采煤層為3（3下） 煤層，平均厚4.73 m。井田內(nèi)上覆新生界地層厚530～650 m，主要由粘土、砂質(zhì)粘土組成。郭屯煤礦以走向大致南北，傾向東的單斜構(gòu)造為主，東界為田橋斷層，西界為煤系地層隱伏露頭。構(gòu)造復雜程度中等，地層呈西、南部緩，北、東部陡的趨勢。礦井內(nèi)的主要斷層、褶曲見表1。

表1 郭屯煤礦主要構(gòu)造一覽Table 1 List of main structures of Guotun Mine

1.2 地質(zhì)構(gòu)造演化規(guī)律分析

郭屯煤礦在地質(zhì)歷史上，主要經(jīng)歷了三疊紀時期的印支運動、中生代燕山中期和燕山晚期3 次構(gòu)造運動，各期運動對地應(yīng)力場影響各不相同。

第一期為印支運動，使整個華北煤聚盆地發(fā)生了強烈的褶皺隆起和斷裂運動，南北大陸塊近EW方向發(fā)生碰撞作用，形成了EW 向褶曲和斷層，如鄆城斷裂、菏澤斷裂等，此時期的構(gòu)造運動形成了郭屯煤礦的邊界；第二期為燕山中期，受地幔塑流的側(cè)向拉張力與板緣擠壓共同作用，NW 向擠壓減弱，控制煤系地層賦存的SN 向正斷層大量發(fā)育，這一時期的構(gòu)造運動形成了向陽、王東、八里河等斷層，這些斷裂將郭屯井田內(nèi)部切割，對整個郭屯井田的地質(zhì)構(gòu)造影響劇烈，至今仍是郭屯煤礦主要地質(zhì)構(gòu)造；第三期為燕山晚期，板塊擠壓力取代了地幔應(yīng)力，郭屯煤礦地塊受到擠壓作用發(fā)生整體偏移，逐漸形成了弧形構(gòu)造，隨后，受到多次不同旋向的張扭作用，形成了大量的隆起，如八里河背斜、郭屯向斜等。

現(xiàn)階段，郭屯煤礦主要受控于田橋、田橋支、紅廟、八里河、向陽、東張、八里莊、后辛等構(gòu)造，這就表明，其受北西- 南東方向的擠壓應(yīng)力作用明顯。結(jié)合郭屯煤礦現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造特征及上述分析可知，該煤礦的主應(yīng)力方向應(yīng)大致為北西西- 南東東向（NWW-SEE）。

2 地應(yīng)力現(xiàn)場實測

前述分析得出郭屯煤礦地應(yīng)力應(yīng)為NWW—SEE 向，為了驗證其正確性并確定地應(yīng)力大小，采用空心包體應(yīng)力計進行地應(yīng)力場的現(xiàn)場原位測量。

2.1 技術(shù)裝備選取

此次地應(yīng)力測量采用的空心包體應(yīng)力解除法，是國際巖石力學學會推薦的4 種方法中可以在單孔取得測點三維應(yīng)力狀態(tài)的方法。使用的設(shè)備如圖1所示。

圖1 地應(yīng)力測量主要設(shè)備Fig.1 Main equipment for in-situ stress measurement

2.2 地應(yīng)力測量結(jié)果

根據(jù)測點選取原則并結(jié)合郭屯煤礦的地質(zhì)開采條件與工程實踐背景，共選取了5 個標準測點進行現(xiàn)場測量，將空心包體應(yīng)力計測得的穩(wěn)定階段數(shù)據(jù)導入地應(yīng)力測量專用程序，最終得出計算結(jié)果，匯總見表2。

表2 測量結(jié)果匯總Table 2 Summary of measurement results

續(xù)表

3 地應(yīng)力分布規(guī)律分析

本文在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上，從主應(yīng)力的大小、方向，主應(yīng)力隨埋深變化規(guī)律等方面對郭屯煤礦地應(yīng)力場分布規(guī)律進行綜合分析。

3.1 主應(yīng)力大小分布特征

對獲得的地應(yīng)力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可得：郭屯煤礦的最大主應(yīng)力值為35.02~42.54 MPa，平均為37.19 MPa；最小主應(yīng)力為12.06~19.08 MPa，平均為15.95 MPa；中間主應(yīng)力為19.17 ~ 23.72 MPa，平均為20.31 MPa。進一步分析可知，郭屯煤礦屬于水平構(gòu)造應(yīng)力占絕對主導的σH＞σv＞σh型地應(yīng)力場，這種走滑型應(yīng)力狀態(tài)有利于走滑斷層的孕育和活動，對巷道兩幫的穩(wěn)定性影響較大。此外，所有測點的應(yīng)力值均在30 MPa 以上，屬超高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力梯度為4.21 MPa/100 m，這主要是由郭屯煤礦范圍內(nèi)復雜的褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造引起，因此應(yīng)特別重視由高應(yīng)力引起的一系列采場動力現(xiàn)象。

3.2 最大水平主應(yīng)力方向分布特征

將5 個測點的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的方位角和應(yīng)力值匯總在立體網(wǎng)格上，如圖2 所示。對郭屯煤礦最大主應(yīng)力方向進行統(tǒng)計分析可知，其主要集中分布在117°~134°（僅2 號測點分布在219°），平均值為143.6°，這與郭屯煤礦地應(yīng)力場的宏觀分析結(jié)果（NWW-SEE 向） 完全吻合，因此可以進一步確定，郭屯煤礦地應(yīng)力場的方向為SE36.4°。

圖2 主應(yīng)力分布立體網(wǎng)格Fig.2 Dimensional grid diagram of principal stress distribution

3.3 主應(yīng)力隨埋深變化規(guī)律

將各測點的3 個主應(yīng)力隨埋深變化關(guān)系繪出，并采用最小二乘法進行線性回歸擬合，應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 主應(yīng)力隨埋深變化擬合曲線Fig.3 Fitting curve of principal stress with buried depth

式中：H 為深度，m；R 為相關(guān)性系數(shù)。

由式（1） ~（3） 可知，3 個主應(yīng)力擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2全部大于0.94，擬合效果較好。

分析擬合曲線可知，3 個主應(yīng)力值均隨埋深呈線性增長，其中最大主應(yīng)力離散性稍大，中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力較為集中。

3.4 側(cè)壓系數(shù)隨埋深變化規(guī)律

通常情況下，將最大水平主應(yīng)力σH與垂直應(yīng)力σv的比值定義為側(cè)壓系數(shù)λ，即λ=σH/σv。側(cè)壓系數(shù)的大小對于礦山井巷工程的設(shè)計、施工及維護還具有十分重要的參考價值[11-12]。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，側(cè)壓系數(shù)λ 的范圍為1.69~1.85，平均值為1.734。圖4 中繪出了郭屯煤礦二三四采區(qū)5 個測試點的側(cè)壓系數(shù)隨埋深的變化關(guān)系，回歸擬合結(jié)果表明，側(cè)壓系數(shù)呈現(xiàn)隨測點埋深的增加呈線性減小，其隨埋深減小的趨勢與理論完全吻合。

圖4 側(cè)壓系數(shù)與埋深的關(guān)系Fig.4 Lateral pressure coefficient and buried depth

3.5 垂直主應(yīng)力誤差分析

垂直主應(yīng)力作為中間主應(yīng)力對測量結(jié)果的準確性具有較大的參考意義。根據(jù)實測結(jié)果，垂直主應(yīng)力的范圍為19.17 ~ 23.72 MPa，平均值為20.842 MPa。為驗證測量結(jié)果的準確性，本文根據(jù)公式計算出垂直應(yīng)力理論值，并將理論值與郭屯煤礦各測點的垂直主應(yīng)力實測結(jié)果值列于表3 進行對比分析。根據(jù)公式（4） 來計算該礦原巖垂直應(yīng)力的理論值：

表3 垂直應(yīng)力誤差分析Table 3 Vertical stress error analysis

式中：γ 為覆巖容重，取0.025 MN/m3；H 為深度，m。

由表3 可知，誤差值最大為-19.4%，最小值為0.05%，平均為7.25%，平均誤差不超過10%，理論值與實際測量值吻合較好，說明測量結(jié)果準確性較高。

4 結(jié) 論

（1） 郭屯煤礦地質(zhì)歷史上經(jīng)歷的3 次大型構(gòu)造運動中，燕山中期對其影響最為強烈，NW-SE向擠壓作用最為明顯，根據(jù)其地質(zhì)構(gòu)造特征推斷最大主應(yīng)力方向應(yīng)為NWW-SEE 向。

（2） 現(xiàn)場實測結(jié)果表明，郭屯煤礦最大主應(yīng)力平均值為37.19 MPa，最大主應(yīng)力方向為143.6°（SE36.4°）；屬于水平構(gòu)造應(yīng)力占絕對主導的σH＞σv＞σh型地應(yīng)力場，在量級上屬于超高應(yīng)力區(qū)。

（3） 郭屯煤礦最大主應(yīng)力值隨埋深呈線性增長，側(cè)壓系數(shù)λ 的范圍為1.69 ~ 1.85，平均值為1.734；垂直主應(yīng)力平均誤差不超過10%，說明測量結(jié)果準確性較高。