郭屯煤矿地应力分布规律研究

尹茂胜，赵仁宝，孟圣师，郑义宁

（1.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；2.鲁西矿业集团 郭屯矿，山东 菏泽 274000）

0 引 言

地应力是引发采矿、地下硐室、土木建筑、边坡等各类岩土工程围岩变形和破坏的根本力源。特别是对煤炭开采而言，回采巷道设计、围岩变形控制等应从地应力实测和分析入手，已成为采矿行业工程技术人员的基本共识[1-4]。

近年来，我国采矿科技工作者在地应力测量方法与装备、地应力现场实测、地应力分布规律与工程应用等方面进行了大量有益探索。如蔡美峰院士[5-6]发明了一种完全温度补偿的地应力测量方法和装置，提出了符合工程岩体特性的地应力测量理论分析与计算方法，极大提高了空心包体地应力测量方法的准确性；康红普院士[7-8]提出了适用于深部煤矿巷道的小孔径水压致裂地应力测量方法，并在潞安、晋城、汾西等多个矿区进行地应力实测应用；李鹏等[9]研究了山东地区地应力场特征与地壳应力积累理论，探讨了地壳的稳定性；王迎超等[10]对平顶山矿区地应力分布规律进行了实测和分析。上述研究成果使地应力测量在原理、方法与技术装备上日渐完善，同时为我国煤炭开采积累了大量地应力实测数据。

本文采用空心包体应力解除法对郭屯煤矿二、三、四采区进行地应力现场实测，系统的研究该矿地应力场大小和方向的分布特征以及主应力、侧压系数随埋深变化规律。研究成果对该矿巷道方位选择和支护方案合理化设计等具有重要理论与现实意义。

1 地应力方向预测

1.1 概 况

郭屯煤矿位于山东省菏泽地区郓城县城南约3～17 km，井田中部距郓城县城约10 km。井田面积69.33 km2，主采煤层为3（3下） 煤层，平均厚4.73 m。井田内上覆新生界地层厚530～650 m，主要由粘土、砂质粘土组成。郭屯煤矿以走向大致南北，倾向东的单斜构造为主，东界为田桥断层，西界为煤系地层隐伏露头。构造复杂程度中等，地层呈西、南部缓，北、东部陡的趋势。矿井内的主要断层、褶曲见表1。

表1 郭屯煤矿主要构造一览Table 1 List of main structures of Guotun Mine

1.2 地质构造演化规律分析

郭屯煤矿在地质历史上，主要经历了三叠纪时期的印支运动、中生代燕山中期和燕山晚期3 次构造运动，各期运动对地应力场影响各不相同。

第一期为印支运动，使整个华北煤聚盆地发生了强烈的褶皱隆起和断裂运动，南北大陆块近EW方向发生碰撞作用，形成了EW 向褶曲和断层，如郓城断裂、菏泽断裂等，此时期的构造运动形成了郭屯煤矿的边界；第二期为燕山中期，受地幔塑流的侧向拉张力与板缘挤压共同作用，NW 向挤压减弱，控制煤系地层赋存的SN 向正断层大量发育，这一时期的构造运动形成了向阳、王东、八里河等断层，这些断裂将郭屯井田内部切割，对整个郭屯井田的地质构造影响剧烈，至今仍是郭屯煤矿主要地质构造；第三期为燕山晚期，板块挤压力取代了地幔应力，郭屯煤矿地块受到挤压作用发生整体偏移，逐渐形成了弧形构造，随后，受到多次不同旋向的张扭作用，形成了大量的隆起，如八里河背斜、郭屯向斜等。

现阶段，郭屯煤矿主要受控于田桥、田桥支、红庙、八里河、向阳、东张、八里庄、后辛等构造，这就表明，其受北西- 南东方向的挤压应力作用明显。结合郭屯煤矿现今地质构造特征及上述分析可知，该煤矿的主应力方向应大致为北西西- 南东东向（NWW-SEE）。

2 地应力现场实测

前述分析得出郭屯煤矿地应力应为NWW—SEE 向，为了验证其正确性并确定地应力大小，采用空心包体应力计进行地应力场的现场原位测量。

2.1 技术装备选取

此次地应力测量采用的空心包体应力解除法，是国际岩石力学学会推荐的4 种方法中可以在单孔取得测点三维应力状态的方法。使用的设备如图1所示。

图1 地应力测量主要设备Fig.1 Main equipment for in-situ stress measurement

2.2 地应力测量结果

根据测点选取原则并结合郭屯煤矿的地质开采条件与工程实践背景，共选取了5 个标准测点进行现场测量，将空心包体应力计测得的稳定阶段数据导入地应力测量专用程序，最终得出计算结果，汇总见表2。

表2 测量结果汇总Table 2 Summary of measurement results

续表

3 地应力分布规律分析

本文在现场实测数据结果的基础上，从主应力的大小、方向，主应力随埋深变化规律等方面对郭屯煤矿地应力场分布规律进行综合分析。

3.1 主应力大小分布特征

对获得的地应力数据进行统计分析可得：郭屯煤矿的最大主应力值为35.02~42.54 MPa，平均为37.19 MPa；最小主应力为12.06~19.08 MPa，平均为15.95 MPa；中间主应力为19.17 ~ 23.72 MPa，平均为20.31 MPa。进一步分析可知，郭屯煤矿属于水平构造应力占绝对主导的σH＞σv＞σh型地应力场，这种走滑型应力状态有利于走滑断层的孕育和活动，对巷道两帮的稳定性影响较大。此外，所有测点的应力值均在30 MPa 以上，属超高应力区，应力梯度为4.21 MPa/100 m，这主要是由郭屯煤矿范围内复杂的褶曲、断层等地质构造引起，因此应特别重视由高应力引起的一系列采场动力现象。

3.2 最大水平主应力方向分布特征

将5 个测点的最大主应力、中间主应力和最小主应力的方位角和应力值汇总在立体网格上，如图2 所示。对郭屯煤矿最大主应力方向进行统计分析可知，其主要集中分布在117°~134°（仅2 号测点分布在219°），平均值为143.6°，这与郭屯煤矿地应力场的宏观分析结果（NWW-SEE 向） 完全吻合，因此可以进一步确定，郭屯煤矿地应力场的方向为SE36.4°。

图2 主应力分布立体网格Fig.2 Dimensional grid diagram of principal stress distribution

3.3 主应力随埋深变化规律

将各测点的3 个主应力随埋深变化关系绘出，并采用最小二乘法进行线性回归拟合，应力随埋深的变化规律如图3 所示。

图3 主应力随埋深变化拟合曲线Fig.3 Fitting curve of principal stress with buried depth

式中：H 为深度，m；R 为相关性系数。

由式（1） ~（3） 可知，3 个主应力拟合方程的相关系数R2全部大于0.94，拟合效果较好。

分析拟合曲线可知，3 个主应力值均随埋深呈线性增长，其中最大主应力离散性稍大，中间主应力与最小主应力较为集中。

3.4 侧压系数随埋深变化规律

通常情况下，将最大水平主应力σH与垂直应力σv的比值定义为侧压系数λ，即λ=σH/σv。侧压系数的大小对于矿山井巷工程的设计、施工及维护还具有十分重要的参考价值[11-12]。根据统计结果，侧压系数λ 的范围为1.69~1.85，平均值为1.734。图4 中绘出了郭屯煤矿二三四采区5 个测试点的侧压系数随埋深的变化关系，回归拟合结果表明，侧压系数呈现随测点埋深的增加呈线性减小，其随埋深减小的趋势与理论完全吻合。

图4 侧压系数与埋深的关系Fig.4 Lateral pressure coefficient and buried depth

3.5 垂直主应力误差分析

垂直主应力作为中间主应力对测量结果的准确性具有较大的参考意义。根据实测结果，垂直主应力的范围为19.17 ~ 23.72 MPa，平均值为20.842 MPa。为验证测量结果的准确性，本文根据公式计算出垂直应力理论值，并将理论值与郭屯煤矿各测点的垂直主应力实测结果值列于表3 进行对比分析。根据公式（4） 来计算该矿原岩垂直应力的理论值：

表3 垂直应力误差分析Table 3 Vertical stress error analysis

式中：γ 为覆岩容重，取0.025 MN/m3；H 为深度，m。

由表3 可知，误差值最大为-19.4%，最小值为0.05%，平均为7.25%，平均误差不超过10%，理论值与实际测量值吻合较好，说明测量结果准确性较高。

4 结 论

（1） 郭屯煤矿地质历史上经历的3 次大型构造运动中，燕山中期对其影响最为强烈，NW-SE向挤压作用最为明显，根据其地质构造特征推断最大主应力方向应为NWW-SEE 向。

（2） 现场实测结果表明，郭屯煤矿最大主应力平均值为37.19 MPa，最大主应力方向为143.6°（SE36.4°）；属于水平构造应力占绝对主导的σH＞σv＞σh型地应力场，在量级上属于超高应力区。

（3） 郭屯煤矿最大主应力值随埋深呈线性增长，侧压系数λ 的范围为1.69 ~ 1.85，平均值为1.734；垂直主应力平均误差不超过10%，说明测量结果准确性较高。