地应力分布规律及其与地质构造运动的关系

1、地应力分布规律及其与地质构造运动的关系牛浩1, 尚林伟2（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 ;2.重庆安全技术职业学院，重庆 ）摘要：地应力是围岩失稳、冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的一个重要影响因素。平顶山矿区东部，地质构造复杂，煤岩动力灾害严重，通过矿区地质资料，分析了矿区地质构造运动。根据实测地应力数据，分析矿区所属的应力场类型，总结了矿区东部地应力分布规律。最后讨论了地应力与矿区构造运动的关系。关键词：地应力，构造运动，分布规律，应力场类型中图分类号：TD 文献标识码： 文章编号：In-situ Stress Distribution Law and the Re

2、lationship to In-situ Stress and the Tectonic MovementNIU Hao1，SHANG Linwei2（1.College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo , China；2.Chongqing Vocational Institute of Safety & Technology,Chongqing ,China）Abstract: In-situ stress is one of the most important effec

3、tive factors in the mine dynamic disasters such as the instability of surrounding rock, rock bursts, and coal and gas outburst. In the east field of PingDingShan coal mine, geological structure is complex., coal and rock dynamic disaster is critical, From analyzing the geological data in the mine ar

4、ea, learning the geological tectonic how to move. Then According to the actual measurement of geostress data, analyzing which stress field type it belongs to, and summarizing the regular of stress distribution in the eastern part of mining. Finally, the paper discusses the relationship between stres

5、s geostress and mining tectonic movement.Keywords: in-situ stress,tectonic movement,distribution,stress field type 0引言地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力1，它是影响围岩的稳定性的一个重要因素，引起巷道变形2-3、煤岩破坏的根本原因，为煤与瓦斯突出提供动力，是导致煤与瓦斯突出的重要因素之一4-7。平顶山矿区位于河南省中南部的平顶山市，矿区生产矿井主要位于区域构造李口向斜的南西翼。东部为李口向斜轴部过渡区，构造条件最复杂8，随着开采深度的增加，巷道维护越来越困难，冲击地压、

6、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害越来越严重。只有掌握了矿区东部具体的区域应力场等级，最大水平主应力等地应力分布特征，及地应力与矿区构造运动的关系，才能合理地进行巷道布置、维护，对煤岩动力灾害进行合理预防。1 平顶山矿区地质构造活动平顶山矿区位于华北板块南缘，受华北板块构造运动的控制。在地质史上，平顶山矿区主要经历3次大的构造运动，依次为三叠纪晚期的印支运动、中生代的燕山运动和新生代的喜山运动。 印支运动，使整个华北聚煤盆地三叠纪以前的地层发生了强烈的褶皱隆起和断裂运动。平顶山煤田位于华北聚煤盆地南缘逆冲推覆构造带，来自NW侧的推挤作用，主要是南北陆块沿近NW向北淮阳深大断裂发生碰撞的作用，使平顶山区

7、形成了九里山断裂、锅底山断裂、李口向斜、白石山背斜、灵武山向斜、襄郏里断裂等一系列NWW、NW向构造9。同时在十矿、十二矿形成了十矿向斜构、郭庄背斜等一系列造NWW、NW向压扭性构造（图1）。矿区应力场最大主应力NESW向，主要是由SW向NE推挤，中生代以来，该区第一期大的构造运动。燕山运动，主要是由于太平洋板块向北推移，形成的区域左旋力偶作用的应力场，在该区表现为近SN向的左旋扭动，构造应力场最大主应力为近NW-SE，这是第二期的构造应力场，使第一期发生的断裂构造又经受了近SN向的左旋扭动作用。原来NW向的断裂压扭性活动变为张扭性活动；原来NE向的断裂张扭性活动变为压扭性活动。喜山运动，该地

8、区受印度板块向北北东推挤作用的影响,形成了近北东向的区域右旋力偶作用的应力场，最大主应力方向发展为近东西向，这是第三期的构造应力场，原来NW向的断裂和在第二期的构造应力场作用下新产生的NW西向断裂，又发生了右旋压扭性活动；原来NE向断裂和在第二期的构造应力场作用下新产生的NNW向断裂又发生了张扭性活动。在这同时，该地区又发生了规模较大的差异升降运动,并一直延续到近代10。2平顶山矿区东部地应力分布特征为了研究平顶山矿区东部的应力状态，收集整理了一矿、八矿、十矿、十二矿、十三矿共五个矿的地应力测量结果（表1）。分析矿区东部35个地应力测点实测结果，结果表明，地应力分布具有一定的规律性。图1 平顶

9、山矿区构造应力场表1平顶山矿区东部地应力测试结果最大水平主应力中间主应力最小水平主应力矿名测点埋深 /m量值/Mpa方位角/倾角/量值/Mpa方位角/倾角/量值/Mpa方位角/倾角/一矿144019.0311112.212.6649.465.311.4196.4-21.1249018.641811.515.1288.36014.3991.7-29.9365222.39170-1417.6579.3-3.714.2155.275.2469230.831109.714.635.1-57.312.85193.7-30.8563322.06121-1.117.6331.436.414.99209.25

10、3.6655619.7498.153.316.7539.7-21.314.83141.8-28.3755528.13150-5.919.06-12.7-83.815.26239.9-1.9863320.82216.77-18.5917.85-38.32-25.2712.66266.0760.11955625.61122.6-2.8116.6236.0270.4212.62210.2919.441055533.02152.5-10.316.0412.93-74.113.72248.36-15.4八矿1495.528.1119-0.412.4628.49-59.75.97209.5-30.3280

11、7.334.152243.0222.38-16.172.4714.69153.317.253602.929.062526.5417.95.0373.8410.2216014.714482.513.74282.1-16.811.61191.6-1.97.9195.4-73.15482.514.62107.7-20.311.35197.8-0.37.23288.6-69.76588.516.7332.7-18.312.25238.4-12.79.09115.5-67.57589.416.72332.4-18.512.25238.2-12.49.07116.2-67.58627.4918.29288

12、.6-1.910.82198.2-11.48.38208.278.5十矿1112365.4660.1-138.06-151-75.831.26149.215.32106143.06-13213.326.160.576.222.36137.5-2.53106144.0660.4-1.828.38155.3-71.624.2149.117.5478534.32-158-1722.19-14171.418.29-66.6-4.8579336.1960.31525.0749.3-73.619.07-29.93.4686944.456-1425.48-26.7-11.517.1821.570.47869

13、44.2861.5-5.626.09-29.7-8.818.456.179851431.4353.26.117.48131.1-72.615.44146.216.1951429.3-131-6.818.34137.4-16.217.1160.272.21091440.243.1-7.828.27132.22.314.2427.5421191443.36-1319.323.12133-4.516.4281.479.1十 二 矿177041.34255-2.619.28-2575.2517.32165.714.49283048.25123-4.120.9844.3470.1322.36211.51

14、9.41362033.46110-5.416.94-21.5-81.924.2200.8-5.98十三 矿1722.519.617.9910.192790.231.1419.6815.94383537.0720.7919.532.1矿区东部应力场类型与量级在统计的35个测点中，属于类型的测点数有32个，占总测点数的91.4%，属于的类型的测点数有3个，占总测点数的8.6%。所有测点中最大水平主应力大于垂直主应力，因此在测量深度范围内，构造应力占绝对优势，属于构造应力场类型。彭向峰和于双忠11根据3个主应力的空间关系将原岩应力场划分的3种宏观类型：大地静力场、大地动力场型和准静水压力场型。本文所

15、有测点，最大、最小主应力均为水平主应力，中间主应力为垂直主应力，因此，矿区东部属于大地动力场。根据高地应力定量标准12，矿区东部地应力在所测量范围内处于高地应力向超高地应力过度地带。2.2主应力与埋深的关系矿区东部最大水平主应力、垂直主应力、最小水平主应力随深度的变化关系见图2。图2 主应力随埋深的变化关系总体上来看，测点的水平主应力为最小水平主应力和最大水平主应力；垂直主应力为中间主应力。随着埋深的增加，最小、最大水平主应力总体上表现为增大的趋势，但是数据较离散，在埋深555m附近，同一深度的最大水平主应力差值达13.42MPa，在埋深630m附近，不同深度最小水平主应力差值达15.8MPa

16、。采样最小二乘法回归分析得平顶山矿区东部地应力与埋深的关系为：（1）最大水平主应力 (1-1)相关系数R为0.688，表明最大水平主应力和埋深具有一定的相关性，但是离散型较大。我国煤矿区如焦作、淮南、平顶山、邯郸、峰峰、开滦和潞安等的地应力测量结果表明，我国煤矿区原岩应力相对较低13，最大水平主应力为。平顶山矿区东部在浅部，最大水平主应力小于我国其它煤与瓦斯突出矿井的最大水平主应力，但由于梯度大，随着埋深的增加，其值将远大于其它矿区应力值。随着开采深度不断加大，矿井的高地应力显现更加强烈，巷道支护困难、大变形、冲击地压，瓦斯突出等问题更加严峻，可以根据各地应力线性回归方程预测不同深度下的地应力

17、值，据此合理的对巷道进行布置、设计和支护。（2）最小水平主应力 (1-2)相关系数R为0.5218，最小水平主应力与埋深的关系离散型更大，相关性不明显。（3）中间主应力 (1-2)相关系数R为0.7787，说明中间主应力随深度的变化相关性较好。随深度增加回归曲线的梯度大于Hoek和Brown14通过研究世界各地116个现场地应力测量世界得出曲线的梯度。中间主应力的值略大于上覆煤岩的自重应力。2.3侧压系数的变化规律侧压系数指某点两个水平主应力的平均值和垂直应力的比值，是用来描述地应力状态的一个物理量。埋深400m-1200m之间，侧压系数随埋深变化曲线如图3所示。图3 侧压系数与埋深的关系侧压

18、系数分布在0.831.7之间。在500m以深，在1.2左右波动。而国内外这个比值在0.81.2之间，矿区东部的值略大于国内外的水平。图3反映出在400-1200m之间，侧压系数比较稳定，略有增大趋势，一般意义上侧压系数随埋深增加而逐渐减小，平顶山矿区东部与此相反。2.4最大水平主应力与最小水平主应力的关系图4 最大主应力与最小主应力之比随埋深的变化关系最大水平主应力与最小水平主应力之比的最大值为4.70，其余分布在1.2952.840之间。其中11.4%分布在1.21.5之间，85.7%分布在1.53.0之间（图4）。据图可知，最大水平主应力，与最小水平主应力相差很大。最大水平主应力与最小水平

19、主应力之比与测点的深度，关系不大，即随深度的增加，比值变化不明显。根据岩石力学相关岩石破坏机理，最大剪应力是最大、最小主应力差值的1/2，而岩体的破坏通常是由剪切破坏引起的，由于矿区东部最大、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，这也是平顶山矿区东部矿井断层、节理等比较发育，分布密集的原因之一。2.5矿区东部最大水平主应力方向变化矿区各个测点均最大、最小水平主应力方向近于水平方向，而且所有测点最大水平主应力都大于最小水平主应力和垂直应力，最大水平主应力与平面的平均夹角为2.0325：其中一矿最大水平主应力与水平面的夹角平均为2.4，八矿为11.4，十矿为0

20、.94，十二矿为4.03。一矿最大水平主应力方向为110216.77，平均为143.3；八矿最大主水平应力方向为107.7332.7，平均为242.3；十矿为43.1229，平均为116.6；十二矿为110255，平均为162.7，可以看出实测平顶山矿区东部各矿最大水平主应力方向差异较大，这主要与矿区的构造活动有关。3地应力与构造活动的关系地应力测量结果和研究表明，构造应力在现今的地应力场中起着主导和控制作用。现今地应力场的最大主应力的方向主要取决于现今构造应力场，它和地质史上曾经出现过的构造应力场之间并不存在直接或者必然的联系。只有在现今地应力场继承先前应力场而发展或与历史上某一次构造应力场

21、的方向偶合时，现今应力场的方向才可能与历史上的地质构造要素之间发生联系15。由前面分析可知，矿区构造应力的方向从第 1 期构造运动时的NE-SW 向转为第2 期构造运动时的NW-SE 向，最后逐渐成为第3 期构造运动时的近EW 向。一矿的十个测点中，测点1、4、5、7、9、10为NW-SE向，测点2、3为近似SN向，测点8为NE-SW向，测点6近EW向。八矿的8个测点中，测点1、5、6、7为NW-SE，测点3、4、8近EW向，测点2为NE-SW向。一矿和八矿完整反映了印支、燕山、喜山构造运动。十矿的11个测点全为NE-SW向，表明十矿受第2期的构造运动影响较大。十二矿的3个测点中，测点1近EW

22、向，测点2、3为NW-SE向，说明十二矿继承了后面两期的构造应力场。4结论（1）平顶山矿区东部440m开采时整体进入高地应力区，其中一矿、八矿局部555m开采时即进入极高地应力区，十矿、十二矿、十三矿800 m开采时即进入极高地应力区。在深部开采过程中高地应力问题将十分严重，为保证安全开采, 必须采取合理的支护和加固措施，并在开采过程中对高应力引起的各种地压活动和动力灾害进行全程监控。（2）随着深度增加，矿区东部垂直主应力、最大、最小水平主应力基本呈线性增加，其中垂直主应力相关性较好，且略大于上覆岩层的自重应力。最大水平主应力的相关性最差。十矿由于构造作用，地应力较大，造成局部应力集中。最大、最小水平主应力的比值集中分布在1.32.84之间。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。最大与最小水平主应力差值较大，岩体内剪应力较大，是造成东部矿井断层、褶曲等构造比较发育的原因之一。（3）研究表明，地应力场的最大主应力方向与矿区地质构造演化活动之间有明显的关系。参