地應(yīng)力分布規(guī)律以及與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的探討

張紅衛(wèi)（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三0一大隊，湖南 長沙 410114）

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地應(yīng)力分布規(guī)律以及與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的探討

張紅衛(wèi)（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三0一大隊，湖南 長沙 410114）

地應(yīng)力通常是指在地層中未被工程所擾動的天然應(yīng)力，其是能夠使得采礦工程發(fā)生變形以及遭到破壞的根本動力，為了有效對采礦工程進(jìn)行開采設(shè)計，并做出科學(xué)化的決策，則需要對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，地應(yīng)力產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜，本文對地應(yīng)力形成的原因進(jìn)行了簡要的分析，并就簡單的工程案例，分析了地應(yīng)力的分布規(guī)律，探討了其地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動。

地應(yīng)力；分布規(guī)律；地質(zhì)構(gòu)造；運(yùn)動

1　引言

經(jīng)過幾十年的實(shí)測，并對相關(guān)理論進(jìn)行分析可知，地應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因在于重力作用以及構(gòu)造的運(yùn)動，特別是水平方向上的構(gòu)造運(yùn)動，現(xiàn)階段，通常應(yīng)力狀態(tài)主要由最近一次的構(gòu)造運(yùn)動所控制，同時跟歷史上的相關(guān)構(gòu)造運(yùn)動有著密切的聯(lián)系，因此對其進(jìn)行分析研究時，要注意承前啟后。

2　地應(yīng)力的成因

地應(yīng)力產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜，其主要跟地球的各種動力運(yùn)動的過程有關(guān)，其中主要包含有：①板塊邊界受壓；②地幔之間的熱對流；③地球內(nèi)應(yīng)力；④地心引力；⑤地球旋轉(zhuǎn)；⑥巖漿浸入；⑦地殼非均勻擴(kuò)容等。此外，溫度不均，水壓存在梯度、地表被剝蝕以及其他物理化學(xué)變化都會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場，現(xiàn)階段地應(yīng)力場主要由構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)力場所構(gòu)成，其中板塊邊界受壓見圖1。

圖1　板塊邊界

目前的地應(yīng)力狀態(tài)主要是由最近的一次構(gòu)造運(yùn)動所控制，并且跟歷史上的構(gòu)造運(yùn)動也有著十分密切的關(guān)聯(lián)。在過去的億萬年間，地球經(jīng)歷了無數(shù)次大大小小的構(gòu)造運(yùn)動，這些運(yùn)動的應(yīng)力場更是經(jīng)過多次的疊加、牽引和改造，此外，由于地應(yīng)力場還會被其他因素所影響，使得地應(yīng)力的狀態(tài)更加的復(fù)雜和多變。

3　地應(yīng)力的實(shí)際分布規(guī)律以及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的具體分析

3.1工程案案例

3.1.1礦區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律

某煤礦在勘探階段，對其中的29個鉆孔進(jìn)行了勘探。其中：W-6，W-13，W-15，W-20，W-24，W-28，W-29等7個能夠被控制的礦區(qū)的應(yīng)力場的鉆孔被選定用于水壓致裂地的應(yīng)力測量。這七個測量鉆孔中，除了W-28由于要進(jìn)行水壓致裂測量試驗(yàn)因而還未終孔，并且深度僅有896.68m，其余的六個測量鉆孔的深度均都接近或超過1100m。七個測量孔中，進(jìn)行了6段水壓致裂試驗(yàn)的孔有4個，進(jìn)行了5段水壓致裂試驗(yàn)的孔有2個，進(jìn)行了4段水壓致裂試驗(yàn)的孔有1個。經(jīng)由每段水壓致裂試驗(yàn)所測所得的4個壓裂參數(shù)即分別為：①初始開裂壓力Pi；②裂隙重張壓力Pr；③關(guān)閉壓力 Ps；④地下水孔隙壓力P0，有了這幾項參數(shù)則可對各壓裂段（測點(diǎn)）2個水平主應(yīng)力（最大水平主應(yīng)力σH和最小水平主應(yīng)力σh）的大小進(jìn)行計算；為了對各測點(diǎn)主應(yīng)力的方向進(jìn)行確定，則可以了利用壓模試驗(yàn)，對壓裂裂隙的方位進(jìn)行驗(yàn)測，而對于垂直主應(yīng)力σv的大小而言，則需要由其自重應(yīng)力而定。7個測量鉆孔的37個測點(diǎn)的水壓致裂地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，包括水壓致裂試驗(yàn)壓力—時間曲線，3個壓裂參數(shù)分別為Pi，Pr，Ps和地下水孔隙壓力P0，3個主應(yīng)力σH，σh，σv的大小和方向。根據(jù)水壓致裂7個鉆孔的37個測點(diǎn)的地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計和分析，該煤礦地應(yīng)力場具體的分布規(guī)律如下所述：

（1）礦區(qū)最大水平主應(yīng)力σH與垂直主應(yīng)力σv（根據(jù)自重應(yīng)力計算）的比值，37個測點(diǎn)中有12個點(diǎn)的比值超過2，最大為3.22，最小為1.44，平均為1.97，反映出礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的特點(diǎn)。與整個華北地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場比較，該煤礦的地應(yīng)力大小屬中等偏上水平。

（2）在這37個測點(diǎn)中，其中有21個測點(diǎn)已經(jīng)確定了最大水平上的主應(yīng)力方向，測定利用的是印模器。其中，18個測點(diǎn)位于NE～SW向，3個測點(diǎn)位于NW～SE向，平均走向?yàn)镹E60左右。

（3）最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh以及垂直主應(yīng)力σv跟深度都呈現(xiàn)正相關(guān)的管理，會隨著其深度的增加而增加，其中，W-6，W-13，W-15和W-29鉆孔的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力均隨深度成近似線性增長的關(guān)系。

（4）在整個礦區(qū)中，最大的水平主應(yīng)力跟最小水平主應(yīng)力之間的比值（σH/σh）基本穩(wěn)定，主要集中在 1.22～1.65，均值為1.50左右。

（5）同一水平2個水平主應(yīng)力的差值（σH-σh）為5.9～22.8MPa，平均為13.57MPa；最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的差值（σH-σh）為9.0～37.5MPa，平均為19.63MPa。跟國內(nèi)其他地區(qū)的應(yīng)力差水平相比，此處的應(yīng)力差水平較高。

（6）該礦區(qū)的應(yīng)力分布狀況主要會受圍巖斷裂的影響，而呈現(xiàn)出不均勻性。礦區(qū)西南角的W-20，W-28和W-24鉆孔靠近于斷裂端點(diǎn)附近，此處的應(yīng)力比較的集中，并且所測得的應(yīng)力值較大；而位于斷裂兩旁的W-6，W-13和W-29鉆孔應(yīng)力值相對較小。

3.1.2地應(yīng)力的影響因素

由于礦區(qū)的地殼深層處的巖體地應(yīng)力分布的較為復(fù)雜，變化多端，究其原因，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因在于地應(yīng)力的來源較多，具體如下：

（1）巖體自重的影響

通常巖體應(yīng)力的大小跟該巖體上部所覆蓋的巖體的自重有關(guān)，經(jīng)相關(guān)研究表明，處于地球深部的巖體的地應(yīng)力通常分布都基本一致。然而在研究初始地應(yīng)力時不難發(fā)現(xiàn)，形成巖體初始應(yīng)力場的因素較多，因此難以對其剝蝕作用進(jìn)行考慮，分析常規(guī)反演時，一般只對巖體的自重以及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動進(jìn)行考慮。

（2）地形地貌和剝蝕作用的影響

地應(yīng)力受到地形地貌的影響十分的復(fù)雜，并且地應(yīng)力受到剝蝕作用的影響也很大，巖體剝蝕前，有一定數(shù)量的垂直應(yīng)力以及水平應(yīng)力存在于巖體內(nèi)，而巖體經(jīng)過剝蝕后，垂直應(yīng)力會有所降低，然而在這其中有部分垂直應(yīng)力得不到釋放，依舊保留一些應(yīng)力的數(shù)量，并且水平方向的應(yīng)力釋放的更少，幾乎保留了原先擁有的應(yīng)力數(shù)量，這就使得巖體內(nèi)部存在的應(yīng)力數(shù)值比現(xiàn)階段由于地層厚度而引起的自重應(yīng)力還要大。

（3）構(gòu)造運(yùn)動的影響

在地殼的深層巖體中，地應(yīng)力分布的規(guī)律較為復(fù)雜，并且地應(yīng)力的實(shí)際大小主要取決于構(gòu)造運(yùn)動引起的地應(yīng)力，其能夠?qū)Φ貞?yīng)力的實(shí)際大小進(jìn)行有效的控制，經(jīng)相關(guān)研究表明，產(chǎn)生巖體應(yīng)力的主要原因在于其上覆巖體自重產(chǎn)生的，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力則主要會對水平應(yīng)力的分布量進(jìn)行控制，其大小比鉛垂應(yīng)力要大得多。

（4）巖體的物理力學(xué)性質(zhì)的影響

就能量而言，地應(yīng)力實(shí)際上是積聚和釋放能量的過程，由于巖石中地應(yīng)力的實(shí)際大小會被巖石強(qiáng)度所限制，簡言之，即當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造相同時，巖體因素的函數(shù)、彈性強(qiáng)度較大的巖體都會對地應(yīng)力的積累產(chǎn)生直接的影響，因而礦區(qū)發(fā)生地震以及巖爆事故都會在這些部位發(fā)生，并且塑性巖體由于易發(fā)生變形而對應(yīng)力的積累產(chǎn)生不利的影響。

（5）水、溫度對地應(yīng)力的影響

巖體的地應(yīng)力會受到水、溫度的影響，在巖體中主要包含的層面有節(jié)理、裂隙等不連通層面，而這些裂隙里面又常會有水存在，裂隙中有水存在則會導(dǎo)致巖石空隙中產(chǎn)生一定的水壓力，而巖體的地應(yīng)力主要由孔隙水壓力以及巖石骨架的應(yīng)力而構(gòu)成。而地應(yīng)力受到溫度的影響則主要體現(xiàn)在兩方面，即地溫梯度和巖體局部受溫度。而由于地溫梯度而產(chǎn)生的地溫應(yīng)力，巖體的溫度應(yīng)力場為靜壓力場，可以與自重應(yīng)力場進(jìn)行代數(shù)迭加，如果巖體局部寒熱不均，就會產(chǎn)生收縮和膨脹，導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。

3.2礦區(qū)地應(yīng)力場與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

對上述礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造以及現(xiàn)階段構(gòu)造活動的主要特征以區(qū)域地震活動性和震源的機(jī)制進(jìn)行分析時，不難得知該煤礦所處地區(qū)構(gòu)造活動十分復(fù)雜，其主要構(gòu)造運(yùn)動都是在水平應(yīng)力的控制下實(shí)現(xiàn)的，由此不難說明此煤田的地應(yīng)力場主要由水平方向的構(gòu)造應(yīng)力場而控制。NNE～NE在受到來自NEE～SWW向區(qū)域的擠壓應(yīng)力場作用后，會向斷裂處形成順扭運(yùn)動，而NW～NWW則會向斷裂作反扭運(yùn)動；而后再由東濮凹陷所對應(yīng)的上地幔隆起作用使得地殼發(fā)生水平引張運(yùn)動，使得地殼變薄，并出現(xiàn)沉降運(yùn)動。此礦區(qū)所在地區(qū)現(xiàn)階段的構(gòu)造運(yùn)動主要體現(xiàn)在斷塊進(jìn)行調(diào)整性的升降運(yùn)動，而但魯西隆起區(qū)內(nèi)之弧形斷裂帶垂直形變速率均較低，絕大部分小于0.1mm/a，說明該區(qū)斷裂帶的現(xiàn)代構(gòu)造活動以水平扭動為主，垂直運(yùn)動分量很小。對震源機(jī)制解以及相關(guān)的地質(zhì)資料進(jìn)行分析后，不難得知，此省現(xiàn)階段的應(yīng)力場主要由主壓應(yīng)力軸為NEE～SWW向的應(yīng)力場所控制。該煤礦實(shí)測獲得的最大水平主應(yīng)力的方向，平均為NE60°左右。

圖2　該礦井田斷裂構(gòu)造體系

4　結(jié)語

綜上所述，對該礦區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行分析可知，此礦區(qū)地應(yīng)力的狀態(tài)主要以水平構(gòu)造為主，跟地殼表層地應(yīng)力的實(shí)際分布水平為主。為了有效避免圍巖發(fā)生變形，以及遭到破壞，需要對其地應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行分析，做好相關(guān)巷道的設(shè)計工作，對圍巖應(yīng)力的分布進(jìn)行有效的改善，確保地質(zhì)結(jié)構(gòu)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

［1］牛 浩，尚林偉.地應(yīng)力分布規(guī)律及其與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的關(guān)系［J］.煤炭技術(shù)，2014，33（7）：89～91.

［2］劉清利.地應(yīng)力分布規(guī)律對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響研究［J］.煤炭技術(shù)，2015，34（12）：12～13.

［3］孟 達(dá)，張 梅.基于古構(gòu)造應(yīng)力場的井田小構(gòu)造預(yù)測研究［J］.中國礦業(yè)，2015（6）：71～75.

張紅衛(wèi)（1966-），男，工程師，本科，主要從事地質(zhì)勘察等工作。

P55

A

2095-2066（2016）16-0083-02

2016-4-16