平顶山八矿地应力分布规律及地应力场对煤与瓦斯突出影响研究前沿论文

1、平顶山八矿地应力分布规律及地应力场对 煤与瓦斯突出影响研究李涛，兰天伟，车禹恒5（辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新 123000） 摘要：利用空心包体地应力测量方法对煤与瓦斯突出较严重的平顶山八矿区地应力场进行了 测量。对测量结果分析表明，矿区地应力场的特征表现为以下几点：（1）最大主应力和垂 直应力均随着开采深度的增加而增大；（2）最大、最小主应力为水平主应力，中间主应力 为垂直主应力，水平主应力占主导作用，即应力场类型为大地动力场；（3）区内的水平主10应力较高，岩体承受更高的水平构造应力；（4）最大主应力与最小主应力的比值分别为 4.71、2.32 和 2.84，最大主应力与

2、最小主应力相差很多，应力场表现出很强的方向性。最后探讨了 地应力在煤与瓦斯突出中的作用，分析认为高地应力条件下含瓦斯煤体更容易失稳破坏、发 生煤与瓦斯突出，地应力是导致煤与瓦斯突出发生的核心因素。 关键词：岩石力学；煤与瓦斯突出；地应力场；地应力测量15中图分类号：td163research of in-situ stress distribution and the influence oncoal and gas outburst in pingdingshan eight mineli tao, lan tianwei, che yuheng20(college of resources

3、 and environmental engineering,liaoning technical university, fuxin, liaoning123000)abstract: the hollow inclusion technique is used to measure the severer coal and gas outburst areapingdingshan eight mine. based on the analysis of measurement data, the character of in-situstress could be drawn as f

4、ollows: (1)major principal stress and vertical stress all becomes bigger25followed the mining depth becoming deeper;(2)major principal stress and minor principal stress field are horizontal stress and inter medium principal stress is vertical stress, and horizontal stress is themain stress, and the

5、type of stress field is dynamic stress field;(3)major principal stress and minorprincipal stress are higher than those of other regions, and the tectonic stress is outstanding;(4)the ratio of major principal stress and minor principal stress are 4.71, 2.32 and 2.84, and there is a big difference30be

6、tween major principal stress and minor principal stress, so in-situ stress shows a strongly direction.in the end, the role of in-situ stress is discussed. the higher in-situ stress condition of gassy coal mightbe easier destroyed and led to coal and gas outburst. in-situ stress plays a key role in t

7、he occurring of coal and gas outburst.key words: rock mechanics; coal and gas outburst; in-situ stress field; in-situ stress measurement350引言煤与瓦斯突出是煤体-围岩系统在采矿工程扰动下发生的一种矿井动力灾害。从探讨关 于煤与瓦斯突出机制的分析中可以得出结论，突出应当是采掘工程未进行以前存在于煤岩体 内的原岩应力场和人类工程活动的扰动相互叠加造成的，突出在时间和空间上的不均匀分布40及其显现强度的差异取决于地壳内的构造应力场1-6。各国学者对突出矿区的地应

8、力进行了 广泛的研究。.加卢什科对前苏联的里沃夫-沃伦煤田和顿巴斯梅泰诺的应力场研究表明，基金项目：国家重点基础研究发展计划(973 计划)(2005cb221501)作者简介：李涛（1985-），男，硕士在读，主要研究方向为矿井动力灾害预测与防治.水平应力等于按垂直和侧压系数确定的侧压力值，无突出危险，而据有严重突出危险的煤田， 其水平应力远大于垂直应力7。张子戍和袁崇孚对平顶山十二矿地应力场的研究表明，高应 力区为突出危险区8。汪西海以声发射粗估法对谢二矿的地应力研究表明，突出地带最大主45应力偏高，而安全区域最大主应力正常或偏低9。朱兴珊和徐凤银将国内部分突出矿区的地 应力实测结果与突出

9、情况进行了分析，认为煤、岩石和瓦斯突出多发生在具有大地动应力场 特点的矿区，突出煤层和围岩内往往存在着较高的水平应力，其值不仅远远超过岩体自重引 起的侧向应力，而且超过铅直应力。这种水平应力越大，突出就越严重10。平顶山八矿（以下简称八矿）处于华北聚煤区南缘逆冲推覆构造带东北缘，地质构造复杂，50地应力较集中，煤与瓦斯突出灾害严重，所以对此处煤岩体应力状态进行分析就格外重要， 本文利用空心包体地应力测量方法对八矿区域进行地应力测量，分析矿区的地应力场类型及 分布规律，以及地应力场对区内煤与瓦斯突出的影响。1测量方法及结果1.1测量方法55地应力测量常用来解决采矿、工程地质、大地构造研究和其他领

10、域的一系列岩石力学问 题。通过地应力测量可确定区域构造应力场方向和量值的平均水平。地应力测量方法已达几 十种之多，本项研究所采用的是目前广泛使用的空芯包体测量方法，测量中使用的是由中国 地质科学研究院地质力学研究所制造的 kx-81 型空心包体式三轴地应力计，他可在单孔中 通过一次套芯解除应变获得三维应力状态。601.2测量结果八矿地应力测点的选择本着覆盖面广及能真实反映实际情况的原则，并结合煤矿井下地 质条件，布置在-430m 水平大巷中部车场 、己 15-22060 底抽巷和二水平己一上仓皮带巷位置， 测量结果如下表 1表 3。2地应力测量结果分析652.1垂直应力分布规律e.t.brow

11、n 和 e.hock 收集了世界 116 个地应力测量数据，发现观测值大部分分布于平 均密度为 2.7g/cm3 的覆岩重力引起的应力梯度直线周围11，用如下关系式表示：基金项目：国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目 (2005cb221501)作者简介：李涛（1985），男，硕士在读，主要研究方向为矿井动力灾害的预测与防治. e-mail:表 1 八矿地应力测量观测数据70 tab.1 in-situ stress measurement data of eight mine 钻孔编 号测量地点测点深度/m应变片安装角/()应变片读数(112)-430m 水平大巷中部车1场495.4

12、-1.2212，520，292，-23-33，1290，522，372148，730，273，5682己 15-22060 底抽巷807.3-5.31073，588，375，1622882，183，910，2671418，-73，1190，537二水平己一上仓皮带3巷602.9-2.93007，120，1595，15581338，180，303，1110330，1650，387，-213表 2 八矿实测地应力值tab.2 in-situ stress measurement data of eight mine测孔号测量地点主应力类别主应力值方位角/()倾 角/()一号孔-430m 水平大巷中

13、部车场 二号孔己 15-22060 底抽巷三号孔三水平皮带下山最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 3 最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 3 最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 328.10119.23-0.4312.4628.49-59.685.97209.50-30.3134.15224.253.0222.38-16.1372.4714.69153.3117.2529.06251.716.5417.905.0373.8410.22159.9814.7175测孔号表 3 八矿实测地应力分量值tab.3 stress components of eight mine地应

14、力分量 i 、 ij /mpa一号孔23.2012.5210.81-8.74-2.41-1.449二号孔30.4818.9921.747.411.68-1.54三号孔26.9812.6417.555.591.38-1.84 x y z xy yz zx 备注：地应力分量取地理坐标系，其坐标轴为 x 轴指向东，y 轴指向北， z 轴向上，取压应力为正。 z = 0.027h八矿区垂直应力随深度的变化关系如图 1：(1)-200-300深度/m-400垂直应力/mpa10152025-500-600-700-800-90080图 1 垂直主应力与深度的关系fig.1 relationship of

15、 the vertical principal stress and depth z = 0.0278h(mpa)（r=0.947）(2)矿区的垂直应力分布情况与 e.t.brown 等的统计结果并无显著差异，应力大小与85e.t.brown 等的统计结果并无明显差别，应力随着开采深度的增加而增大，且数据的相关性 较好。故区内垂直应力属于正常水平。2.2最大主应力分布规律我国煤矿区如焦作、淮南、邯郸、峰峰、潞安和开滦等矿区的地应力实测结果表明，我 国煤矿区的原岩应力相对较低12，最大水平主应力用如下关系式表示：90 h max = 0.02h + 4根据八矿地应力实测结果得出最大主应力随深度的

16、变化关系如图 2：2025最大主应力/mpa3035(3)0-200深度/m-400-600-800-100095100105图 2 最大主应力与深度的关系fig.2 relationship of maximum principal stress and depth h max = 0.0408h + 4 （r=0.9613）(4)最大主应力随着深度的增加而增大，且数据相关性较好，但与我国其它矿区的一般水平 相比，八矿区的最大主应力明显偏高，区内聚集了较高的水平构造应力。2.3最大主应力与最小主应力的关系我国大多数矿区最大主应力与最小主应力比值一般为 1.25，多数情况下为 1.22.5。

17、八矿地应力实测结果表明最大主应力与最小主应力的比值分别为 4.71、2.32 和 2.84，表明八 矿区内最大主应力与最小主应力相差很大，区域水平应力场显示出很强的方向性。2.4最大主应力与垂直应力的关系八矿区内最大主应力与垂直应力的比值分别为 2.26、1.53 和 1.62，矿区内水平应力大于 垂直应力，故区内水平构造应力起主导作用，控制着整个区域的应力场状态。3讨论1101151201251301351403.1地应力场类型分析三个主应力的空间关系表征一个地区的地应力场基本特征的主要因素。彭向峰和于双忠 根据三个主应力的空间关系将原岩应力场划分为 3 种宏观类型：大地静力场、大地动力场和

18、 准静水压立场型。大地静力场的原岩应力主要由上覆岩土体本身自重形成，其三个主应力的 空间关系是最大主应力近垂直方向，中间主应力和最小主应力在水平方向，具有这种应力状 态地区的构造活动性往往不明显或很微弱；大地动力场特特征是水平的压应力值非常高，并 具有十分明显的各向异性，其水平应力往往比大地静压力 h 大 510mpa，而且与现代构 造活动有关。准静水压立场中岩体的应力处于一种近似各项等压状态13。八矿三个测点中 2 号测点和 3 号测点最大主应力倾角近水平(3.02和-0.43)，中间主应 力倾角接近于垂直(72.47、73.84)，而最小主应力倾角也近于水平(17.25和 14.71)，既

19、最 大、最小主应力为水平主应力，中间主应力为垂直应力。从计算结果的数据质量来看，1 号 测点的可信度较低，因此以 2 号测点和 3 号测点的测量结果为依据，两个测点的最大主应力 与 h 的比值分别为 1.69 和 1.93，水平应力起主导作用，故确定八矿的应力场类型为水平构 造应力场。3.2地应力在煤与瓦斯突出中的作用国内外专家学者对煤与瓦斯突出的研究已经取得了丰富的成果，一般认为突出是地应 力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果，三个因素相互之间有着密切的联系， 地应力与瓦斯被认为是发生煤与瓦斯突出的动力源14。地应力对煤与瓦斯突出的作用主要表现为以下两方面：（1）区域地应力场作用于

20、煤体 上，对其做功，使煤体的能量积聚，增加了局部煤体失稳破坏的可能性，从而增加了煤与瓦 斯突出发生的机率。（2）地应力场作用于煤体及围岩上，造成煤层及围岩的孔裂隙压密， 围岩透气性降低，进而增加了煤层内瓦斯含量和瓦斯压力，极大促进了瓦斯在突出中的动力 作用。因此，综合以上分析，在高地应力场作用下，煤与瓦斯突出的机率将大大增加，地应 力在煤与瓦斯突出发生过程中起主导作用。八矿区最大主应力明显高于其它地区，地质构造 复杂，属于应力集中区域，将直接导致煤与瓦斯突出的机率增加，这与八矿区内煤与瓦斯突 出灾害频发且突出强度较大的事实相吻合。4结论（1）八矿区内最大、最小主应力为水平应力，中间主应力为垂直

21、应力，应力场类型为 大地动力型。垂直应力和最大主应力都随着深度的增加近线性增加，相关性较好。区内水平 应力远大于垂直应力，说明水平构造应力在区域应力场中起主导作用，且最大主应力与最小 主应力相差很大，区域应力场表现出很强的方向性。（2）八矿区属于地应力集中区域，区内应力水平高于其它区域。高地应力导致煤体失 稳破坏的机率增大，同时，造成煤体内瓦斯含量和瓦斯压力增高，增加了煤与瓦斯突出发生 的动力，与矿区内煤与瓦斯突出灾害发生频繁的实际情况相符合。因此，地应力是导致煤与 瓦斯突出发生的核心因素。（3）地应力测量结果是矿区合理地确定采场布局、回采顺序和巷道布置的重要参数， 对以后八矿区内有效地采取预

22、防突出等矿井动力灾害的技术措施、保持巷道的稳定和矿井的145150155160165170安全生产等都具有重要意义。致谢本文在“国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目 (2005cb221501)”的资助下进行，感 谢企业和课题组成员的大力支持！参考文献 (references)1 霍多特 b.b.煤与瓦斯突出m.宋世钊，王佑安，译.北京：中国工业出版社,1966. 2 于不凡.煤和瓦斯突出机制m.北京：煤炭工业出版社，1985.3 batugina i m, petukhov i m. geodynamic zoning of mineral deposits for planning and exploitation of minesm.new delhi: