地应力分布规律及其与地质构造运动的关系

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454003;2.重庆安全技术职业学院，重庆404020）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-situStressDistributionLawandtheRelationshiptoIn-situStressandtheTectonicMovementNIUHao1，SHANGLinwei2（1.CollegeofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China；2.ChongqingVocationalInstituteofSafety&Technology,Chongqing404020,China）Abstract:In-situstressisoneofthemostimportanteffectivefactorsintheminedynamicdisasterssuchastheinstabilityofsurroundingrock,rockbursts,andcoalandgasoutburst.IntheeastfieldofPingDingShancoalmine,geologicalstructureiscomplex.,coalandrockdynamicdisasteriscritical,Fromanalyzingthegeologicaldataintheminearea,learningthegeologicaltectonichowtomove.ThenAccordingtotheactualmeasurementofgeostressdata,analyzingwhichstressfieldtypeitbelongsto,andsummarizingtheregularofstressdistributionintheeasternpartofmining.Finally,thepaperdiscussestherelationshipbetweenstressgeostressandminingtectonicmovement.Keywords:in-situstress,tectonicmovement,distribution,stressfieldtype0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、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NE—SW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。背斜向斜正断层逆断层最大应力轨迹最小应力轨迹最大应力方向最小应力方向印支期燕山期喜山期郏县断裂李口向斜襄郏断裂张集平顶山市鲁渡襄城县后聂李口镇裂断鲁叶N036Km郏县断裂李口向斜襄郏断裂张集平顶山市鲁渡襄城县后聂李口镇裂断鲁叶N036Km郏县断裂李口向斜襄郏断裂张集平顶山市鲁渡襄城县后聂李口镇裂断鲁叶N036Km图1平顶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1中间主应力2最小水平主应力3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144019.0311112.212.6649.465.311.4196.4-21.1249018.641811.515.1288.36014.3991.7-29.9365222.39170-1417.6579.3-3.714.2155.275.2469230.831109.714.635.1-57.312.85193.7-30.8563322.06121-1.117.6331.436.414.99209.253.6655619.7498.153.316.7539.7-21.314.83141.8-28.3755528.13150-5.919.06-12.7-83.815.26239.9-1.9863320.82216.77-18.5917.85-38.32-25.2712.66266.0760.11955625.61122.6-2.8116.6236.0270.4212.62210.2919.441055533.02152.5-10.316.0412.93-74.113.72248.36-15.4八矿1495.528.1119-0.412.4628.49-59.75.97209.5-30.32807.334.152243.0222.38-16.172.4714.69153.317.253602.929.062526.5417.95.0373.8410.2216014.714482.513.74282.1-16.811.61191.6-1.97.9195.4-73.15482.514.62107.7-20.311.35197.8-0.37.23288.6-69.76588.516.7332.7-18.312.25238.4-12.79.09115.5-67.57589.416.72332.4-18.512.25238.2-12.49.07116.2-67.58627.4918.29288.6-1.910.82198.2-11.48.38208.278.5十矿1112365.4660.1-138.06-151-75.831.26149.215.32106143.06-13213.326.160.576.222.36137.5-2.53106144.0660.4-1.828.38155.3-71.624.2149.117.5478534.32-158-1722.19-14171.418.29-66.6-4.8579336.1960.31525.0749.3-73.619.07-29.93.4686944.456-1425.48-26.7-11.517.1821.570.4786944.2861.5-5.626.09-29.7-8.818.456.179851431.4353.26.117.48131.1-72.615.44146.216.1951429.3-131-6.818.34137.4-16.217.1160.272.21091440.243.1-7.828.27132.22.314.2427.5421191443.36-1319.323.12133-4.516.4281.479.1十二矿177041.34255-2.619.28-2575.2517.32165.714.49283048.25123-4.120.9844.3470.1322.36211.519.41362033.46110-5.416.94-21.5-81.924.2200.8-5.98十三矿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1＞2＞3类型的测点数有32个，占总测点数的91.4%，属于1＞3＞2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。01020304050607040060080010001200埋深/m主应力/MPa最大主应力中间主应力最小主应力图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。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2187.60531.01h(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402.01h。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1675.00216.03h