旗山煤矿深部地应力测量及地应力场分布规律

王 波，高延法，朱 伟

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601；2.中国矿业大学(北京) 力建学院，北京 100083；3.煤炭科学研究总院唐山研究院，河北 唐山 063012)

旗山煤矿深部地应力测量及地应力场分布规律

王 波1，高延法2，朱 伟3

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601；2.中国矿业大学(北京) 力建学院，北京 100083；3.煤炭科学研究总院唐山研究院，河北 唐山 063012)

随着矿井开采深度的增加，地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出，在煤矿矿区进行地应力测量，并分析地应力场分布规律具有重要意义。在旗山煤矿-1000 m和-850 m深度利用应力解除法进行了地应力实测，数据分析表明：旗山矿区深部地应力场以水平应力为主，构造应力占绝对优势，属于典型的构造应力场类型；地应力量级属于超高地应力；最大主应力方向为NW-SE向121°～140°，平均为130°。最后结合构造运动进一步探讨了矿区深部地应力场与地质构造的关系。

采矿工程；深部；地应力测量；应力解除法；分布规律

0 引言

近年来，随着开采深度的增加，许多深部矿压问题开始凸现，其中高地应力造成的巷道失稳破坏、冲击地压等问题尤为突出。而这些都与矿区深部煤岩体中的应力状态息息相关[1-2]。煤岩体应力状态主要取决于原岩应力、采动应力及其相互叠加，其中原岩应力的大小与方向对围岩应力分布有很大影响。因此，进行地应力测量并分析地应力场分布规律，对矿井安全生产具有重要的现实意义。

目前地应力测量方法较多，国内外比较常用的方法是水压致裂法和应力解除法。康红普等[3-4]、蔡美峰等[5]利用水压致裂仪进行了煤矿地应力测量，获得了大量的地应力数据。蔡美峰等[6-7]采用空心包体应力解除法进行了测量，也获得了地应力结果。关于地质构造与地应力之间的关系，相关学者进行了许多研究[8-10]，取得了丰富的成果。

旗山煤矿是徐州矿务集团的主要生产矿井之一，目前主采水平为-850 m，正在向-1000 m水平延深，由于采深不断加大，深部矿压问题开始凸现，本文在-1000 m和-850 m深度利用应力解除法进行了地应力实测，系统分析了矿区深部地应力规律，并结合构造运动进一步探讨了矿区深部地应力场与地质构造的关系。

1 区域及井田地质构造特征

旗山井田位于贾汪——潘家庵向斜含煤盆地的东南部，潘家庵复向斜总体走向北北东，含煤面积约170 km2，二叠纪山西组(小湖系)9煤层最大赋存深度达-1300 m，介于徐州-皇藏峪背斜与大庙背斜之间。北以台儿庄断裂与山东省枣台煤田相对；南至废黄河断裂，与安徽省淮北闸河煤田为邻；西以擂鼓山—华祖庙逆冲断层为界；东有两山口—迷羊山逆冲断层将老地层抬起，构成一个封闭的构造系统，如图1所示。此区域与胶南—苏北、大别山和东部张八岭地区在晚古生代—中生代都处于同一个应力场内。

图1 旗山煤矿地质构造图

2 矿井地应力测量

2.1 测量方法

本次测试采用了KX-81型空芯包体三轴地应力计，如图2所示。该传感器由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成，3枚应变花沿环氧树脂筒周围相隔120°粘结，每枚应变花有4个应变片，外层用环氧树脂浇注，使电阻应变片嵌在筒壁内，外层厚度约为0.5 mm，在应变计的尾部贴一个补偿应变片。应变计的外径为35.5 mm，工作长度为150 mm，可安装在直径为36～38 mm的小钻孔中。空芯包体应变法应力解除钻孔结构如图3所示，① 打大孔；②磨平钻孔孔底；③换锥形钻头做锥形孔底：以保后面的小孔与大孔同轴芯。④打小孔；⑤空芯包体安装；⑥读取应变仪初始数据；⑦套芯地应力解除与应变测试。

图2 KX-81空芯包体应力计

图3 空心包体应变法应力解除过程示意图

2.2 测点布置

地应力测点必须满足以下三个方面的要求：(1)测试地点的地应力状态应能反映该区域的一般情况，所选地点应具有代表性；(2)根据地应力测试方法的要求，应尽可能地在较完整、均质、层厚合适的煤层顶底板稳定岩层中进行；(3)应避免地应力观测期间与巷道施工或其他生产工序的相互影响。根据以上原则，结合旗山煤矿的地质开采条件，确定了地应力测点的位置及钻孔技术参数，如表1所示。

表1 地应力测站及钻孔技术参数

2.3 测量过程

利用薄壁钻头进行套芯解除，岩芯由于周围压力解除就会发生弹性恢复，包体应变片就会产生相应的变化，每次解除进尺3 cm，然后利用KBJ型智能数字应变仪读数，直到解除进尺超过包体工作长度(应变片前方45°)，得到仪器读数与解除深度的变化曲线，称为应力解除曲线，应力解除曲线如图4～5所示，应力解除曲线连续，解除距离达到15～20 cm时进入稳定区。图中各应变片数据变化连续、稳定，说明解除的岩芯完整。

2.4 测量结果

获取准确原始应力场的前提是得到准确的岩石弹性常数。套孔解除取出的带包体岩芯如果非常完整而未出现破裂则通常在现场用弹模率定器进行弹性参数率定，从率定结果可以求出岩石的弹性模量和泊松比。如果岩芯破碎不能取到完整岩芯，可以从现场取离测点最近的大孔岩芯在实验室里加工成标准试件。将实测的应变数据、测点岩石力学参数及钻孔的几何参数，输入地应力计算专用计算机软件，即可分析计算得出该测点的地应力分量及主应力的大小和方向，地应力测量结果如表2所示。

3 旗山井田深部地应力场分布规律

3.1 地应力场类型及量级

1) 各点3个主应力中，有两个位于近水平方向，其倾角一般不大于10°，最大不超过18°；另一主应力接近于垂直方向，其倾角不小于69°，2个近水平方向的主应力中，有1个是最大主应力。也就是说，各测点最大主应力均位于近水平方向。下面将位于近水平方向的2个主应力称为最大水平主应力(σH)和最小水平主应力(σh)，位于近垂直方向的主应力称为垂直主应力(σv)。

2) 4个测点均属于σH>σv>σh型，因此，矿区深部地应力场以水平应力为主，即构造应力占绝对优势，属于典型的构造应力场类型。

3) 根据相关判定标准：最大主应力0～10 MPa为低应力区；10～18 MPa为中等应力区；18～30 MPa 为高应力区；大于30 MPa为超高应力区。四个测点的σH均大于30 MPa，旗山矿区整体上属于超高地应力矿区.

3.2 水平主应力方向分布特征

旗山矿区实测最大主应力方向为NW-SE向121°～140°，平均为130°，实测矿区最大主应力方向与徐宿推覆构造的构造应力场方向基本一致，徐宿弧形推覆构造体系为本区的主要

图4 1#孔应力解除过程曲线

图5 2#孔应力解除过程曲线

钻孔位置深度(m)测点号主 应 力主应力大小(MPa)方位角(°)倾角(°)垂向应力(MPa)旗山-1000东西翼轨道联络大巷10301#2#σ1405140685σ2271792-762σ32422285-119σ14081213032σ22612858345σ3235211465271261旗山-850北翼联络胶带下山9401#2#σ1378124482σ2254-728814σ32272141-25σ13671373109σ2237166693σ32123081734254237

控煤构造，其踪迹遍及徐州、宿县、邳县广大地区，整个徐州矿区受此构造影响比较严重。弧形构造可以分为内、中和外三带。内带在邳县、灵壁西北，主要由震旦系组成，其中褶皱很开阔，伴生一系列压扭性断裂，构造由东部北东东向南西渐转为南北向。

3.3 最大与最小主应力比值的特征

在4个测点中，940 m的两个测点σ1/σ3最大为1.75，最小为1.67，平均为1.71，1030 m的两个测点σ1/σ3最大为1.74，最小为1.67，平均为1.70，最大水平主应力与最小水平主应力的比值与深度没有明显的关系。由于最大、最小主应力差值较大造成岩体内剪应力较大，超过岩体抗剪强度时，岩体将发生断裂，矿井断层、节理等构造比较发育，分布密集的力学动因之一[11]。

4 地应力场与区域构造关系分析

4.1 矿区地质构造分布特征

本区以近东西向和北北东向构造为主要格局。东西向构造表现为较宽缓的隔档式褶皱，靠近狭窄的背斜轴两侧常有规模较大的断层展布；北北东向构造则由一系列大致平行的线性褶曲及走向逆冲、逆掩断层组成。旗山井田北部和东部边界及南部边界有高角度的大断层，如F10，F30，董1等；井田南翼地层走向NE70°，倾向NW，地层倾角浅部较陡，为80°～30°，深部较缓，为18°～3°。井田内发育褶皱有北部向斜、不牢河向斜、大吴背斜等，特别是不牢河向斜，两翼不对称，控制了中、深部井田的地层产状的变化，以及横贯整个井田，总体轴向NWW的北部向斜，两翼煤岩层产状及厚度近似对称，控制了井田地层产状的主体变化。井田范围内已查明大中型断层以高倾角为特征，性质正、逆各半，展布方向以NE、NW向为主。受大中型构造的影响，小型断层比较发育。

旗山井田断裂构造及褶曲构造分布特征展示出是至少受两期不同方向、不同其次的应力作用叠加复合的产物：前期构造受印支运动的影响，处于南北均布挤压地壳运动下的产物，显示主压性而呈东西向，属纬向构造体系，如北部向斜；后期受燕山运动的影响，来自北西—南东挤压，呈现显著的NNE、NE向线性褶皱和逆冲断裂，如东大吴背斜、不牢河向斜、董1号、w-6号断层等，它破坏、改造和包容前期的构造形迹并为其所制约。两期构造应力方向呈大角度交叉，北北东向构造叠加在近东西向构造之上，形成典型的横跨反接式断裂—褶皱构造复合类型。

4.2 矿区地应力场与地质构造关系

旗山煤矿实测最大主应力方向为NW-SE向，现场实测方向与井田地层后期受到的燕山运动的影响存在很大关系,与构造应力场的方向基本一致，反映了现今地应力场继承了历史上的构造应力场，与整个华北地区近东西向的应力场基本上保持一致。

巷道围岩的稳定性主要是受水平应力的影响，且有3个特点：①与最大水平应力方向平行的巷道受水平应力影响最小，围岩稳定性最好；②与最大水平应力方向呈锐角相交的巷道,其围岩变形偏向巷道某一帮，且可预计出来；③与最大水平应力方向垂直的巷道受水平应力影响最大，围岩稳定性最差。矿区实测最大主应力与目前的主要生产巷道夹角较大，不利于巷道的稳定与维护。根据最大主应力方向兼顾工程地质条件和现场施工条件，综合考虑选择最佳巷道轴线方向，是减少巷道变形破坏的有效措施之一。

5 结论

1) 矿区深部地应力场属于σH>σv>σh型，以水平应力为主，即构造应力占绝对优势，属于典型的构造应力场类型。

2) 旗山矿区四个测点的最大主应力均大于30 MPa，整体上属于超高地应力矿区。

3) 旗山矿区最大主应力方向为NW-SE向121°～140°，平均为130°，实测矿区最大主应力方向与徐宿推覆构造的构造应力场方向基本一致。

4) 现场实测方向与井田地层后期受到的燕山运动的影响存在很大关系,与构造应力场的方向基本一致，反映了现今地应力场继承了历史上的构造应力场。

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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

国家自然科学基金(51404015)；河北省自然科学基金(E2015508047)；中央高校基本科研业务费资助(3142014121)

王波(1981-)，男，山东阳谷人，博士，副教授，研究方向：矿山岩体力学与软岩巷道支护。E-mail：wangbo.94@163.com

TD311

A

1672-7169(2015)02-0037-06