基于地應(yīng)力測量的地應(yīng)力場研究

張 曉

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

基于地應(yīng)力測量的地應(yīng)力場研究

張 曉

（天地科技股份有限公司開采設(shè)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(yīng)力測試數(shù)據(jù)，在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對典型礦區(qū)進行了地應(yīng)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(yīng)力場特征及水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值隨深度變化的規(guī)律，測量結(jié)果可為煤礦生產(chǎn)實踐提供重要的參考價值。

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

由于地應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǔ)上，分析了不同深度礦區(qū)地應(yīng)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(shè)計、巷道支護等與地應(yīng)力有關(guān)的工作中，而且對于分析我國煤礦礦區(qū)宏觀地應(yīng)力場，甚至全國范圍內(nèi)的地應(yīng)力場分布規(guī)律有一定的參考價值。

1 典型礦區(qū)地應(yīng)力場研究

1.1 晉城礦區(qū)地應(yīng)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(yīng)力場較為復(fù)雜。在晉城礦區(qū)共完成了10個煤礦的62個測站的地應(yīng)力測量。

1.1.1 晉城礦區(qū)地應(yīng)力場

由測試結(jié)果可見，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)力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場類型。進一步細分，在晉城礦區(qū)地應(yīng)力場中，存在2種應(yīng)力場:垂直主應(yīng)力為中間主應(yīng)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(yīng)力為最小主應(yīng)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?，晉城淺部礦區(qū)應(yīng)力場中最小水平主應(yīng)力為中間主應(yīng)力，相對深部礦區(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(yīng)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%。可以看出淮南礦區(qū)整體上地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，自重應(yīng)力場占明顯優(yōu)勢，屬于典型的自重應(yīng)力場類型?；茨系V區(qū)6個測站中最小主應(yīng)力均為最小水平主應(yīng)力。

平頂山礦區(qū)6個測站中，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)力場類型屬于自重應(yīng)力場。

新汶礦區(qū)12個測站中，最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的有8個測站，占總測站數(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)力場類型。

雖然同是深部礦井，但3個礦區(qū)的應(yīng)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(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力對應(yīng)力場起著控制作用，水平應(yīng)力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力對應(yīng)力場起著控制作用，屬于自重應(yīng)力場類型?？梢姡词乖谏畈康V井，如受構(gòu)造運動影響較為嚴重，地應(yīng)力仍可能會以水平應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力仍可能為最大主應(yīng)力，應(yīng)力場類型呈現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力場的特征而非自重應(yīng)力場的特征。

1.3 典型向斜煤田地應(yīng)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(yīng)力測量。測試結(jié)果如表1所示。

表1 華亭礦區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果

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

2 全國煤礦礦區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果分析

在全國共完成了200多個測站的地應(yīng)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(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以內(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個主應(yīng)力值也隨著增加。

圖1 全部測站地應(yīng)力與深度的關(guān)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(fù)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(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)力占絕對優(yōu)勢，礦區(qū)地應(yīng)力場呈現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力在應(yīng)力場中的優(yōu)勢逐漸削弱，自重應(yīng)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(yīng)力場逐漸占有相對優(yōu)勢，礦區(qū)地應(yīng)力場呈現(xiàn)自重應(yīng)力場的特征。

因此，對于不同礦區(qū)的應(yīng)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(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)力場的類型，而應(yīng)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(yīng)力場特征。

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，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(yīng)力場中構(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(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個測站中，最小水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的 （即σH＞σh＞σV）有39個，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(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(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(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(yīng)力場仍可能為構(gòu)造應(yīng)力場。

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)實測數(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，我國煤礦常見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)。該回歸曲線對于沉積巖區(qū)域地下工程設(shè)計，尤其是煤礦開采工程設(shè)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(yīng)力測試，在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對典型礦區(qū)進行了地應(yīng)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(yīng)力場特征及水平主應(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)實踐提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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

［2］張 曉.典型向斜構(gòu)造應(yīng)力場研究［J］.煤礦開采，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)力測量破裂準則的探討 ［J］．長江學(xué)院院報，1995，12（2）.

［5］張 曉.小孔徑水壓致裂三維地應(yīng)力測量及其應(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)力場研究［A］.地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實踐新進展［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)原位快速測試技術(shù)及其應(yīng)用［A］.地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實踐新進展［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)力測量方法研究與應(yīng)用 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，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，2008（10）.

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

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

國家重點基礎(chǔ)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(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)及巷道支護研究工作。

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］