基于地应力测量的地应力场研究

张 晓

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

基于地应力测量的地应力场研究

张 晓

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

分析了我国多个矿区的200多个测站的水压致裂地应力测试数据，在测试数据的基础上对典型矿区进行了地应力场研究，并对测试结果进行了统计分析，得出了我国煤矿不同深度矿区的构造应力场特征及水平主应力与垂直主应力的比值随深度变化的规律，测量结果可为煤矿生产实践提供重要的参考价值。

地应力测量;水压致裂法;构造应力场;水平主应力;垂直主应力

由于地应力场在空间上分布不均匀，受多种因素影响，很难用函数形式来表达应力场特征，只有通过现场实测，根据实测数据分析地应力分布规律才最为准确。

采用水压致裂法在全国煤矿进行了200多个测站的地应力测试工作，测试范围涵盖了山西、山东、河南、安徽、甘肃、内蒙6大省份的13大矿区。测量深度从浅部的神东矿区 （最小埋深69.2m）到深部的新汶矿区 （最大埋深1283m）;煤层条件从近水平煤层、倾斜煤层到急倾斜特厚煤层。地应力测量涵盖了我国煤矿大部分条件，具有较好的代表性。

在大量实测数据的基础上，分析了不同深度矿区地应力场分布特征与规律，这些研究成果不仅可直接用于采区设计、巷道支护等与地应力有关的工作中，而且对于分析我国煤矿矿区宏观地应力场，甚至全国范围内的地应力场分布规律有一定的参考价值。

1 典型矿区地应力场研究

1.1 晋城矿区地应力测试结果与分析

晋城矿区由于受多期地质构造运动的影响，地应力场较为复杂。在晋城矿区共完成了10个煤矿的62个测站的地应力测量。

1.1.1 晋城矿区地应力场

由测试结果可见，晋城矿区地应力总体上以水平应力为主，构造应力占绝对优势，属于典型的构造应力场类型。进一步细分，在晋城矿区地应力场中，存在2种应力场:垂直主应力为中间主应力的有37个测站，占测站69%。大部分处于埋藏相对较深的井区;垂直主应力为最小主应力的有20个测站，占测站32.3%。绝大部分处于埋藏深度相对较浅的井区。可见，晋城浅部矿区应力场中最小水平主应力为中间主应力，相对深部矿区中垂直主应力为中间主应力。

1.1.2 矿区主应力方向

晋城矿区最大水平主应力方向在东区主要集中在N19°W～N57°W，在西区主要集中在 N30.5°E～ N96.2°E。

晋城矿区由于受晋获褶断带的影响，造成矿区东西部的最大水平主应力的差异较大。

1.2 深部矿区地应力测试结果分析

在深部矿区中，主要选择了山东新汶、河南平顶山、安徽淮南3个矿区，进行了24个测站的地应力测量。其中新汶矿区，测站最大埋深达1283m，最小埋深也达到790m，属于典型的深部矿井。淮南矿区测站最大埋深803m，最小埋深也达到655m。平顶山矿区6个测站中，最大埋深844m，最小埋深689.7m。

淮南矿区6个测站中，侧压比σH/σV最大为1.07，最小为0.74，侧压比 σH/σV＜1的有5个，占83%。可以看出淮南矿区整体上地应力以垂直应力为主，自重应力场占明显优势，属于典型的自重应力场类型。淮南矿区6个测站中最小主应力均为最小水平主应力。

平顶山矿区6个测站中，σH/σV均小于1，表明地应力以岩体自重形成的自重应力为主，应力场类型属于自重应力场。

新汶矿区12个测站中，最大水平主应力大于垂直主应力的有8个测站，占总测站数的67%，矿区整体上地应力以水平应力为主，属于构造应力场类型。

虽然同是深部矿井，但3个矿区的应力场类型是不同的。新汶矿区由于受构造运动的影响比较强烈，地质构造复杂，构造应力对应力场起着控制作用，水平应力占绝对优势，属于典型的构造应力场。而淮南、平顶山矿区受构造运动影响相对较弱，以岩体自重为主的垂直主应力对应力场起着控制作用，属于自重应力场类型。可见，即使在深部矿井，如受构造运动影响较为严重，地应力仍可能会以水平应力为主，最大水平主应力仍可能为最大主应力，应力场类型呈现出构造应力场的特征而非自重应力场的特征。

1.3 典型向斜煤田地应力测试结果分析

华亭矿区煤层分为急倾斜和缓倾斜两部分，属于典型的向斜构造煤层。共布置了14个测站，分别对华亭矿区急倾斜和近水平煤层进行了2次地应力测量。测试结果如表1所示。

表1 华亭矿区地应力测试结果

测试结果表明:随测站埋深增加，垂直主应力、水平主应力也有所增加，但水平主应力增大幅度远远大于垂直主应力的增加幅度，水平主应力的应力梯度远远大于其他矿区，实测表明向斜轴部是水平主应力集中的区域。

2 全国煤矿矿区地应力测试结果分析

在全国共完成了200多个测站的地应力测试工作，测试地点涵盖了山西、山东、河南、安徽、甘肃、内蒙6大省份，包括山西晋城、潞安、汾西、大同、平朔、阳泉、华晋，河南平顶山，安徽淮南，山东新汶，甘肃华亭，内蒙平庄，神东等13大矿区。经过分析这些测试数据，发现我国煤矿矿区地应力分布呈现一定的规律性。

2.1 地应力大小随深度的变化关系

地应力与埋藏深度的关系如图1。在埋藏深度小于600m的矿区，最大主应力值大部分在20MPa以内，且分布比较集中，和埋藏深度的线性相关性也较好，最大、最小水平主应力绝大部分都分布在直线的附近。随埋藏深度增加，地应力的3个主应力值也随着增加。

图1 全部测站地应力与深度的关系

在所有测点中，超过600m埋藏深度的测点绝大部分集中在新汶、淮南和平顶山3个深部矿区。由于新汶矿区所处位置受多期构造运动影响，地质构造非常复杂，且近、现代构造运动仍比较明显，现代构造运动对地应力的影响比较显著。即使在千米深度上地应力仍然是水平主应力占绝对优势，矿区地应力场呈现出构造应力场的特征。

而淮南、平顶山矿区地质构造相对比较简单，受区域大的地质构造运动影响相对较小，近、现代构造运动规模相对较小。随着埋藏深度的增加，构造应力在应力场中的优势逐渐削弱，自重应力的优势逐渐增大。因此，在埋藏深度超过600m后岩体自重引起的自重应力场逐渐占有相对优势，矿区地应力场呈现自重应力场的特征。

因此，对于不同矿区的应力场特征，不能简单地根据矿区埋藏深度和传统的观点 （在浅部矿井以水平应力为主，在深部矿井以自重应力为主）而随意判断矿区应力场的类型，而应根据实测结果结合现今构造运动的活跃程度来综合分析某一区域的应力场特征。

2.2 最大水平主应力和垂直主应力的比值随深度变化规律

最大水平主应力和垂直主应力的比值 （侧压比）随深度变化规律如图2。随着深度增加，侧压比呈现减小的趋势，并向1附近集中。对于受现今构造运动影响比较大的矿区出现静水压力状态的埋藏深度一般会比受现今构造运动影响较弱的矿区出现静水压力状态的埋藏深度要大一些，比如新汶矿区的要比平顶山和淮南矿区的静水压力深度要大。

图2所示，在较浅部 （深度＜250m）时测站侧压比较大，其值在2左右波动，这些测站绝大部分位于较浅部的井区，可见对于浅部的井区地应力场中构造应力的所占比重往往较大。

图2 最大水平主应力和垂直主应力的比值随深度的变化

在204个测站中，侧压比大于2.5的有3个，占1.5%;侧压比小于0.5的只有2个，占0.98%;侧压比大于0.5小于2.5的有199个测站，占97.5%，因此，我国沉积岩多数矿区中最大水平主应力和垂直主应力的比值 （侧压比）主要集中在0.5～2.5。

在204个测站中，最小水平主应力大于垂直主应力的 （即σH＞σh＞σV）有39个，其中埋深大于250m的测站有12个;埋深小于250m的有27个，占测站数的81.8%。可见，我国浅部矿区地应力状态一般为，最小水平主应力往往大于垂直主应力，成为中间主应力，而垂直主应力成为最小主应力。

在204个测站中，σH＞σV＞σh的测站数有97个，其中埋藏深度处于250～600m的有74个，占侧压比大于1的测站数的76.3%;埋藏深度小于250m的有10个测站，占侧压比大于1的测站数的10.3%，因此，在我国中等埋深矿区地应力状态一般处于σH＞σV＞σh的状态。

埋藏深度大于600m的测站数共有24个，其中σH＞σV的测站有9个，占测站总数的37.5%，σV＞σH的测站有15个，占深部测站数的62.5%。对于埋深超过600m的矿区 （受近现代构造运动明显影响的地区除外）地应力状态一般为垂直主应力为最大主应力、最大水平主应力转为中间主应力，最小水平主应力为最小主应力，即σV＞σH＞σh，但对于受近、现代构造运动影响较大的地区超千米矿井地应力场仍可能为构造应力场。

2.3 平均水平主应力和垂直主应力的比值随深度变化关系

根据实测数据，参照霍克－布朗世界范围内地应力分布规律的研究成果及分析方法，回归分析所有测站平均水平主应力与垂直主应力的比值k随深度H变化的规律:

霍克－布朗总结了世界范围内的地应力资料得出平均水平主应力与垂直主应力的比值关系:

比较 （1），（2）式可以看出，经过回归的平均水平主应力和垂直主应力的比值k与深度的关系与霍克－布朗形式一样，但数值有所差异。

因此，我国煤矿常见的沉积岩中平均水平主应力和垂直主应力的比值k与深度的关系，不能简单地套用霍克－布朗关系，可用式 （1）作为参考依据。该回归曲线对于沉积岩区域地下工程设计，尤其是煤矿开采工程设计具有重要参考价值。

3 结束语

采用水压致裂法在全国13大矿区进行了200多个测站的地应力测试，在测试数据的基础上对典型矿区进行了地应力场研究，并对测试结果进行了分析，得出了我国煤矿不同深度矿区的构造应力场特征及水平主应力与垂直主应力的比值随深度变化的规律，这些宝贵的数据可为煤矿生产实践提供重要的基础数据。

［1］康红普，林 健.我国巷道围岩地质力学测试技术新进展［J］．煤炭科学技术，2001（7）.

［2］张 晓.典型向斜构造应力场研究［J］.煤矿开采，2011，16（4）:101－102.

［3］ Hubert MK， Willis DG.Mechanics of hydraulic fracturing ［J］ .Trans.AIME，1957，210（2）:154－160.

［4］刘允芳，等.水压致裂法地应力测量破裂准则的探讨 ［J］．长江学院院报，1995，12（2）.

［5］张 晓.小孔径水压致裂三维地应力测量及其应用［A］.采矿工程学新论［C］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［6］张 晓.地应力对巷道围岩变形和破坏影响的数值模拟分析［A］.采矿工程学新论 ［C］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［7］张 晓.晋城寺河矿区地应力场研究［A］.地下开采现代技术理论与实践新进展［C］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［8］康红普，林 健，张 晓.巷道围岩地质力学原位快速测试技术及其应用［A］.地下开采现代技术理论与实践新进展［C］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［9］康红普，林 健，张 晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用 ［J］.岩石力学与工程学报，2007（5）:929－933.

［10］王胜本，张 晓.煤矿井下地质构造与地应力的关系 ［J］.煤炭学报，2008（10）.

［11］康红普，姜铁明，张 晓，等.晋城矿区地应力场研究及应用［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（1）.

［12］ Kanghongpu，Zhangxiao，Silinpo.Study on in－situ stress distribution law in deep underground coal mining areas［A］ .2009年香港国际岩石力学大会论文集［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

国家重点基础研究发展规划 （973）资助项目:深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究 （2006CB202200）

张 晓 （1979－），男，河南驻马店人，硕士，工程师，从事地质力学及巷道支护研究工作。

［责任编辑:姜鹏飞］