典型向斜構(gòu)造應(yīng)力場研究

張曉

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

典型向斜構(gòu)造應(yīng)力場研究

張曉

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

采用水壓致裂法在典型向斜構(gòu)造礦區(qū)——甘肅華亭礦區(qū)進(jìn)行了14個(gè)測站的地應(yīng)力實(shí)測工作，測站布置在向斜軸部和翼部。根據(jù)實(shí)測結(jié)果分析了典型的向斜構(gòu)造應(yīng)力場變化特征;同時(shí)采用了FLAC3D模擬軟件分析了典型向斜構(gòu)造應(yīng)力場特征，實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果均表明在向斜軸部是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域。

向斜構(gòu)造;應(yīng)力場;水壓致裂法;地應(yīng)力測量;數(shù)值模擬

引起地應(yīng)力的主要原因是重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)其形成及特點(diǎn)影響最大。巖體自重引起的自重應(yīng)力場相對(duì)簡單，而形成構(gòu)造應(yīng)力場的因素則非常復(fù)雜，其在空間的分布極不均勻，且隨著時(shí)間的推移在不斷變化，屬于非穩(wěn)定的應(yīng)力場。迄今為止，很難用函數(shù)形式來表達(dá)構(gòu)造應(yīng)力場，而只能通過實(shí)測得到比較準(zhǔn)確的地應(yīng)力值，然后基于實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，尋找其分布與變化規(guī)律，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

本文采用水壓致裂法在典型向斜構(gòu)造礦區(qū)——甘肅華亭礦區(qū)進(jìn)行了14個(gè)測站的地應(yīng)力實(shí)測，兩組測站分別布置在向斜軸部和翼部，根據(jù)實(shí)測結(jié)果分析了向斜構(gòu)造礦區(qū)地應(yīng)力場特征。為比較測試結(jié)果與與理論分析一致性，本文采用FLAC3D模擬軟件分析了典型向斜構(gòu)造應(yīng)力場特征，實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果均表明在向斜軸部和翼部應(yīng)力場特征有很大差異，向斜軸部是水平主應(yīng)力最為集中區(qū)域，實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有很好的一致性。

1 典型向斜礦區(qū)地應(yīng)力場現(xiàn)場實(shí)測

甘肅華亭礦區(qū)賦存有我國煤礦典型的急傾斜特厚煤層。其煤層分為急傾斜和緩傾斜兩部分，整體屬于典型的向斜構(gòu)造煤層。

采用水壓致裂法分別對(duì)華亭礦區(qū)急傾斜和緩傾斜煤層 （近水平煤層）進(jìn)行了2次地應(yīng)力測量。兩次測量共布置了14個(gè)測站，其中前4個(gè)測站位于向斜的翼部，后10個(gè)測站位于向斜的軸部。

實(shí)測結(jié)果表明:前4個(gè)測站最大水平主應(yīng)力平均為12.81MPa，后10個(gè)測站最大水平主應(yīng)力平均為23.20MPa，平均增大80%;前4個(gè)測站最小水平主應(yīng)力平均為7.62MPa，后10個(gè)測站最小水平主應(yīng)力平均為12.46MPa，平均增大64%。

前4個(gè)測站平均埋深462m，后10個(gè)測站平均埋深505m，雖然后10個(gè)測站埋深有所增加，垂直主應(yīng)力也有所增加，但水平主應(yīng)力增大幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直主應(yīng)力增加幅度，水平主應(yīng)力增加的應(yīng)力梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他礦區(qū)，說明在向斜軸部，最大、最小水平主應(yīng)力急劇增大。實(shí)測表明“向斜軸部是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域”。這也是華亭礦井開采向斜煤層沖擊礦壓頻繁發(fā)生的重要原因之一。

地應(yīng)力測量結(jié)果表明，華亭礦區(qū)14個(gè)測站中σH/σV＞1的有13個(gè)測站，占總測站的93%，說明礦區(qū)最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力占有絕對(duì)優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場類型。

2 向斜構(gòu)造應(yīng)力場的數(shù)值模擬分析

為了考慮向斜構(gòu)造附近應(yīng)力場的情況，建立物理模型:長×寬×高=60m×60m×12m，用來模擬水平地層巖層在受到水平擠壓力的作用下形成向斜的過程及向斜構(gòu)造的應(yīng)力場特征。邊界條件:模型左右邊界施加10MPa的水平壓應(yīng)力，前后邊界施加8MPa的壓應(yīng)力，在模型高8m處中間巖層施加向下5MPa的壓應(yīng)力。模型上下表面為自由面，可以模擬在應(yīng)力邊界條件下巖層的彎曲變形狀態(tài)。

當(dāng)模型計(jì)算到1600步時(shí)向斜附近形成的應(yīng)力場情況如圖1。

圖1 向斜附近應(yīng)力分布特征

從圖1可以看出在向斜的軸部上部巖層出現(xiàn)垂直于向斜樞紐的壓應(yīng)力集中區(qū)，在向斜的軸部底部巖層附近出現(xiàn)一定范圍的張應(yīng)力集中區(qū)，在兩翼巖層應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于同巖層的軸部巖層應(yīng)力值。應(yīng)力梯度在向斜翼部遠(yuǎn)小于向斜軸部。數(shù)值模擬表明:向斜軸部是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域，這與實(shí)測結(jié)果有很好的一致性。

3 結(jié)束語

采用水壓致裂法在甘肅華亭礦區(qū)典型向斜煤田進(jìn)行了14個(gè)測站的地應(yīng)力測試，測試結(jié)果表明:在向斜軸部水平主應(yīng)力增加的應(yīng)力梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直主應(yīng)力增加的應(yīng)力梯度，在向斜軸部最大、最小水平主應(yīng)力急劇增大。向斜軸部水平主應(yīng)力集中的程度遠(yuǎn)大于向斜翼部水平主應(yīng)力集中的程度，軸部是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域，數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果有很好的一致性。向斜軸部水平主應(yīng)力急劇增大，應(yīng)力集中程度最高，很好地解釋了近幾年來華亭礦區(qū)開采近水平煤層 （向斜軸部）區(qū)域沖擊礦壓頻繁發(fā)生的根本原因。

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Research on Stress Field of Typical Syncline Tectonic

ZHANG Xiao

（Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

This paper applied hydro-fracturemethod to testing 14 points'geo-stress in typical syncline tectonic area.These points located at syncline axes and wings.On the basis of test results，stress field variation characteristic in typical syncline tectonic areawas analyzed.FLAC3D was applied to analyzing stress field characteristic of typical syncline tectonic.Test and simulation result showed that syncline axes was where horizontal principal stress concentrated.

syncline tectonic;stress field;hydro-fracturemethod;geo-stress test;numerical simulation

TD311

A

1006-6225（2011）04-0100-02

2011－05－26

天地科技股份有限公司科技發(fā)展基金 （青年技術(shù)創(chuàng)新）:基于地應(yīng)力測量的煤礦區(qū)域應(yīng)力場反演計(jì)算 （TZ－JJ－09－kd－03）

張 曉 （1979－），男，河南駐馬店人，碩士，工程師，從事地質(zhì)力學(xué)測試及巷道支護(hù)技術(shù)研究工作，任項(xiàng)目經(jīng)理。

［責(zé)任編輯:王興庫］