郭屯煤礦地應力分布規律研究

尹茂勝，趙仁寶，孟圣師，鄭義寧

（1.山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島 266590；2.魯西礦業集團 郭屯礦，山東 菏澤 274000）

0 引 言

地應力是引發采礦、地下硐室、土木建筑、邊坡等各類巖土工程圍巖變形和破壞的根本力源。特別是對煤炭開采而言，回采巷道設計、圍巖變形控制等應從地應力實測和分析入手，已成為采礦行業工程技術人員的基本共識[1-4]。

近年來，我國采礦科技工作者在地應力測量方法與裝備、地應力現場實測、地應力分布規律與工程應用等方面進行了大量有益探索。如蔡美峰院士[5-6]發明了一種完全溫度補償的地應力測量方法和裝置，提出了符合工程巖體特性的地應力測量理論分析與計算方法，極大提高了空心包體地應力測量方法的準確性；康紅普院士[7-8]提出了適用于深部煤礦巷道的小孔徑水壓致裂地應力測量方法，并在潞安、晉城、汾西等多個礦區進行地應力實測應用；李鵬等[9]研究了山東地區地應力場特征與地殼應力積累理論，探討了地殼的穩定性；王迎超等[10]對平頂山礦區地應力分布規律進行了實測和分析。上述研究成果使地應力測量在原理、方法與技術裝備上日漸完善，同時為我國煤炭開采積累了大量地應力實測數據。

本文采用空心包體應力解除法對郭屯煤礦二、三、四采區進行地應力現場實測，系統的研究該礦地應力場大小和方向的分布特征以及主應力、側壓系數隨埋深變化規律。研究成果對該礦巷道方位選擇和支護方案合理化設計等具有重要理論與現實意義。

1 地應力方向預測

1.1 概 況

郭屯煤礦位于山東省菏澤地區鄆城縣城南約3～17 km，井田中部距鄆城縣城約10 km。井田面積69.33 km2，主采煤層為3（3下） 煤層，平均厚4.73 m。井田內上覆新生界地層厚530～650 m，主要由粘土、砂質粘土組成。郭屯煤礦以走向大致南北，傾向東的單斜構造為主，東界為田橋斷層，西界為煤系地層隱伏露頭。構造復雜程度中等，地層呈西、南部緩，北、東部陡的趨勢。礦井內的主要斷層、褶曲見表1。

表1 郭屯煤礦主要構造一覽Table 1 List of main structures of Guotun Mine

1.2 地質構造演化規律分析

郭屯煤礦在地質歷史上，主要經歷了三疊紀時期的印支運動、中生代燕山中期和燕山晚期3 次構造運動，各期運動對地應力場影響各不相同。

第一期為印支運動，使整個華北煤聚盆地發生了強烈的褶皺隆起和斷裂運動，南北大陸塊近EW方向發生碰撞作用，形成了EW 向褶曲和斷層，如鄆城斷裂、菏澤斷裂等，此時期的構造運動形成了郭屯煤礦的邊界；第二期為燕山中期，受地幔塑流的側向拉張力與板緣擠壓共同作用，NW 向擠壓減弱，控制煤系地層賦存的SN 向正斷層大量發育，這一時期的構造運動形成了向陽、王東、八里河等斷層，這些斷裂將郭屯井田內部切割，對整個郭屯井田的地質構造影響劇烈，至今仍是郭屯煤礦主要地質構造；第三期為燕山晚期，板塊擠壓力取代了地幔應力，郭屯煤礦地塊受到擠壓作用發生整體偏移，逐漸形成了弧形構造，隨后，受到多次不同旋向的張扭作用，形成了大量的隆起，如八里河背斜、郭屯向斜等。

現階段，郭屯煤礦主要受控于田橋、田橋支、紅廟、八里河、向陽、東張、八里莊、后辛等構造，這就表明，其受北西- 南東方向的擠壓應力作用明顯。結合郭屯煤礦現今地質構造特征及上述分析可知，該煤礦的主應力方向應大致為北西西- 南東東向（NWW-SEE）。

2 地應力現場實測

前述分析得出郭屯煤礦地應力應為NWW—SEE 向，為了驗證其正確性并確定地應力大小，采用空心包體應力計進行地應力場的現場原位測量。

2.1 技術裝備選取

此次地應力測量采用的空心包體應力解除法，是國際巖石力學學會推薦的4 種方法中可以在單孔取得測點三維應力狀態的方法。使用的設備如圖1所示。

圖1 地應力測量主要設備Fig.1 Main equipment for in-situ stress measurement

2.2 地應力測量結果

根據測點選取原則并結合郭屯煤礦的地質開采條件與工程實踐背景，共選取了5 個標準測點進行現場測量，將空心包體應力計測得的穩定階段數據導入地應力測量專用程序，最終得出計算結果，匯總見表2。

表2 測量結果匯總Table 2 Summary of measurement results

續表

3 地應力分布規律分析

本文在現場實測數據結果的基礎上，從主應力的大小、方向，主應力隨埋深變化規律等方面對郭屯煤礦地應力場分布規律進行綜合分析。

3.1 主應力大小分布特征

對獲得的地應力數據進行統計分析可得：郭屯煤礦的最大主應力值為35.02~42.54 MPa，平均為37.19 MPa；最小主應力為12.06~19.08 MPa，平均為15.95 MPa；中間主應力為19.17 ~ 23.72 MPa，平均為20.31 MPa。進一步分析可知，郭屯煤礦屬于水平構造應力占絕對主導的σH＞σv＞σh型地應力場，這種走滑型應力狀態有利于走滑斷層的孕育和活動，對巷道兩幫的穩定性影響較大。此外，所有測點的應力值均在30 MPa 以上，屬超高應力區，應力梯度為4.21 MPa/100 m，這主要是由郭屯煤礦范圍內復雜的褶曲、斷層等地質構造引起，因此應特別重視由高應力引起的一系列采場動力現象。

3.2 最大水平主應力方向分布特征

將5 個測點的最大主應力、中間主應力和最小主應力的方位角和應力值匯總在立體網格上，如圖2 所示。對郭屯煤礦最大主應力方向進行統計分析可知，其主要集中分布在117°~134°（僅2 號測點分布在219°），平均值為143.6°，這與郭屯煤礦地應力場的宏觀分析結果（NWW-SEE 向） 完全吻合，因此可以進一步確定，郭屯煤礦地應力場的方向為SE36.4°。

圖2 主應力分布立體網格Fig.2 Dimensional grid diagram of principal stress distribution

3.3 主應力隨埋深變化規律

將各測點的3 個主應力隨埋深變化關系繪出，并采用最小二乘法進行線性回歸擬合，應力隨埋深的變化規律如圖3 所示。

圖3 主應力隨埋深變化擬合曲線Fig.3 Fitting curve of principal stress with buried depth

式中：H 為深度，m；R 為相關性系數。

由式（1） ~（3） 可知，3 個主應力擬合方程的相關系數R2全部大于0.94，擬合效果較好。

分析擬合曲線可知，3 個主應力值均隨埋深呈線性增長，其中最大主應力離散性稍大，中間主應力與最小主應力較為集中。

3.4 側壓系數隨埋深變化規律

通常情況下，將最大水平主應力σH與垂直應力σv的比值定義為側壓系數λ，即λ=σH/σv。側壓系數的大小對于礦山井巷工程的設計、施工及維護還具有十分重要的參考價值[11-12]。根據統計結果，側壓系數λ 的范圍為1.69~1.85，平均值為1.734。圖4 中繪出了郭屯煤礦二三四采區5 個測試點的側壓系數隨埋深的變化關系，回歸擬合結果表明，側壓系數呈現隨測點埋深的增加呈線性減小，其隨埋深減小的趨勢與理論完全吻合。

圖4 側壓系數與埋深的關系Fig.4 Lateral pressure coefficient and buried depth

3.5 垂直主應力誤差分析

垂直主應力作為中間主應力對測量結果的準確性具有較大的參考意義。根據實測結果，垂直主應力的范圍為19.17 ~ 23.72 MPa，平均值為20.842 MPa。為驗證測量結果的準確性，本文根據公式計算出垂直應力理論值，并將理論值與郭屯煤礦各測點的垂直主應力實測結果值列于表3 進行對比分析。根據公式（4） 來計算該礦原巖垂直應力的理論值：

表3 垂直應力誤差分析Table 3 Vertical stress error analysis

式中：γ 為覆巖容重，取0.025 MN/m3；H 為深度，m。

由表3 可知，誤差值最大為-19.4%，最小值為0.05%，平均為7.25%，平均誤差不超過10%，理論值與實際測量值吻合較好，說明測量結果準確性較高。

4 結 論

（1） 郭屯煤礦地質歷史上經歷的3 次大型構造運動中，燕山中期對其影響最為強烈，NW-SE向擠壓作用最為明顯，根據其地質構造特征推斷最大主應力方向應為NWW-SEE 向。

（2） 現場實測結果表明，郭屯煤礦最大主應力平均值為37.19 MPa，最大主應力方向為143.6°（SE36.4°）；屬于水平構造應力占絕對主導的σH＞σv＞σh型地應力場，在量級上屬于超高應力區。

（3） 郭屯煤礦最大主應力值隨埋深呈線性增長，側壓系數λ 的范圍為1.69 ~ 1.85，平均值為1.734；垂直主應力平均誤差不超過10%，說明測量結果準確性較高。