关于煤矿井下地质构造对地应力分布的影响分析

开滦（集团）唐山矿地测科 王志远

关于煤矿井下地质构造对地应力分布的影响分析

开滦
（集团）唐山矿地测科 王志远

为了研究煤矿井下地质构造对地应力分布的影响，采用小孔径水压致裂地应力测量装置进行地应力的测量。通过对地应力测量数据进行模拟拟合，采用数值分析的方法进行分析得出相应结论，并通过具体工程实例进行分析，得出该方法能够有效地研究地质构造对地应力的影响关系，从而为工程实践提供理论依据。

地质构造；地应力分布；小孔径水压致裂地应力测量装置；数值分析

目前关于矿井下地质构造对应力分布的影响的研究较为广泛，主要表现在以下几个方面：一是通过断裂发育的复杂程度来进行应力大小的估算；二是通过采集断裂附近应力随时间变化的数据进行拟合对其进行预测应用于实践；三是地应力的分布主要受其临近断层的扰动影响等。本文在上述研究成果的基础上，采用小孔径水压致裂地应力测量装置进行煤矿井下地质构造对地应力分布影响的研究。

1 小孔径水压致裂地应力测量装置的应用

为了更好地说明小孔径水压致裂地应力测量装置在对地应力分布测量中的应用，采用某一煤矿井举例进行说明，具体步骤如下：

首先进行数据的采集，具体来讲是指测量人员通过使用先进的仪器根据具体要求对矿区在不同地方进行地应力数据测量，并做好相应的记录准备工作；其次进行数据分析，具体来讲就是根据第一步中测量到的地应力实测数据，对向斜构造对地应力分布的影响进行数值分析，根据实测数据进行数值分析后得到矿区的地应力处理数据，分析地应力数据与其方向变化的关系；最后采用数值分析的方法进行对比分析得出相应的结论。

2 断层附近地应力测量与分析研究

2.1 地应力场类型分析

通过对该矿区进行调研发现，该矿区14个测站中有13个测站属于典型的构造应力场，有4个测站的水平主应力小于垂直主应力，10个最大主应力大于20MPa；通过比较地应力测量结果不难发现，向斜构造对地应力产生较为显著的影响，在向斜轴部的最大最小水平主应力急剧增加。

2.2 矿井断层对地应力的大小和方向影响分析

在矿井断层对地应力大小的影响方面：通过将6个测站埋在400m左右的深度发现其中两个的水平主应力小于11MPa，分析其原因在于断层断裂时，释放应力导致其地应力值较低；从其类型角度进行分析发现，最大主应力表现为最大水平主应力的区域主要在断层影响范围的外围，而在断层的附件主要表现为垂直应力。

在矿井断层对地应力方向分布的影响方面：通过对该矿井的地应力测量结果进行相应的分析发现，最大水平主应力主要集中在某一个区域，在某些区域地应力较小。导致这种现象的原因在于褶断带的形成使得最大水平主应力方向发生扭转，严重影响该地区主应力的改变。

3 矿井地质构造对地应力影响的数值分析模拟

3.1 数值分析模型的构建

考虑到矿井的特殊地形条件，采用FLAC进行多底层向斜构造的数值模型构建，为了在此前提下建立符合实际情况的理想的三维数值模型，通过采用相关的软件比如Rhinoceros构建模型，然后在三维单元划分中应用Kubrix软件进行相关的划分，最后倒入到FLAC中进行相应的数值分析计算。

在模型的构建过程中，需要用到的参数包括：地质层岩层的密度、弹性模量、抗拉强度、泊松比等。

在模型的构建中，需要两个边界条件：一是自重引起的水平应力；二是构造运动引起的水平应力。在模拟过程中需要分成两个阶段：一是模拟自重应力场，二是模拟构造应力场。

3.2 模拟结果分析

（1）在自重力场中，在重力的作用下，垂直应力由于岩层密度和重力的加快使得其垂直应力呈现出阶梯状分布；水平应力由于岩层的泊松比相差不大导致其也呈现出阶梯状，且两者均呈现出埋深越大，水平和垂直应力越大的特点。

（2）在构造应力的作用下，不同的岩层隆起的速率差别较大，其水平应力随着岩层内水平应变增大而增大，且各层的水平应力相差很大，同时表现为水平应力的大小与岩层的弹性模量呈正相关的特性；从垂直应力角度分析，其垂直应力与埋深有关，且水平的梯度较为明显。

（3）由于煤层的弹性模量不同造成基本顶位于斜轴部范围内的水平应力大于垂直应力，且各层之间应力相差较大。

4 结论

通过对某一煤矿矿井进行分析，采用地应力的实测数据并应用数值分析的方法进行研究，得出如下结论：

（1）垂直应力在地形起伏变化不大的情况下其厚度测量不可行，垂直应力在斜轴部局部地段增加较为明显；

（2）水平应力值随着岩层弹性模量的降低而降低，甚至可能出现由构造应力为主向以自重力为主的应力状态转变；

（3）通过对应力进行实测和模拟分析进行有机结合，全面了解煤层的应力分布情况，对提高煤矿井的安全具有重要意义。

［1］孙玉福.水平应力对巷道围岩稳定性的影响［J］.煤炭学报，2010（06）.

［2］康红普，姜铁明，张晓，颜立新.晋城矿区地应力场研究及应用［J］.岩石力学与工程学报，2009（01）.

王志远，1985年3月出生，河北省唐山市乐亭县人，本科，助理工程师，研究方向：地质。