關(guān)于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響分析

開灤（集團(tuán)）唐山礦地測(cè)科 王志遠(yuǎn)

關(guān)于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響分析

開灤
（集團(tuán)）唐山礦地測(cè)科 王志遠(yuǎn)

為了研究煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響，采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置進(jìn)行地應(yīng)力的測(cè)量。通過對(duì)地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬擬合，采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行分析得出相應(yīng)結(jié)論，并通過具體工程實(shí)例進(jìn)行分析，得出該方法能夠有效地研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響關(guān)系，從而為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

地質(zhì)構(gòu)造；地應(yīng)力分布；小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置；數(shù)值分析

目前關(guān)于礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)應(yīng)力分布的影響的研究較為廣泛，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是通過斷裂發(fā)育的復(fù)雜程度來進(jìn)行應(yīng)力大小的估算；二是通過采集斷裂附近應(yīng)力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)應(yīng)用于實(shí)踐；三是地應(yīng)力的分布主要受其臨近斷層的擾動(dòng)影響等。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置進(jìn)行煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布影響的研究。

1 小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置的應(yīng)用

為了更好地說明小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置在對(duì)地應(yīng)力分布測(cè)量中的應(yīng)用，采用某一煤礦井舉例進(jìn)行說明，具體步驟如下：

首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，具體來講是指測(cè)量人員通過使用先進(jìn)的儀器根據(jù)具體要求對(duì)礦區(qū)在不同地方進(jìn)行地應(yīng)力數(shù)據(jù)測(cè)量，并做好相應(yīng)的記錄準(zhǔn)備工作；其次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，具體來講就是根據(jù)第一步中測(cè)量到的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)向斜構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布的影響進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析后得到礦區(qū)的地應(yīng)力處理數(shù)據(jù)，分析地應(yīng)力數(shù)據(jù)與其方向變化的關(guān)系；最后采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行對(duì)比分析得出相應(yīng)的結(jié)論。

2 斷層附近地應(yīng)力測(cè)量與分析研究

2.1 地應(yīng)力場(chǎng)類型分析

通過對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)14個(gè)測(cè)站中有13個(gè)測(cè)站屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，有4個(gè)測(cè)站的水平主應(yīng)力小于垂直主應(yīng)力，10個(gè)最大主應(yīng)力大于20MPa；通過比較地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，向斜構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力產(chǎn)生較為顯著的影響，在向斜軸部的最大最小水平主應(yīng)力急劇增加。

2.2 礦井?dāng)鄬訉?duì)地應(yīng)力的大小和方向影響分析

在礦井?dāng)鄬訉?duì)地應(yīng)力大小的影響方面：通過將6個(gè)測(cè)站埋在400m左右的深度發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)的水平主應(yīng)力小于11MPa，分析其原因在于斷層斷裂時(shí)，釋放應(yīng)力導(dǎo)致其地應(yīng)力值較低；從其類型角度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，最大主應(yīng)力表現(xiàn)為最大水平主應(yīng)力的區(qū)域主要在斷層影響范圍的外圍，而在斷層的附件主要表現(xiàn)為垂直應(yīng)力。

在礦井?dāng)鄬訉?duì)地應(yīng)力方向分布的影響方面：通過對(duì)該礦井的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析發(fā)現(xiàn)，最大水平主應(yīng)力主要集中在某一個(gè)區(qū)域，在某些區(qū)域地應(yīng)力較小。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因在于褶斷帶的形成使得最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響該地區(qū)主應(yīng)力的改變。

3 礦井地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力影響的數(shù)值分析模擬

3.1 數(shù)值分析模型的構(gòu)建

考慮到礦井的特殊地形條件，采用FLAC進(jìn)行多底層向斜構(gòu)造的數(shù)值模型構(gòu)建，為了在此前提下建立符合實(shí)際情況的理想的三維數(shù)值模型，通過采用相關(guān)的軟件比如Rhinoceros構(gòu)建模型，然后在三維單元?jiǎng)澐种袘?yīng)用Kubrix軟件進(jìn)行相關(guān)的劃分，最后倒入到FLAC中進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值分析計(jì)算。

在模型的構(gòu)建過程中，需要用到的參數(shù)包括：地質(zhì)層巖層的密度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、泊松比等。

在模型的構(gòu)建中，需要兩個(gè)邊界條件：一是自重引起的水平應(yīng)力；二是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的水平應(yīng)力。在模擬過程中需要分成兩個(gè)階段：一是模擬自重應(yīng)力場(chǎng)，二是模擬構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

3.2 模擬結(jié)果分析

（1）在自重力場(chǎng)中，在重力的作用下，垂直應(yīng)力由于巖層密度和重力的加快使得其垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出階梯狀分布；水平應(yīng)力由于巖層的泊松比相差不大導(dǎo)致其也呈現(xiàn)出階梯狀，且兩者均呈現(xiàn)出埋深越大，水平和垂直應(yīng)力越大的特點(diǎn)。

（2）在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，不同的巖層隆起的速率差別較大，其水平應(yīng)力隨著巖層內(nèi)水平應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，且各層的水平?yīng)力相差很大，同時(shí)表現(xiàn)為水平應(yīng)力的大小與巖層的彈性模量呈正相關(guān)的特性；從垂直應(yīng)力角度分析，其垂直應(yīng)力與埋深有關(guān)，且水平的梯度較為明顯。

（3）由于煤層的彈性模量不同造成基本頂位于斜軸部范圍內(nèi)的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，且各層之間應(yīng)力相差較大。

4 結(jié)論

通過對(duì)某一煤礦礦井進(jìn)行分析，采用地應(yīng)力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并應(yīng)用數(shù)值分析的方法進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）垂直應(yīng)力在地形起伏變化不大的情況下其厚度測(cè)量不可行，垂直應(yīng)力在斜軸部局部地段增加較為明顯；

（2）水平應(yīng)力值隨著巖層彈性模量的降低而降低，甚至可能出現(xiàn)由構(gòu)造應(yīng)力為主向以自重力為主的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變；

（3）通過對(duì)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)和模擬分析進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，全面了解煤層的應(yīng)力分布情況，對(duì)提高煤礦井的安全具有重要意義。

［1］孫玉福.水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（06）.

［2］康紅普，姜鐵明，張曉，顏立新.晉城礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)研究及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009（01）.

王志遠(yuǎn)，1985年3月出生，河北省唐山市樂亭縣人，本科，助理工程師，研究方向：地質(zhì)。