淮南礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)特征研究

劉泉聲，劉愷德

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

隨著人類對(duì)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(shì)[1－3]。近年來，淮南礦區(qū)整體進(jìn)入深部開采階段，各礦井開采深度普遍達(dá)到新的水平。其中，新莊孜礦達(dá)-812 m、謝橋礦-720 m、顧橋礦-780 m、潘三礦-812 m、望風(fēng)崗礦-960 m等。與此同時(shí)，許多深部礦壓?jiǎn)栴}開始凸現(xiàn)，其中高地應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)息息相關(guān)[4－5]，煤巖體應(yīng)力狀態(tài)主要取決于原巖應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力及其相互疊加，其中原巖應(yīng)力的大小與方向?qū)鷰r應(yīng)力分布有很大影響。因此，在淮南礦區(qū)深部進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量并分析地應(yīng)力場(chǎng)分布特征，對(duì)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(shí)意義。

有關(guān)淮南礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)方面的研究，很多學(xué)者從不同角度出發(fā)做了大量有價(jià)值的工作。徐燕等[6－7]通過對(duì)淮南礦區(qū)地下應(yīng)力狀態(tài)的探測(cè)，分析和探討了地應(yīng)力與地震的關(guān)系，并對(duì)地震危險(xiǎn)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(shí)測(cè)地應(yīng)力值估算礦區(qū)煤層及軟巖層地應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律，探討了圓形硐室圍巖應(yīng)力分布和不同側(cè)壓下煤層頂板穩(wěn)定性。彭向鋒等[10]、韓軍等[11－12]則通過對(duì)淮南礦區(qū)地應(yīng)力的測(cè)量和分析，分別從工程地質(zhì)、煤與瓦斯突出角度總結(jié)了淮南礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)。

但已有的研究散而不聚，鮮見針對(duì)淮南礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)的系統(tǒng)研究，加之實(shí)測(cè)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(yīng)力場(chǎng)特征及其影響程度的結(jié)論。本文利用水壓致裂法和套孔應(yīng)力解除法分別對(duì)淮南礦區(qū)-500～-1000 m深度范圍內(nèi)的多個(gè)代表性礦井進(jìn)行了地應(yīng)力實(shí)測(cè)，系統(tǒng)分析了礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)特征及規(guī)律，并結(jié)合構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步探討了礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。

2 淮南礦區(qū)地理與地質(zhì)簡(jiǎn)況

淮南礦區(qū)位于安徽省淮南市中北部，東西長(zhǎng)度為140 km，南北寬度為20～30 km，面積約3200 km2。構(gòu)造位置處于華北板塊南緣，主體構(gòu)造形跡為近EW向的對(duì)沖構(gòu)造盆地（見圖1），南北兩側(cè)均為推覆沖斷構(gòu)造構(gòu)成的疊瓦扇，內(nèi)部則為一復(fù)式向斜構(gòu)造[13－14]。復(fù)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(gòu)成了兩翼對(duì)沖的推覆構(gòu)造格局。南翼的舜耕山斷層和阜（陽）－鳳（臺(tái)）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(fù)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(gòu)造，主要有武店斷裂、新城口－長(zhǎng)豐斷裂、陳橋－穎上斷裂、口孜集（西番樓）斷裂等，構(gòu)成一組大致平行于郯廬斷裂且向西傾的階梯式構(gòu)造。研究表明，淮南煤田的近EW向褶皺和斷層構(gòu)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(gòu)造，形成于喜山期[13]。

圖1 淮南礦區(qū)構(gòu)造及地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)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(yīng)力測(cè)量與分析

3.1 測(cè)量方法

地應(yīng)力測(cè)量方法有多種，這里針對(duì)淮南礦區(qū)不同礦井測(cè)點(diǎn)巖體完整性、堅(jiān)硬性、裂隙發(fā)育程度等具體特點(diǎn)，分別采用水壓致裂法和套孔應(yīng)力解除法對(duì)典型地段的地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。對(duì)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(cè)點(diǎn)布置，除潘二礦-502 m水平鉆孔水平布置在回風(fēng)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(zhǎng)約為3.4 m，膠筒長(zhǎng)為1.2 m，座封后形成的液壓段長(zhǎng)度為1 m。

對(duì)于巖體完整性較好、較堅(jiān)硬，能夠取出長(zhǎng)度達(dá)到或超過30 cm完整巖芯的地段，則采用套孔應(yīng)力解除法。測(cè)量時(shí)，鉆孔深度根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響范圍確定，以終孔點(diǎn)不受巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響為準(zhǔn)，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(cè)量元件為CKX-97型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)，這種應(yīng)變計(jì)是長(zhǎng)江科學(xué)院對(duì)澳大利亞 CSIRO應(yīng)變計(jì)經(jīng)過改進(jìn)后研制的[15]。

3.2 測(cè)量及計(jì)算結(jié)果

對(duì)淮南礦區(qū)-500～-1000 m范圍內(nèi)12個(gè)礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，總共測(cè)得19個(gè)有效測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。其中采用水壓致裂法測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果見表1（表中，Z為測(cè)點(diǎn)埋深，σH為最大水平主應(yīng)力，σh為最小水平主應(yīng)力，σV為垂直主應(yīng)力，σh,av為平均水平主應(yīng)力，下同）。套孔應(yīng)力解除法的測(cè)量及理論計(jì)算結(jié)果見表2、3。

表1 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table1 In-situ stress measurement results of hydraulic fracturing technique

表2 套孔應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table2 In-situ stress measurement results of stress relief method by overcoring

表3 套孔應(yīng)力解除法主應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(yīng)力測(cè)量通常分為平面和三維應(yīng)力測(cè)量[16]，本次采用的是平面應(yīng)力測(cè)量。而套孔應(yīng)力解除法為三維應(yīng)力測(cè)量，從表 3可以看出，利用套孔應(yīng)力解除法測(cè)量的7個(gè)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，除1、6兩個(gè)測(cè)點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力傾向接近水平，中間主應(yīng)力傾向接近垂直外，其余測(cè)點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力傾向與水平，中間主應(yīng)力傾向與垂直均有較大偏離。為了將兩種方法所得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，結(jié)果均按表1、2中最大、最小水平主應(yīng)力及垂直主應(yīng)力進(jìn)行分析。

3.3 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

分析淮南礦區(qū)19個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出，地應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定規(guī)律性。

3.3.1 礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)類型及量級(jí)

19個(gè)測(cè)點(diǎn)中，屬于 σH＞σV＞σh型的有 16個(gè)測(cè)點(diǎn)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的 84.2%；屬于 σH＞σh＞σV型的測(cè)點(diǎn)有2個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)的10.5%；屬于 σV＞σH＞σh型的測(cè)點(diǎn)有一個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)的5.3%。由上可知，最大水平主應(yīng)力σH大于垂直主應(yīng)力σV的測(cè)點(diǎn)有18個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)的 94.7%。因此，礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)總體上以水平應(yīng)力為主，即構(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)類型，且總體應(yīng)力場(chǎng)特征為σH＞σV＞σh。

19個(gè)測(cè)點(diǎn)中，18 MPa≤σH≤30 MPa的測(cè)點(diǎn)有16個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的84.2%。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值的高地應(yīng)力定量標(biāo)準(zhǔn)[17－18]，淮南礦區(qū)深部地應(yīng)力狀態(tài)總體屬高地應(yīng)力水平。

3.3.2 主應(yīng)力值隨深度的變化關(guān)系

礦區(qū)深部-502 m～-985 m范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系如圖2所示。隨測(cè)點(diǎn)深度的增加，最大、最小水平主應(yīng)力總體上均呈增大的趨勢(shì)，但離散性明顯。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，結(jié)合鉆孔的地質(zhì)資料可以看出，在巖體完整性好、強(qiáng)度高的測(cè)點(diǎn)，其最大和最小水平主應(yīng)力量值較巖體完整性差、強(qiáng)度低的測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力量值為大。這一結(jié)果究竟是淮南礦區(qū)深部地應(yīng)力賦存規(guī)律的體現(xiàn)，還是由于地應(yīng)力測(cè)試分析過程中的誤差造成的，尚需進(jìn)一步研究。從測(cè)試過程來看，在巖體完整性好、強(qiáng)度高的地點(diǎn)，無論是套孔應(yīng)力解除法還是水壓致裂法實(shí)施起來都比較容易，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性更有保障；而在巖體完整性差、強(qiáng)度低的地點(diǎn)，兩種方法實(shí)施起來都比較困難，測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性明顯降低，從而測(cè)試誤差更大。特別是，在巖體完整性差、強(qiáng)度低的地點(diǎn)，鉆孔周圍巖體已經(jīng)進(jìn)入峰后的應(yīng)變軟化狀態(tài)，這與兩種測(cè)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(yuǎn)。無論是套孔應(yīng)力解除法在套孔解除應(yīng)力過程中實(shí)測(cè)到的應(yīng)變值，還是水壓致裂過程中測(cè)得的破裂應(yīng)力，都比理想條件下的應(yīng)變值和應(yīng)力值明顯偏小，從而造成在巖體完整性差、強(qiáng)度低的地點(diǎn)得出的地應(yīng)力測(cè)試值小于巖體完整性好、強(qiáng)度高的測(cè)點(diǎn)得出的地應(yīng)力測(cè)試值。

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

（1）垂直主應(yīng)力

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

對(duì)回歸曲線進(jìn)行顯著性效果檢驗(yàn)：樣本數(shù)量n=19，擬合的相關(guān)系數(shù)R=0.8570＞Ra=0.5487，α=0.01。表明測(cè)點(diǎn)垂直主應(yīng)力隨深度的變化呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性。Brown和Hoek[19]通過研究世界各地116個(gè)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)得出的關(guān)系為

式（1）、（2）相比可知，當(dāng) 500 m≤Z≤1000 m時(shí)，由Brown和Hoek得到的關(guān)系，垂直應(yīng)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(yīng)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(yīng)力

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

由圖2可知，最小水平主應(yīng)力與深度關(guān)系離散性更大，沒有明顯的相關(guān)性。

3.3.3 側(cè)壓系數(shù)λ隨測(cè)點(diǎn)深度的變化關(guān)系

側(cè)壓系數(shù)λ為最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值，其隨深度的變化關(guān)系（見圖3）為

相關(guān)系數(shù)R=0.6620＞Ra=0.5487，α=0.01。說明λ隨測(cè)點(diǎn)深度的變化有一定的線性相關(guān)性。顯然，隨測(cè)點(diǎn)深度的增加λ呈減小趨勢(shì)。

淮南礦區(qū)深部19個(gè)測(cè)點(diǎn)的λ為0.85～1.81。其中λ≤1.0的測(cè)點(diǎn)有 1個(gè)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的 5.26%；λ＞1.0的測(cè)點(diǎn)數(shù)為18，占總數(shù)的94.74%。由此亦可知測(cè)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在λ＞1.0的測(cè)點(diǎn)中，1.0＜λ≤1.2的測(cè)點(diǎn)有14個(gè)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的73.68%；1.2＜λ≤1.81的測(cè)點(diǎn)有4個(gè)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的21.05%?？梢姡S深度的增加側(cè)壓系數(shù)有接近1.0的趨勢(shì)。根據(jù)彭向峰等[10]對(duì)原巖應(yīng)力場(chǎng)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(yīng)力場(chǎng)為大地動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)型，但隨著深度的增加，有逐漸向準(zhǔn)靜水壓力場(chǎng)型過渡的趨勢(shì)。

圖3 側(cè)壓系數(shù)λ與深度的關(guān)系Fig.3 Relationship between lateral pressure coefficient λ and depth

3.3.4 側(cè)壓比κ隨測(cè)點(diǎn)深度的變化規(guī)律

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

由19個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(guān)系（見圖4）為

圖4 側(cè)壓比κ與深度的關(guān)系Fig.4 Relationship between lateral pressure ratio κ and depth

回歸相關(guān)系數(shù)R=0.6672＞Ra=0.5487，α=0.01。故側(cè)壓比κ隨測(cè)點(diǎn)深度的變化有一定的線性相關(guān)性。顯見，隨測(cè)點(diǎn)深度的增加側(cè)壓比κ呈減小趨勢(shì)。

同時(shí)，參照Brown和Hoek對(duì)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[19－20]，再次回歸分析淮南礦區(qū)深部地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)側(cè)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(guān)系[16,21]。將實(shí)測(cè)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(cè)壓比κ隨深度變化的關(guān)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(guān)系曲線相關(guān)性更高（R=0.721＞0.67＞Ra=0.5487，α=0.01），所表示的κ與深度的關(guān)系更可靠。

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

以及內(nèi)外包線的曲線：

圖5 淮南礦區(qū)側(cè)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(cè)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(cè)壓比范圍之內(nèi)，且變化趨勢(shì)與Hoek-Brown側(cè)壓比中值線相似；但礦區(qū)深部側(cè)壓比曲線在Hoek-Brown側(cè)壓比中值線之外，換言之，在相同深度時(shí)淮南礦區(qū)深部側(cè)壓比小于 Hoek-Brown中值線側(cè)壓比。

研究發(fā)現(xiàn)，Hoek-Brown曲線是對(duì)世界范圍內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律的總結(jié)，而地應(yīng)力分布具有很強(qiáng)的地區(qū)性，不僅與特定區(qū)域的巖性有關(guān)，而且受到區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響很大?；茨系V區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)的這一分布規(guī)律在一定程度上是對(duì)礦區(qū)深部巖性及歷史和現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的反映。

3.3.5 最大、最小水平主應(yīng)力的關(guān)系

如圖6所示，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值范圍為1.12～2.02，其中68.42%的測(cè)點(diǎn)分布在1.67～2.02之間，上下相差不大。根據(jù)巖石力學(xué)理論，最大剪應(yīng)力是最大、最小主應(yīng)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(dāng)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(yīng)力與最小水平主應(yīng)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(yīng)力作用方位

如圖7所示，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的玫瑰圖可知，礦區(qū)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力方位在NE和NW向均有所顯示，但最優(yōu)勢(shì)方位為NEE接近EW向。

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

4 地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系分析

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

在地質(zhì)史上，淮南礦區(qū)構(gòu)造發(fā)展演化主要經(jīng)歷了中生代的印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)以及新生代的喜山運(yùn)動(dòng)等3個(gè)階段[13,24]。

淮南礦區(qū)復(fù)式向斜構(gòu)造格架的雛形起于印支運(yùn)動(dòng)末期至燕山運(yùn)動(dòng)早期的華北板塊和華南板塊沿大別山造山帶的碰撞對(duì)接。從而，在SN向擠壓應(yīng)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(gòu)造，向斜內(nèi)部產(chǎn)生了NW和NE向“X”型節(jié)理。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向?yàn)镾N向，這是第1期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

燕山運(yùn)動(dòng)期，華南板塊相對(duì)華北板塊向北運(yùn)移，礦區(qū)受到NW－SE方向側(cè)向擠壓及NE－NNE向左旋壓扭性作用，除近EW向斷裂和褶皺進(jìn)一步加劇外，構(gòu)造分異更加明顯，近 EW 向構(gòu)造被改造成NWW－SEE向，并在這一方向形成新的斷裂系。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW－SEE向，這是第2期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

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

由分析可知，淮南礦區(qū)最大主應(yīng)力的方向從第1期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)的SN向轉(zhuǎn)為第2期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)的NWW－SEE向，最后逐漸發(fā)展成為第3期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)的NEE－EW向。從圖9所示的最大水平主應(yīng)力玫瑰圖可以清楚地看到：大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力的方位為NEE－EW向，部分測(cè)點(diǎn)為NWSE向，這與前面分析的第2、3期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向是一致的，這說明礦區(qū)現(xiàn)今的地應(yīng)力場(chǎng)在部分保留了第2期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征的同時(shí)，基本上繼承了第3期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力的方向?yàn)镹EE－EW向。

5 結(jié) 論

（1）淮南礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)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)類型，總體應(yīng)力場(chǎng)特征為σH＞σV＞σh；從地應(yīng)力場(chǎng)的量級(jí)來看，測(cè)區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)屬高地應(yīng)力水平。

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

（3）側(cè)壓系數(shù)λ隨深度的增加線性減小，且有接近1.0的趨勢(shì)，地應(yīng)力場(chǎng)有從大地動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)型向準(zhǔn)靜水壓力場(chǎng)型過渡的趨勢(shì)。

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

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

（6）淮南礦區(qū)最大主應(yīng)力方向與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，實(shí)測(cè)大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力的方位為NEE－EW向，部分測(cè)點(diǎn)為NW－SE向，這與礦區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)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(yīng)力對(duì)煤與瓦斯突出的關(guān)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。

[1]謝和平. 深部高應(yīng)力下的資源開采——現(xiàn)狀、基礎(chǔ)科學(xué)問題與展望[C]//香山科學(xué)會(huì)議編. 科學(xué)前沿與未來(第六集). 北京: 中國(guó)壞境科學(xué)出版社,2002: 179－191.

[2]何滿潮. 深部開采工程巖石力學(xué)的現(xiàn)狀及其展望[C]//中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)編.第八次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集. 北京: 科學(xué)出版社,2004: 88－94 .

[3]何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等. 深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(16): 2803－2813.HE Man-chao,XIE He-ping,PENG Su-ping,et al. Study of rock mechanics in deep mining engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(16): 2803－2813.

[4]劉泉聲,張華. 對(duì)煤礦深部巖巷圍巖穩(wěn)定與支護(hù)幾個(gè)關(guān)鍵問題的認(rèn)識(shí)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(增刊1): 2195－2200.LIU Quan-sheng,ZHANG Hua. Study of stability and support of rockmasses surrounding deep coal-mine roadway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(Supp.1): 2195－2200.

[5]尹光志,王登科,張東明. 高應(yīng)力軟巖下礦井巷道支護(hù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,30(10): 87－91.YIN Guang-zhi,WANG Deng-ke,ZHANG Dong-ming.Research and practice of roadways supporting of mine in view of high geo-stress soft sock[J]. Journal of Chongqing University (Natural Science Edition),2007,30(10):87－91.

[6]徐燕,殷煤,韓育平,等. 淮南地應(yīng)力普查確定的地震危險(xiǎn)區(qū)與相鄰區(qū)域的地震分析[J]. 華南地震,2002,22(3): 71－75.XU Yan,YIN Mei,HAN Yu-ping,et al. Analysis of seismic risk area through crustal stress general survey in Huainan and its adjacent region[J]. South China Journal of Seismology,2002,22(3): 71－75.

[7]徐燕,殷煤,韓育平,等. 安徽省中西部地區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)探測(cè)與地震危險(xiǎn)性研究[J]. 國(guó)際地震動(dòng)態(tài),2003,(10): 19－28.XU Yan,YIN Mei,HAN Yu-ping,et al. Detection of ground stress states in the middle western region of Anhui province and research on the earthquake risk[J]. Recent Developments in World Seismology,2003,(10): 19－28.

[8]李文平. 煤及軟巖層中地應(yīng)力值的初步估算方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(2): 234－237.LI Wen-ping. A preliminary estimation method of geostresses in coal and soft rock masses[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(2): 234－237.

[9]孟召平,程浪洪,雷志勇. 淮南礦區(qū)地應(yīng)力條件及其對(duì)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性的影響[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2007,35(1): 21－25.MENG Zhao-ping,CHENG Lang-hong,LEI Zhi-yong.Characters of in-situ stress field in Huainan mine area and its influence on stability of coal roof and floor[J]. Coal Geology & Exploration,2007,35(1): 21－25.

[10]彭向鋒,于雙忠. 淮南礦區(qū)原巖應(yīng)力場(chǎng)宏觀類型工程地質(zhì)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,27(1): 60－63.PENG Xiang-feng,YU Shuang-zhong. General type of in-situ stress field in Huainan mine area[J]. Journal of China University of Mining & Technology,1998,27(1):60－63.

[11]韓軍,張宏偉,宋衛(wèi)華,等. 煤與瓦斯突出礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(增刊2):3852－3859.HAN Jun,ZHANG Hong-wei,SONG Wei-hua,et al.In-situ stress field of coal and gas outburst mining area[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(Supp.2): 3852－3859.

[12]韓軍,張宏偉. 淮南礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2009,37(1): 17－21.HAN Jun,ZHANG Hong-wei. Characteristic of in-situ stress field in Huainan mining area[J]. Coal Geology &Exploration,2009,37(1): 17－21.

[13]章云根. 淮南煤田構(gòu)造煤發(fā)育特征分析[J]. 能源技術(shù)與管理,2005,(3): 5－7.ZHANG Yun-gen. Analyses of characteristic and origin of construct coal in Huainan coalfield[J]. Energy Technology and Management,2005,(3): 5－7.

[14]宋傳中,朱光,劉國(guó)生,等. 淮南煤田的構(gòu)造厘定及動(dòng)力學(xué)控制[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(1): 11－15.SONG Chuan-zhong,ZHU Guang,LIU Guo-sheng,et al.Identificating of structure and its dynamics control of Huainan coalfield[J]. Coal Geology & Exploration,2005,33(1): 11－15.

[15]劉允芳,肖本職. 西部地區(qū)地震活動(dòng)與地應(yīng)力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(24): 4502－4508.LIU Yun-fang,XIAO Ben-zhi. Study of seismic activity and geostress in West China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(24): 4502－4508.

[16]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): 1－8.KANG Hong-pu,JIANG Tie-ming,ZHANG Xiao,et al.Research on in-situ stress field in Jincheng mining area and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(1): 1－8.

[17]王軍. 基于GIS的深圳羅湖建成區(qū)斷層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)與方法[D]. 南京: 河海大學(xué),2004.

[18]郭志. 高地應(yīng)力地區(qū)巖體的變形特性[C]//全國(guó)第三次工程地質(zhì)大會(huì)論文選集. 成都: 成都科技大學(xué)出版社,1988.

[19]BROWN E T,HOEK E. Trends in relationships between measured in-situ stresses and depth[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences &Geomechanics Abstracts,1978,15(2): 211－215.

[20]趙德安,陳志敏,蔡小林,等. 中國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(6): 1265－1271.ZHAO De-an,CHEN Zhi-min,CAI Xiao-lin,et al.Analysis of distribution rule of geostress in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(6): 1265－1271.

[21]陳志敏. 不同巖性側(cè)壓比隨深度變化規(guī)律探討[J]. 西部探礦工程,2006,18(6): 99－101.CHEN Zhi-min. Discussion on change law of different lithology's side pressure ratio with depths[J]. West-China Exploration Engineering,2006,18(6): 99－101.

[22]劉志剛. 煤礦構(gòu)造學(xué)[M]. 北京: 世界圖書出版社,1990.

[23]李東旭,周濟(jì)元. 地質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京: 地質(zhì)出版社,1986: 102－103.

[24]姜波,王桂樑,高元,等. 安徽省淮南煤田潁鳳區(qū)推覆構(gòu)造微觀變形特征及其形成機(jī)制[J]. 地質(zhì)通報(bào),1992,(1): 60－67.JIANG Bo,WANG Gui-liang,GAO Yuan,et al.Characteristics of microscopic deformation and mechanism of the Fengyang-Fengtai nappe in the Yingshan-Fengtai area,Huainan coalfield,Anhui[J].Geological Bulletin of China,1992,(1): 60－67.

[25]王恩營(yíng),邵強(qiáng),王紅衛(wèi),等. 華北板塊晚古生代煤層構(gòu)造煤區(qū)域分布的大地構(gòu)造控制及演化[J]. 煤礦安全,2010,(2): 86－89.