典型向斜构造应力场研究

张晓

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

典型向斜构造应力场研究

张晓

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

采用水压致裂法在典型向斜构造矿区——甘肃华亭矿区进行了14个测站的地应力实测工作，测站布置在向斜轴部和翼部。根据实测结果分析了典型的向斜构造应力场变化特征;同时采用了FLAC3D模拟软件分析了典型向斜构造应力场特征，实测结果与数值模拟结果均表明在向斜轴部是水平主应力最为集中的区域。

向斜构造;应力场;水压致裂法;地应力测量;数值模拟

引起地应力的主要原因是重力作用和构造运动，其中尤以水平方向的构造运动对其形成及特点影响最大。岩体自重引起的自重应力场相对简单，而形成构造应力场的因素则非常复杂，其在空间的分布极不均匀，且随着时间的推移在不断变化，属于非稳定的应力场。迄今为止，很难用函数形式来表达构造应力场，而只能通过实测得到比较准确的地应力值，然后基于实测数据，进行统计分析，寻找其分布与变化规律，用以指导工程实践。

本文采用水压致裂法在典型向斜构造矿区——甘肃华亭矿区进行了14个测站的地应力实测，两组测站分别布置在向斜轴部和翼部，根据实测结果分析了向斜构造矿区地应力场特征。为比较测试结果与与理论分析一致性，本文采用FLAC3D模拟软件分析了典型向斜构造应力场特征，实测结果与数值模拟结果均表明在向斜轴部和翼部应力场特征有很大差异，向斜轴部是水平主应力最为集中区域，实测结果与数值模拟结果有很好的一致性。

1 典型向斜矿区地应力场现场实测

甘肃华亭矿区赋存有我国煤矿典型的急倾斜特厚煤层。其煤层分为急倾斜和缓倾斜两部分，整体属于典型的向斜构造煤层。

采用水压致裂法分别对华亭矿区急倾斜和缓倾斜煤层 （近水平煤层）进行了2次地应力测量。两次测量共布置了14个测站，其中前4个测站位于向斜的翼部，后10个测站位于向斜的轴部。

实测结果表明:前4个测站最大水平主应力平均为12.81MPa，后10个测站最大水平主应力平均为23.20MPa，平均增大80%;前4个测站最小水平主应力平均为7.62MPa，后10个测站最小水平主应力平均为12.46MPa，平均增大64%。

前4个测站平均埋深462m，后10个测站平均埋深505m，虽然后10个测站埋深有所增加，垂直主应力也有所增加，但水平主应力增大幅度远远大于垂直主应力增加幅度，水平主应力增加的应力梯度远远大于其他矿区，说明在向斜轴部，最大、最小水平主应力急剧增大。实测表明“向斜轴部是水平主应力最为集中的区域”。这也是华亭矿井开采向斜煤层冲击矿压频繁发生的重要原因之一。

地应力测量结果表明，华亭矿区14个测站中σH/σV＞1的有13个测站，占总测站的93%，说明矿区最大主应力为水平主应力，构造应力占有绝对优势，属于典型的构造应力场类型。

2 向斜构造应力场的数值模拟分析

为了考虑向斜构造附近应力场的情况，建立物理模型:长×宽×高=60m×60m×12m，用来模拟水平地层岩层在受到水平挤压力的作用下形成向斜的过程及向斜构造的应力场特征。边界条件:模型左右边界施加10MPa的水平压应力，前后边界施加8MPa的压应力，在模型高8m处中间岩层施加向下5MPa的压应力。模型上下表面为自由面，可以模拟在应力边界条件下岩层的弯曲变形状态。

当模型计算到1600步时向斜附近形成的应力场情况如图1。

图1 向斜附近应力分布特征

从图1可以看出在向斜的轴部上部岩层出现垂直于向斜枢纽的压应力集中区，在向斜的轴部底部岩层附近出现一定范围的张应力集中区，在两翼岩层应力集中现象不明显，应力值远小于同岩层的轴部岩层应力值。应力梯度在向斜翼部远小于向斜轴部。数值模拟表明:向斜轴部是水平主应力最为集中的区域，这与实测结果有很好的一致性。

3 结束语

采用水压致裂法在甘肃华亭矿区典型向斜煤田进行了14个测站的地应力测试，测试结果表明:在向斜轴部水平主应力增加的应力梯度远远大于垂直主应力增加的应力梯度，在向斜轴部最大、最小水平主应力急剧增大。向斜轴部水平主应力集中的程度远大于向斜翼部水平主应力集中的程度，轴部是水平主应力最为集中的区域，数值模拟与实测结果有很好的一致性。向斜轴部水平主应力急剧增大，应力集中程度最高，很好地解释了近几年来华亭矿区开采近水平煤层 （向斜轴部）区域冲击矿压频繁发生的根本原因。

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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发展基金 （青年技术创新）:基于地应力测量的煤矿区域应力场反演计算 （TZ－JJ－09－kd－03）

张 晓 （1979－），男，河南驻马店人，硕士，工程师，从事地质力学测试及巷道支护技术研究工作，任项目经理。

［责任编辑:王兴库］