沈阳红菱煤矿地应力测量.pdf

第 l 4卷第 3 期 2 0 0 8年 9月 地 质 力 学 学 报 J OURNAL OF GEOME CHANI CS V 0 1 1 4 N o 3 S e p200 8 文章编号 ：1 0 0 6 6 6 1 6( 2 0 0 8 )0 3 0 2 8 6 0 6 沈阳红菱煤矿地应力测量 赵卫华 ，孙东生 ，王红才 ，梁俊义 王 平 ，张军红 ，王 军。 ( 1 国土资源部新构造运动与地 质灾害重点实验室 ，北京1 0 0 0 8 1 ； 2 中国地质科学院地 质力学研究所 ，北京 1 0 0 0 8 1 ； 3 沈阳煤业集团 红菱煤矿 ，辽宁 沈阳 1 1 0 1 0 6 ) 摘 要 ：为 了 了解红 菱煤矿地 应 力状态和 分布特 征 ，采 用 空芯包体 应力解 除法进 行 了地应 力 实测工作 ，获 得 了该 矿 区 3个 水 平 3个 测 点 的三 维地 应力 状 态 。实 测表 明：该 区地 应力 以水平 构 造 压 应 力 为 主导 ， 三个 测 点 的 最大 主 应 力 均 为 N N E 向， 最大主应力在 l8 3 2 2 1 5 MP a 之间，最大主应力的大小是随深度的增加而增加的。 中间主应 力为铅 直应力 ，在 1 3 1 1 4 7 9 M P a之 间。 最小 主 应 力在 9 5 41 3 0 8 M P a 之 间。测 量结果 可用于 本矿 区的 生产设计 ，并作 为煤 与瓦斯 突 出等 矿 山灾害评价 的 参考 资料 。 关键词 ：地 应力 测量 ；空 芯包 体 法；煤 与瓦斯 突 出；红菱矿 区 中 图分 类号 ：P 5 5 3 文献标识 码 ：A 0 引 言 影响岩体工程稳定性 以及煤矿安全的因素 中，地应力状态是最重要的因素之一。巷道、 采场 以及地 下洞室 的稳 定性与 地质构 造条件 、岩体 力学性 质 和原岩应 力状 态有 密切关 系。获 取地 应力状 态将 为开挖 和支 护等工程 设计提 供科学 数据 。随着 煤炭价 格 的攀升 ，许多煤 矿着 手进行 深部 开采 ，深部 地应力 更加复 杂 ，对 施工影 响加 大 。因此 ，地 应力 场的研 究对于 煤矿 安 全 、高效 生产尤 为重 要 。 煤与瓦斯突出是煤矿高地应力的突出表现之一，近二十年来 ，据不完全统计红菱煤矿发 生煤与瓦斯突出事故达 1 5 0次以上，仅 9 6年度就曾发生 2 2次煤与瓦斯突出，其 中最高强度 达 5 3 9 0吨，瓦斯涌出 4 2万 r n 3以上。因此 ，开展矿 区地应力研究还将 为开展该矿煤与瓦斯 突 出灾害研 究提供 重要 基础数 据 。 目前 ，原岩现今应力测量方法很多 ，但适合矿山应力测量的主要方法之一是空芯包体应 力解除法 。这种方法在一次套芯测量中可以获得三维应力状态。本次红菱煤矿地应力测量 收稿 日期 ：2 0 0 8 0 6 ， 0 1 基金项 目：中国地质科学院基本科研业务费专项 ( 编号 ：Y w f 0 6 0 7 1 7 )经 费资助 ；地质力学所 基本科研业务费 ( 编号 D Z L X J K 2 0 0 7 0 5 )资助 。 作者简介：。赵 卫华( 1 9 8 4 ) ，男，硕士研究生 ，从事地质调查及地应力研究工作。E - m a i l： w e i h u a z h a o 1 6 3 co rn。 第 3 期 赵卫华等 ：沈阳红菱煤矿地 应力测量 2 8 7 使 用 的就 是 空芯包体 应 力解 除法 。 1 红菱煤矿 区域地质构造概况 红菱煤矿区域构造位于新华夏第二巨型沉降带中，下辽河断陷带的东坡与东西向太子河 坳陷带复合部位。早期产生 吕梁运动即发育的温香一鞍山东西 向断裂和北东东向的苏家屯一 浑河断裂 ，使煤 田南侧营口背斜和北侧沈阳隆起的古老地层抬起，从而控制了本区古生代地 层 的沉积 范围 。区 内构造 以褶 皱为 主 ，断层 次 之 。褶 皱 的平 面形态 表现 为 以宽 缓倾 伏 向斜 和 线形 窄背斜 相互 交替 出现 为 主 ，向斜 核部 分布 二叠 系地层 ，背 斜核 部为奥 陶系地层 ，两翼 为 石炭系。向斜呈北宽南窄 ，东陡西缓 ；背斜北窄南宽 ，总体向西南倾伏。本井 田呈一单斜构 造 ，倾向南东 ，倾角在 2 O 。 4 5 。 之 间，浅部较缓 ，深部 中段局部可达 5 0 。 。井 田内构造方向 与 区域 构造 大体一 致 。该 区因受 北西 一南东 方 向挤压 力产 生北东 及北 西两 组断 裂 ，其 中北 东 向断裂在后期因中生带下辽河凹陷大幅下降 ，断裂再次活动 ，所 以比北西向断裂发育。F 1 9 断层 和北风井断层是本井 田控制程度较 高的主要断层 ，其它 中、小断层都是它的派生 构 造 、低序次构造。从断层产状看主要有 N E和 N W 两组 ，N E组 ，比较发育而 N W组次之 。 2 地 应力测量方法简介n 川 采用 K X 8 1 型空芯包体式三轴地应力计，用解除法进行了地应力测量 。应力计如图 1 所 示 。它可 在单孔 中通 过一 次套 芯解除 获得 三维 应力状 态 。该方 法具 有使用 方便 、安 装操作 简 单 、成本低 、效率高等优点。K X 8 1型空芯包体三轴地应力计 的外径为 3 5 5 m m，工作长度 为 1 5 0 m m，可安装在直径为 3 6 53 8 ra m的小钻孔中，应力计具有很好的绝缘防水性能。 图 1 K x 一 8 1 型空芯包体 三轴地应力计结构示意图 Fig 1 A s k e t ch s h o win g t h e s t r u ct u r e o f KX一 81 t r ia x ia l ho llo w in clu s io n g a u g e s f o r in - s it u s t r e s s 1 安装杆 ；2 定向器导线 ；3 定 向器 ；4 读数 电缆 ；5 定 向销 ；6 密封圈 ；7 环氧树脂 筒；8 空腔 ( 内装粘 胶剂 ) ；9 固定销 ；1 0 应力计 与 L 壁之间 的空 隙；1 1 柱塞 ；1 2 岩石钻 孔；l3 出胶孔 ；J 4 密封 圈；l5 导 向 头 ；1 6 应变花 3 测点的选择 测点布置应遵循下列原则 ：完整或尽量完整的岩体 内，一般要远离断层，避开岩石 破碎 带 和断裂发 育带 ；远 离或 尽量 远离较 大 开挖体 ，如大 的采 空 区 、大峒 室等 ；避 开巷道 和 采场的弯 、叉 、拐 、顶部等应力集中区，保证应力测点必须位于原岩应力区，即原始应力状 态未受工程扰动的地区。为了研究地应力状态随深度变化的规律 ，测量应尽量在 3个或 3个 2 8 8 地质 力 学 学报 以上 水平进 行 。按照 以上原则 ，我们 在 矿井 一6 8 0 m、 一7 1 0 m、 一7 8 0 m三 个水 平 各 选择 1 个 测点 ，编号分别 定义 为 S Y 6 8 0 、S Y 7 1 0和 S Y 7 8 0 。 4 测量结果 4 1 地应 力解 除数据 及 曲线 在上述 三个测 点成 功地进行 了应力 解 除测量 。S Y 6 8 0测 点位 于 一6 8 0水 平 回风 巷道 ，钻 孔方位 1 8 7 。 ，仰角为 1 8 。 ，解除深度为 4 5 m，岩性为粉砂岩。S Y 7 1 0测点位于 一7 1 0水平底 板巷 ，钻孔 方位 1 7 。 ，仰 角 为 1 8 。 ，解 除深 度 为 4 2 m，岩性 为灰 色粉 砂 岩 。S Y 7 8 0测 点位 于 一 7 8 0瓦斯抽放 巷 ，钻 孔方 位 1 9 6 。 ，仰角 为 9 。 ，解 除深 度 为 4 2 6 m，岩性 为 灰 色粉 砂 岩。三 个测 点均取 得 了较 好 的效 果并得 到相 应 的应力 解 除 曲线 ( 图 2 ，图 3 ，图 4 ) 。原 始数 据列 于 表 1 中。图中可以看出每个应力解除曲线的变化过程，每条曲线都有较强的规律性 ，与应力 解除 过程 的应 力变 化理论 分 析是 一 致 的。岩 石 的弹性 模 量 和泊 松 比为 ：测 点 S Y 6 8 0岩石 弹 性模 量 1 7 9 6 G P a ，泊松 比 0 2 8 ；测 点 S Y 7 1 0岩 石 弹性 模量 1 9 2 G P a ，泊松 比 0 2 6 ；测 点 S Y 7 8 0岩石 弹性模 量 2 3 5 G P a ，泊 松 比 0 2 8 。 表 1 原 岩 应 力测 量 数 据 Ta b le l Da t e o f t h e in - s it u r o ck s t r e s s me a s u r e me n t 号 嚣 定 向 仪 应 变 仪 读 数 ( E ) 角 度 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 l 1 12 注 ：“ 一”表示无数据 。 4 2原岩应 力 的大小和 方 向 应力测量结果列于表 2和表 3中，数据处理使用专用软件实现 。测点 S Y 6 8 0的最大 主应力 为 1 8 3 2 M P a ，方 位为 2 0 2 3 8 。 ，倾 角 2 5 1 5 。 ；中间 主应 力 为 1 3 9 0 MP a ，方 位 为 9 6 9 。 ， 倾 角 6 4 3 。 ；最 小主应 力为 1 2 7 2 M P a ，方 位为 1 1 0 0 5 。 ，倾 角 4 9 。 。测点 S Y 7 1 0的最 大主应力 为 1 9 3 9 M P a ，方 位 为 2 0 9 2 9 。 ，倾 角 1 0 。 ；中 间 主 应 力 为 1 3 1 M P a ，方 位 为 6 4 6 9 。 ，倾 角 7 7 7 9 。 ；最小 主应力 为 9 5 4 M P a ，方 位 为 1 2 0 5 2 。 ，倾角 6 9 3 。 。测 点 S Y 一 7 8 0的最 大 主应 力 为 2 1 5 M P a ，方位 为 1 9 2 3 5 。 ，倾 角 1 5 0 3 。 ；中 间 主应 力 为 1 4 7 9 MP a ，方 位 为 0 1 8 。 ，倾 角 7 4 6 4 。 ；最小主应力为 1 3 0 8 M P a ，方位为 1 0 1 5 2 o ，倾角 3 0 9 。 。 三个测点的最大主应力 和最小主应力 倾角较 小，近于 水平 向。其 中，最 大主应力为 N N E向，最小主应力为 N WW 向。中间主应力倾角较陡，近于垂向。主应力方位的赤平投影 如 图 5 所 示 。 4 3应力 随深度变化 规律 用线性拟合的方法求出 了最大水平主应力( ) 、最 小水平 主应力( )和铅直应力 ( d )随深度 ( ) 的变 化 规律 ： H=0 0 3 3 7 H 一5 1 5 4 3 MP a ； =0 0 ll8 日+3 2 9 1 4 MP a ； = 0 0 2 5 1 HM P a 。可 以看 出 ，地应 力随 深度 的增 加具 有增 大 的趋势 。 啷 一 黜 跏 例 一 6 一 6 懈 9 盯 咖 m 瑚 第 3期 赵卫 华等 ：沈阳红菱煤 矿地 应力测量 2 8 9 解 除深度 cm 图 2 S Y 6 8 0测 点应 力解 除 曲线 Fig 2 Co r r e s po nd in g cu r v e s d u r in g t he o v e r e o r in g a t s it e S Y68 0 O 3 6 9 1 2 1 5 1 8 21 2 4 27 3 0 3 3 3 6 解除深度 ， cm 图 4 S Y 7 8 0测 点应 力解 除 曲线 F ig 4 Co r r e s po n d in g cu r v e s d u r in g t h e o v e r co r in g a t s it e S Y78 0 0 3 6 9 I 2 l 5 l 召2l 2 4 2 7 3 0 3 3 3 6 解 除深度 cm 图 3 S Y 一 7 1 0测 点应力 解 除 曲线 F ig 3 Co r r e s p o n d in g cu r v e s d uri n g t h e o v e r co r in g a t s it e S Y71 0 0 I T 】 Sy 一6 80 主 力 投 影 最 大 土 应 力 投 影 中 问主席力投 影 -最 小 主 应 力 投 影 T S y 一 7 1 0 主心 投 影 丫 人 十 应 投 影 v 中 H 戍 投 影 - 最 小 卡腑 投 影 Sy一 78 0丰 麻 投 影 鲑人主应 力投影 中问十应 力投影 最 小 卡 应 力 投 影 图 5 测 量结 果极 射 赤平投 影 图 表 2 原岩现 今应力分量 Ta b le 2 Ro ck s t r e s s co mp o n e n t s F i g 5 S t e r e o g r a p h ic p r o j e ct i o n o f p ri n cipa l s t r e s s 表 3原岩现今应力测量结果 r a b le 3 Re s u hs o f r o ck s t r e s s me a s u r e me n t 0 湖 枷 咖 咖 啪 伽 姗 蜘 姗 o 猢 2 9 0 地质 力 学 学报 2 0 0 8 4 4测量结 果的应 用 实测地应力数据是矿山开采 、巷道开拓 、硐室施工设计的重要基础数据 ，硐室断面形状 的选择 、开挖顺序 、锚杆支护深度等 ，都要根据地应力状况做出决定 。 目前 ，人们对煤与瓦斯突出机理的认识尚不完善 ，但综合因素作用是被广泛认可的 。 煤层应 力状 态 、瓦斯压 力和煤体 物理 力学性 质是 三个重要 的因素。其 中 ，地 应力是 一个较 为 重要的影响因素 ：第一 ，煤层的孑 L 隙率受其所处应力状态控制 ，统计数据显示，随着有效应 力增大孔隙率降低 。第二，由于地应力的作用 ，使孑 L 隙 中的瓦斯具有压力，瓦斯压力随 着地应 力 的增 大而增 大 ；同时 ，瓦斯 压力 又在 孔 隙壁上产 生拉应 力 。因此 ，高瓦斯 压力和 高 地应力 是密切 联 系的 。第三 ，矿 山的工程 建设会 扰动 原地应力 场 ，形 成局 部 的应 力集 中和 释放 区域 ，产生局 部能 量的集 聚 ，这 会成 为煤与 瓦斯突 出 的触发 因素 。因此 ，在诸 多的影 响 煤与 瓦斯突 出的 因素 中 ，地应力 就显得 尤为 重要 。红 菱煤 矿 曾多次 发生 煤 与 瓦斯 突 出事故 ， 本次地 应力测 量将 会对 本矿 山煤 与 瓦斯 突 出预测提 供帮助 。 5 结论 ( 1 )由地应力 测量结 果可 以看 出 ，该矿 区地应力 以水 平构 造压应 力 为主 。最 大主应 力 为 N N E向 ，最大 主应力 在 l8 3 2 2 1 5 M P a 之 间 ；中 间主应 力 为铅 直应 力 ，在 1 3 1 1 4 7 9 M P a 之间 ；最小 主应力 在 9 5 41 3 0 8 MP a 之 间 。测量 结果 与 地 质构 造推 断 的 区域 构 造应 力 场 比 较吻合 。 ( 2 )最 大主应 力 随深度 的增加基 本呈线性 增 大的趋 势 。铅 直应力 小 于理 论计 算结 果 ，这 可能 与上部 采空 区的存 在有关 。 ( 3 )该 结果可 用于本 矿 区的生产 设计 ，并 可作 为煤 与瓦斯 突出等 矿 山灾 害评 价 的参 考依 据 。 致谢 ：本工 作是 在地质 力学研 究所 王连捷研 究员 的悉心指 导下 完成 的 ，地应 力测量 现场工 作 得到了沈阳煤业集团韩德义副总工程师和红菱煤矿各级领导的大力支持，得到了瓦斯科 、地 测科和生产科的大力协助，在此对他们一并表示衷心的感谢。 参 考 文 献 王连捷 ，廖椿庭 ，区明益 ，等 K X 一 8 1 型空芯包体三轴地应力计 J 地质力学文集第八集 ，1 9 8 8 1 2 71 3 6 王平 ，胡桂娟，李大勇 F I 9断层 含水导水性研究 J 煤矿开采 ，2 0 0 4 V o l ( 1 9 ) ：1 41 6 汪西海 煤和瓦斯突出与地应力之关系 J 地质力学学报 ，1 9 9 7 V o l ( 3 ) ：8 8 9 3 王连捷，任希 ，丁原辰 ，等 地应力测量在采矿工程 中的应用 M北 京：地震出版社 ，1 9 9 4 2 9 4 5 蔡美峰，乔兰，于波 ，等 金川二矿区深部地应力测量及其分布规律研究 J 岩石 力学与工程学报 ，1 9 9 9 4 1 4 41 8 王连捷，潘立宙 ，廖椿庭 ，等著地应力测量及其在工程中的应用 M北京 ：地质 出版社 ，1 9 9 1 1 1 01 4 5 杨小聪，王连捷 地应力测量的误差处理及精 度评定 J 地质力学学报，2 0 0 0 V o l ( 6 ) ：5 3 6 3 王连捷 ，王薇 多种方法得到的地应力测量资料 的综合处理 J 地质力学所所刊，1 9 8 9 第 l 2号 ：1 5 9 1 7 0 E H o e k ，ETB r o w n 岩石地下工程 M 北京 ：冶金工业出版社 ，1 9 8 6 1 0 7 1 0 8 于不凡煤 和瓦斯突 出机理 M北京：煤炭工业出版社 ，1 9 8 5 8 1 8 2 J S B e l1 I n S it u s t r e s s a n d co a l b e d m e th a n e p o te n t ia l in w e s t C a n a d a lJ J B u lle t in o f C a n a d ia n P e t r o le u m G e o lo g y ，2 0 0 6 i j】l 2 3 4 5 6 7 8 9 m ； 第 3 期 赵卫华等 ：沈阳红菱煤矿地应力测量 2 9 l V o l ( 5 4 ) ： 1 9 72 2 0 M EAS UREM ENT oF RoCK S TRES S oF HoNGLI NG CoAL M I NE ZHAO W e i h u a 一， S UN Do n g s h e n g 一， WANG Ho n g e a l 一， L I A N G J u n y i ， WA N G P in g 3 ，Z H A N G J u n - h o n g，WA N G J u n 。 ( 1 K e y L a b o r a t o r y o fN e o t e ct o n i c Mo v e m e n t &G e o h a z a r d，B e i j l n g 1 0 0 0 8 1 ； 2 I n s t i t u t e o fG e o m e ch a n i c s，C h i n e s e A ca d e m yof G e o l o g i ca l S ci e n ce s ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a； 3Ho in g C o a l Mine ，S h e n y a n g C o a l Min in g G r o u p，L i a o n in g， S h e n y a n g 1 1 0 1 0 6，Ch in a) Ab s t r a ct ： T o g e t a k n o wle d g e o f in s it u s t r e s s a n d i t s d is t ri b u t i o n i n t h e Ho n g li n g co a l min e， a me a s u r e me n t h a s b e e n d o n e f o r t h e r o ck s t r e s s i n c o a l min e a r e a b y u s i n g h o ll o w in clu s io n g a u g e me t h o d I n t h is p a p e r ， t h e r e s u lt s o f r o ck s t r e s s me a s u r e me n t o f 3 le v e ls a r e in t r o d u ce d