旗山煤礦深部地應力測量及地應力場分布規(guī)律

王 波，高延法，朱 偉

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601；2.中國礦業(yè)大學(北京) 力建學院，北京 100083；3.煤炭科學研究總院唐山研究院，河北 唐山 063012)

旗山煤礦深部地應力測量及地應力場分布規(guī)律

王 波1，高延法2，朱 偉3

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601；2.中國礦業(yè)大學(北京) 力建學院，北京 100083；3.煤炭科學研究總院唐山研究院，河北 唐山 063012)

隨著礦井開采深度的增加，地應力對圍巖變形與破壞的影響更加突出，在煤礦礦區(qū)進行地應力測量，并分析地應力場分布規(guī)律具有重要意義。在旗山煤礦-1000 m和-850 m深度利用應力解除法進行了地應力實測，數(shù)據(jù)分析表明：旗山礦區(qū)深部地應力場以水平應力為主，構(gòu)造應力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應力場類型；地應力量級屬于超高地應力；最大主應力方向為NW-SE向121°～140°，平均為130°。最后結(jié)合構(gòu)造運動進一步探討了礦區(qū)深部地應力場與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。

采礦工程；深部；地應力測量；應力解除法；分布規(guī)律

0 引言

近年來，隨著開采深度的增加，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(guān)[1-2]。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，進行地應力測量并分析地應力場分布規(guī)律，對礦井安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

目前地應力測量方法較多，國內(nèi)外比較常用的方法是水壓致裂法和應力解除法?？导t普等[3-4]、蔡美峰等[5]利用水壓致裂儀進行了煤礦地應力測量，獲得了大量的地應力數(shù)據(jù)。蔡美峰等[6-7]采用空心包體應力解除法進行了測量，也獲得了地應力結(jié)果。關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造與地應力之間的關(guān)系，相關(guān)學者進行了許多研究[8-10]，取得了豐富的成果。

旗山煤礦是徐州礦務集團的主要生產(chǎn)礦井之一，目前主采水平為-850 m，正在向-1000 m水平延深，由于采深不斷加大，深部礦壓問題開始凸現(xiàn)，本文在-1000 m和-850 m深度利用應力解除法進行了地應力實測，系統(tǒng)分析了礦區(qū)深部地應力規(guī)律，并結(jié)合構(gòu)造運動進一步探討了礦區(qū)深部地應力場與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。

1 區(qū)域及井田地質(zhì)構(gòu)造特征

旗山井田位于賈汪——潘家庵向斜含煤盆地的東南部，潘家庵復向斜總體走向北北東，含煤面積約170 km2，二疊紀山西組(小湖系)9煤層最大賦存深度達-1300 m，介于徐州-皇藏峪背斜與大廟背斜之間。北以臺兒莊斷裂與山東省棗臺煤田相對；南至廢黃河斷裂，與安徽省淮北閘河煤田為鄰；西以擂鼓山—華祖廟逆沖斷層為界；東有兩山口—迷羊山逆沖斷層將老地層抬起，構(gòu)成一個封閉的構(gòu)造系統(tǒng)，如圖1所示。此區(qū)域與膠南—蘇北、大別山和東部張八嶺地區(qū)在晚古生代—中生代都處于同一個應力場內(nèi)。

圖1 旗山煤礦地質(zhì)構(gòu)造圖

2 礦井地應力測量

2.1 測量方法

本次測試采用了KX-81型空芯包體三軸地應力計，如圖2所示。該傳感器由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12個電阻應變片組成，3枚應變花沿環(huán)氧樹脂筒周圍相隔120°粘結(jié)，每枚應變花有4個應變片，外層用環(huán)氧樹脂澆注，使電阻應變片嵌在筒壁內(nèi)，外層厚度約為0.5 mm，在應變計的尾部貼一個補償應變片。應變計的外徑為35.5 mm，工作長度為150 mm，可安裝在直徑為36～38 mm的小鉆孔中。空芯包體應變法應力解除鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示，① 打大孔；②磨平鉆孔孔底；③換錐形鉆頭做錐形孔底：以保后面的小孔與大孔同軸芯。④打小孔；⑤空芯包體安裝；⑥讀取應變儀初始數(shù)據(jù)；⑦套芯地應力解除與應變測試。

圖2 KX-81空芯包體應力計

圖3 空心包體應變法應力解除過程示意圖

2.2 測點布置

地應力測點必須滿足以下三個方面的要求：(1)測試地點的地應力狀態(tài)應能反映該區(qū)域的一般情況，所選地點應具有代表性；(2)根據(jù)地應力測試方法的要求，應盡可能地在較完整、均質(zhì)、層厚合適的煤層頂?shù)装宸€(wěn)定巖層中進行；(3)應避免地應力觀測期間與巷道施工或其他生產(chǎn)工序的相互影響。根據(jù)以上原則，結(jié)合旗山煤礦的地質(zhì)開采條件，確定了地應力測點的位置及鉆孔技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 地應力測站及鉆孔技術(shù)參數(shù)

2.3 測量過程

利用薄壁鉆頭進行套芯解除，巖芯由于周圍壓力解除就會發(fā)生彈性恢復，包體應變片就會產(chǎn)生相應的變化，每次解除進尺3 cm，然后利用KBJ型智能數(shù)字應變儀讀數(shù)，直到解除進尺超過包體工作長度(應變片前方45°)，得到儀器讀數(shù)與解除深度的變化曲線，稱為應力解除曲線，應力解除曲線如圖4～5所示，應力解除曲線連續(xù)，解除距離達到15～20 cm時進入穩(wěn)定區(qū)。圖中各應變片數(shù)據(jù)變化連續(xù)、穩(wěn)定，說明解除的巖芯完整。

2.4 測量結(jié)果

獲取準確原始應力場的前提是得到準確的巖石彈性常數(shù)。套孔解除取出的帶包體巖芯如果非常完整而未出現(xiàn)破裂則通常在現(xiàn)場用彈模率定器進行彈性參數(shù)率定，從率定結(jié)果可以求出巖石的彈性模量和泊松比。如果巖芯破碎不能取到完整巖芯，可以從現(xiàn)場取離測點最近的大孔巖芯在實驗室里加工成標準試件。將實測的應變數(shù)據(jù)、測點巖石力學參數(shù)及鉆孔的幾何參數(shù)，輸入地應力計算專用計算機軟件，即可分析計算得出該測點的地應力分量及主應力的大小和方向，地應力測量結(jié)果如表2所示。

3 旗山井田深部地應力場分布規(guī)律

3.1 地應力場類型及量級

1) 各點3個主應力中，有兩個位于近水平方向，其傾角一般不大于10°，最大不超過18°；另一主應力接近于垂直方向，其傾角不小于69°，2個近水平方向的主應力中，有1個是最大主應力。也就是說，各測點最大主應力均位于近水平方向。下面將位于近水平方向的2個主應力稱為最大水平主應力(σH)和最小水平主應力(σh)，位于近垂直方向的主應力稱為垂直主應力(σv)。

2) 4個測點均屬于σH>σv>σh型，因此，礦區(qū)深部地應力場以水平應力為主，即構(gòu)造應力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應力場類型。

3) 根據(jù)相關(guān)判定標準：最大主應力0～10 MPa為低應力區(qū)；10～18 MPa為中等應力區(qū)；18～30 MPa 為高應力區(qū)；大于30 MPa為超高應力區(qū)。四個測點的σH均大于30 MPa，旗山礦區(qū)整體上屬于超高地應力礦區(qū).

3.2 水平主應力方向分布特征

旗山礦區(qū)實測最大主應力方向為NW-SE向121°～140°，平均為130°，實測礦區(qū)最大主應力方向與徐宿推覆構(gòu)造的構(gòu)造應力場方向基本一致，徐宿弧形推覆構(gòu)造體系為本區(qū)的主要

圖4 1#孔應力解除過程曲線

圖5 2#孔應力解除過程曲線

鉆孔位置深度(m)測點號主 應 力主應力大小(MPa)方位角(°)傾角(°)垂向應力(MPa)旗山-1000東西翼軌道聯(lián)絡大巷10301#2#σ1405140685σ2271792-762σ32422285-119σ14081213032σ22612858345σ3235211465271261旗山-850北翼聯(lián)絡膠帶下山9401#2#σ1378124482σ2254-728814σ32272141-25σ13671373109σ2237166693σ32123081734254237

控煤構(gòu)造，其蹤跡遍及徐州、宿縣、邳縣廣大地區(qū)，整個徐州礦區(qū)受此構(gòu)造影響比較嚴重?；⌒螛?gòu)造可以分為內(nèi)、中和外三帶。內(nèi)帶在邳縣、靈壁西北，主要由震旦系組成，其中褶皺很開闊，伴生一系列壓扭性斷裂，構(gòu)造由東部北東東向南西漸轉(zhuǎn)為南北向。

3.3 最大與最小主應力比值的特征

在4個測點中，940 m的兩個測點σ1/σ3最大為1.75，最小為1.67，平均為1.71，1030 m的兩個測點σ1/σ3最大為1.74，最小為1.67，平均為1.70，最大水平主應力與最小水平主應力的比值與深度沒有明顯的關(guān)系。由于最大、最小主應力差值較大造成巖體內(nèi)剪應力較大，超過巖體抗剪強度時，巖體將發(fā)生斷裂，礦井斷層、節(jié)理等構(gòu)造比較發(fā)育，分布密集的力學動因之一[11]。

4 地應力場與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系分析

4.1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布特征

本區(qū)以近東西向和北北東向構(gòu)造為主要格局。東西向構(gòu)造表現(xiàn)為較寬緩的隔檔式褶皺，靠近狹窄的背斜軸兩側(cè)常有規(guī)模較大的斷層展布；北北東向構(gòu)造則由一系列大致平行的線性褶曲及走向逆沖、逆掩斷層組成。旗山井田北部和東部邊界及南部邊界有高角度的大斷層，如F10，F(xiàn)30，董1等；井田南翼地層走向NE70°，傾向NW，地層傾角淺部較陡，為80°～30°，深部較緩，為18°～3°。井田內(nèi)發(fā)育褶皺有北部向斜、不牢河向斜、大吳背斜等，特別是不牢河向斜，兩翼不對稱，控制了中、深部井田的地層產(chǎn)狀的變化，以及橫貫整個井田，總體軸向NWW的北部向斜，兩翼煤巖層產(chǎn)狀及厚度近似對稱，控制了井田地層產(chǎn)狀的主體變化。井田范圍內(nèi)已查明大中型斷層以高傾角為特征，性質(zhì)正、逆各半，展布方向以NE、NW向為主。受大中型構(gòu)造的影響，小型斷層比較發(fā)育。

旗山井田斷裂構(gòu)造及褶曲構(gòu)造分布特征展示出是至少受兩期不同方向、不同其次的應力作用疊加復合的產(chǎn)物：前期構(gòu)造受印支運動的影響，處于南北均布擠壓地殼運動下的產(chǎn)物，顯示主壓性而呈東西向，屬緯向構(gòu)造體系，如北部向斜；后期受燕山運動的影響，來自北西—南東擠壓，呈現(xiàn)顯著的NNE、NE向線性褶皺和逆沖斷裂，如東大吳背斜、不牢河向斜、董1號、w-6號斷層等，它破壞、改造和包容前期的構(gòu)造形跡并為其所制約。兩期構(gòu)造應力方向呈大角度交叉，北北東向構(gòu)造疊加在近東西向構(gòu)造之上，形成典型的橫跨反接式斷裂—褶皺構(gòu)造復合類型。

4.2 礦區(qū)地應力場與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

旗山煤礦實測最大主應力方向為NW-SE向，現(xiàn)場實測方向與井田地層后期受到的燕山運動的影響存在很大關(guān)系,與構(gòu)造應力場的方向基本一致，反映了現(xiàn)今地應力場繼承了歷史上的構(gòu)造應力場，與整個華北地區(qū)近東西向的應力場基本上保持一致。

巷道圍巖的穩(wěn)定性主要是受水平應力的影響，且有3個特點：①與最大水平應力方向平行的巷道受水平應力影響最小，圍巖穩(wěn)定性最好；②與最大水平應力方向呈銳角相交的巷道,其圍巖變形偏向巷道某一幫，且可預計出來；③與最大水平應力方向垂直的巷道受水平應力影響最大，圍巖穩(wěn)定性最差。礦區(qū)實測最大主應力與目前的主要生產(chǎn)巷道夾角較大，不利于巷道的穩(wěn)定與維護。根據(jù)最大主應力方向兼顧工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工條件，綜合考慮選擇最佳巷道軸線方向，是減少巷道變形破壞的有效措施之一。

5 結(jié)論

1) 礦區(qū)深部地應力場屬于σH>σv>σh型，以水平應力為主，即構(gòu)造應力占絕對優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應力場類型。

2) 旗山礦區(qū)四個測點的最大主應力均大于30 MPa，整體上屬于超高地應力礦區(qū)。

3) 旗山礦區(qū)最大主應力方向為NW-SE向121°～140°，平均為130°，實測礦區(qū)最大主應力方向與徐宿推覆構(gòu)造的構(gòu)造應力場方向基本一致。

4) 現(xiàn)場實測方向與井田地層后期受到的燕山運動的影響存在很大關(guān)系,與構(gòu)造應力場的方向基本一致，反映了現(xiàn)今地應力場繼承了歷史上的構(gòu)造應力場。

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GeostressMeasurementatDeepPositionofQishanMineandDistributionLawofGeostressField

WANG Bo1，GAO Yan-fa2，ZHU Wei3

(1．CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China； 2.InstituteofGeotechnicalengineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing，100083,China; 3.TangshanInstitute,ChinaCoalResearchInstitute,Tangshan,063012,China；)

With the increasing of coal mining depth and intensity，the geostress plays more important roles in the displacement and damage of surrounding rock. It is very important to take geostress measurements and analyze the distribution characteristics of the geostress fields in coal mining area. The geostress measurements have been conducted within the depths of -1000 and -850 m in Qishan Coal Mine by using stress relief method. The analysis of the measurement data indicates that: The geostress field in Qishan Coal Mine, in which the tectonic stress takes absolute predominance, is dominated by horizontal stress and belongs to typical tectonic stress field;The magnitudes of the geostress are super high stress level. The orientations of the maximum horizontal principal stresses mainly concentrate on NW-SE121°～140°,the average is 130 . Finally, combined with the tectonic movement to further explore the relationship between mining deep geostress field and geological structure.

mining engineering； great depth; geostress measurement; overcoring technique； distribution law

2015-02-04

國家自然科學基金(51404015)；河北省自然科學基金(E2015508047)；中央高校基本科研業(yè)務費資助(3142014121)

王波(1981-)，男，山東陽谷人，博士，副教授，研究方向：礦山巖體力學與軟巖巷道支護。E-mail：wangbo.94@163.com

TD311

A

1672-7169(2015)02-0037-06