地应力分布规律对煤与瓦斯突出的影响

地应力分布规律对煤与瓦斯突出的影响

李涛;陈刚;付乙财;兰永伟;刁恩鹏;李明亮

【摘要】The hollow inclusion stress measurement method is used for measurement and analysis of the stress field of Pingdingshan No.8 mining area where coal and gas outburst is serious. The stress field distribution

law of the mining area with coal and gas outburst is obtained, which has important significance for coal and gas outburst prevention.%利用空心包体地应力测量方法对煤与瓦斯突出严重的平顶山八矿区地应力场进行了测量分析，得出煤与瓦斯突出矿区地应力场分布规律，对矿区预防煤与瓦斯突出具有重要的意义。【期刊名称】《价值工程》

【年(卷),期】2015(000)012

【总页数】3页(P170-172)

【关键词】地应力测量;岩石力学;煤与瓦斯突出;地应力分布规律

【作者】李涛;陈刚;付乙财;兰永伟;刁恩鹏;李明亮

【作者单位】黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022;黑龙江科技大学矿

业工程学院，哈尔滨150022;黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心，哈尔滨150022;黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022;黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022;黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022

【正文语种】中文

【中图分类】TD163

煤与瓦斯突出（以下简称突出）是煤体-围岩区域动力系统受到采掘工程动力扰动

而引发的一种矿井动力现象，是煤岩体在采掘工程未进行以前的原岩应力和采掘工程的扰动应力相互叠加造成的，突出在时间和空间上的不均匀分布及其显现强度的差异取决于地壳内的构造应力场[1-6]。地应力场的研究有助于对区域构造活动过

程的深入理解，应力的具体方向和数量级的确定，对于研究所有关于地质构造活动的问题是至关重要的。

地应力作为矿井突出发生的核心因素，国内外专家已经做了大量的研究。л.я.加卢什科对里沃夫-沃伦等煤田的地应力进行了测量，得出水平应力等于由垂直和侧压

系数确定的侧压力值时无突出危险。在具有突出危险的区域矿井中，尤其是突出危险性较大的矿井内，水平应力值很大程度上大于垂直应力值[7]。张子戍等[8]对平

顶山十二矿地应力进行测量得出，高地应力值是矿区内突出发生的主导因素，突出危险区均位于高应力值区域。汪西海[9]通过声发射粗估法对谢二矿的地应力测量

得出，有突出危险区位于最大主应力值升高区域，无突出危险区位于最大主应力值正常或较低区域。朱兴珊等[10]对我国部分有突出危险的矿区地应力场进行了研究，得出这些矿区均具有大地动力场特点。有突出危险性的煤层往往都存在于高水平应力区域内，这些水平应力值远大于上覆岩体自重应力所引起的水平应力以及上覆岩体的自重应力，且突出危险性随着水平应力值的增加而增大。

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，该地区不仅地质构造很复杂，煤与瓦斯突出也很严重，因此对此处煤岩体地应力进行分析以预防灾害的发生就显得格外重要。文章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，以及矿区内地应力场对煤与瓦斯突出的作用。

1.1 测量方法

地应力测量能够确定测点处地应力场的类型，及该点处构造应力和水平应力的大小

和方向，进而由区域内几个点的测量结果来分析该区域的地应力场情况。文章采用的是空芯包体地应力测量方法，采用钻孔套芯应力解除法进行，使用的是KX—81型空芯包体式三轴应力计，它可在单孔中求得该点的三维应力状态。

1.2 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，测量结果如表1-表3。

2.1 垂直应力分布规律

E.Hock等[11]通过对世界一百多个地点的地应力值进行分析，得出垂直应力分布

呈现一定规律，大多数的垂直应力数据分布于平均密度为2.7g/cm3的上覆岩体

重力引起的应力梯度直线周围，关系式如下表示：

八矿区垂直应力与深度的变化关系见图1。

矿区内的垂直应力分布规律与E.Hock等的统计结果相差不大（R为相关性系数），应力值随着开采深度的增加而线性增加，且数据的相关性较好，区内垂直应力属于正常水平。

2.2 最大主应力分布规律

根据我国绝大多数矿区的地应力实测结果，如开滦、淮南、焦作等矿区，得出我国矿区的原岩应力比较低[12]，最大水平主应力用如下关系式表示：

根据八矿地应力实测数据得出最大主应力随深度的变化关系如图2。

得出矿区内最大主应力值随着深度的增加而增大，且数据相关性较好，从得出计算式中可以看出，与国内其它矿区的一般水平相比，八矿区的最大主应力明显高于一般水平，聚集了较高的水平构造应力，这与矿区内突出灾害频发相一致。

2.3 最大主应力与最小主应力的关系

通过计算最大主应力与最小主应力的比值可以得出该矿区的应力方向性是否强烈，

各向异性是否明显，我国大多数矿区最大主应力与最小主应力比值一般为1.2～2.5。而八矿地应力实测结果的该项数据是4.71、2.32和2.84，这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，各向异性明显。

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1.62，二者的比值随深度的增加而减少，且八矿区内最大主应力远大于垂直应力，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。

3.1 地应力场确定

区域地应力场基本特征主要通过三个主应力的空间关系来表征。彭向峰等[13]依据三个主应力的空间关系把原岩应力场分成了三种3种宏观类型，即大地静力场、大地动力场和准静水压立场型。大地静力场的原岩应力主要由上覆岩土体本身自重形成，它的三个主应力的空间关系是中间主应力和最小主应力在水平方向，而最大主应力在垂直方向，一般来说具有这种应力状态地区的构造活动通常很微弱或不明显；大地动力场特征是水平的压应力值非常高，并具有很明显的各向异性，而且与现代构造活动有关。准静水压力场中岩体的应力处于一种近似各项等压状态。

八矿三个测点中2号测点和3号测点最大主应力倾角分别是3.02°和-0.43°，接近水平，中间主应力倾角分别是72.47°和73.84°，接近垂直，而最小主应力倾角分别是7.25°和4.71°，也接近水平，这表明最大、最小主应力为水平主应力，中间主应力为垂直应力。分析最终的计算结果，我们发现1号测点由于受到其他因素的影响其数据已经不具可信度了，所以，最终的测量结果应该以2号测点和3号测点的为准，两个测点的最大主应力与γh的比值分别为1.69和1.93，水平应力起主导作用，且最大主应力数值较大，各向异性明显，故确定八矿的应力场类型为高水平构造应力场，即大地动力场。