潞新矿区地应力场分布特征研究

谈国强

(潞安新疆煤化工(集团)有限公司，新疆 哈密 839003)

地应力是存在于地层中的天然内应力，是引起工程变形和破坏的根本作用力，是进行围岩稳定性分析、开采设计、科学化决策的必要前提条件［1］。地应力的大小和方向都显著影响围岩的变形和破坏特征。煤岩体应力场的形成则相对复杂，目前很难用函数表达，只能通过实测得到应力值，指导工程实践。目前，最常用的井下地应力测试方法有应力解除法和水压致裂法［2－4］。煤炭科学研究总院开采设计研究分院开发出适用于井下的小孔径多参数地质力学测试装置，在全国多个矿区进行过测试，取得了较好的效果［5］。潞新矿区于2009年开始进行相关测试工作，迄今已进行了15 个测点的测试，取得了一定的成果，初步弄清了矿区的地应力水平及分布特征，并用于矿井生产的指导。

1 潞新矿区地质构造

潞新矿区位于天山褶皱带的南缘哈密盆地的西北边缘，矿区东西长43.2km，南北宽约24.3km，面积1050km2。

哈密市三道岭聚煤盆地处于哈密凹陷带北缘，北天山大断裂前缘拗陷带为一个山间小盆地，褶皱简单，断裂发育［6］。煤田内构造形态主要受燕山运动及喜马拉雅山运动的影响，除了褶皱外，还有断裂。褶皱主要是西山倾伏背斜;断裂构造主要为F2 逆断层，走向东西到潞新一矿转向南，与F1 断层相交，倾角17°左右，倾向南，转向后变成西，断距超3000m。潞新矿区主体位于背斜南翼，属单斜构造，煤层缓倾斜，构造类型简单［7］。

潞新一矿和二矿位于西山倾伏背斜南翼，南部以贯穿矿区的F1 逆断层为界。一矿、露天煤矿北部以F2 逆断层为界，F2 逆断层将一矿、二矿分开。一矿受逆冲推覆作用位于F1，F2 逆断层上盘，矿区相对构造简单，煤层破坏轻微。二矿受逆冲推覆作用位于F1 逆断层上盘，F2 逆断层下盘，矿区构造简单，煤层破坏轻微［8］。由此可见，对于潞新矿区影响较大的为断层，特别是一矿、二矿靠近断层的区域，应力及岩体强度的变化会对生产造成一定的影响。

2 地应力测试结果与分布特征分析

2.1 测试结果

在潞新矿区共进行了15 个测点的测试，分别是潞新一矿5 个，潞新矿8 个，砂墩子煤矿2 个。测量结果见表1 (表中，H 为测点埋深，σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力，σv为垂直主应力)。

2.2 地应力分布特征分析

2.2.1 矿区地应力场类型

潞新矿区15 个测点中，最大水平主应力大于垂直主应力的测点有12 个，占80%，垂直主应力大于最大水平主应力的测点有3 个，占20%。由此判定，潞新矿区地应力总体上以水平应力为主，属于构造应力场类型。

其中，潞新一矿5 个测点，全部是最大水平主应力大于垂直主应力，属于构造应力场类型;潞新二矿8 个测点中，有5 个属于最大水平主应力大于垂直主应力，属于构造应力场，3 个属于垂直主应力大于最大水平主应力，属于自重应力场;砂墩子矿2 个测点中，全部属于构造应力场。

表1 潞新矿区地应力测试结果

2.2.2 矿区水平主应力分布方向特征

实测结果显示，矿区测点的水平主应力方向范围为N78.6°E～N78.3°W，跨度较大，这与矿区内较多的断裂构造有直接关系。

具体看，一矿5 个测点中，有3 个为NE 方向，2 个为NW 方向;2009年测得的3 个测点均为NE 方向，2012年底测得的均为NW 方向，且2 次测试的区域发生了较大的变化，可知随着开拓区域的逐渐增大和开采深度的增加，水平主应力方向发生了偏转，由平均N51.4°E 偏转为平均N14°W，偏转幅度高达65°。这与一矿处在断层F1 与F2 之间，不同区域应力场不同是直接相关的。

二矿8 个测点中，有4 个NE 方向，4 个NW方向，其中靠近F2 断层的测点水平主应力方向主要为NW 方向，远离F2 断层的测点(主要在东区及东扩区范围内)主要为NE 方向。

砂墩子矿2 个测点中，水平主应力方向均为NW 方向，一致性较好。

2.2.3 主应力随深度的变化规律

从表1 中可以看出，二矿的埋深最浅，东扩区的埋深仅200m 左右，水平应力值也比较低。一矿的埋深平均在350m 左右，应力值也有一定的增加。砂墩子的埋深最大，在400m 以上，水平应力值也接近14MPa。最大埋深测点为一矿450 轨道下山测点，相应的水平应力也达到最大，为16.53MPa。

从3 个矿测点的埋深及最大水平主应力来看，总体上水平应力随着埋深的增加而增大，但也有一些较为离散的值，主要受构造影响。

2.2.4 断层对水平主应力值的影响

通过以上水平应力大小、方向及随埋深的变化规律看，断层对水平应力值有着较大的影响，特别是离断层较近的一矿和二矿。

对一矿最大的影响是方向的偏转，由于距离断层的距离不同，断层不同，断层方向的改变等，不同开采区域水平应力的方向变化较大。如2012年测点与2009年测点相比较，随着开采区域的变化，水平应力的方向也发生了较大的变化，偏转幅度高达65°。

对二矿影响最大的是水平应力值，距离F2 断层较近的区域，应力有所释放，使得所测水平应力值较低。如二矿的2009年4 个测点的最大水平主应力仅为6MPa 左右。

2.2.5 矿区地应力量级

根据潞新矿区15 个测点的测试结果，最大水平主应力小于10MPa 的测点有6 个，占40%;大于10MPa 小于18MPa 的测点有9 个，占60%。最大水平主应力值为16.53MPa，最小为6.02MPa。根据判定标准，潞新矿区整体上属于中等偏低地应力值矿区。

2.2.6 侧压比随埋深的变化规律

潞新矿区15 个测点中，侧压比值的范围为0.67～2.07，其中小于1.0 的有3 个，大于2.0 的有1 个，绝大部分位于1.0～2.0 之间。

如不考虑断层影响较大的测点，侧压比由埋深最浅的二矿东扩区2 个测点的1.99，逐渐减小到埋深最大的砂墩子矿2 个测点的1.33。可见，随着埋深的增加，侧压比有逐渐减小的趋势。

3 现场应用

潞新二矿W4203 工作面主采4 号煤层，平均厚度为7.2m，倾角5～9°。工作面巷道掘进越靠近F2 断层段，越易出现煤岩动力现象。

距离W4203 工作面最近测点的测试结果为最大水平主应力5.47MPa，最小水平主应力3.0MPa，垂直主应力6.96MPa。巷道顶板岩层以泥岩为主，4m 范围内平均抗压强度仅为11.6MPa。钻孔窥视显示岩层内存在裂隙和破碎带，节理较为发育，煤内裂隙和破碎带也较多。

W4203 工作面胶带巷原顶板支护为普通螺纹钢锚杆配合小直径锚索，两帮为圆钢锚杆支护，预紧力很低。掘进后不久顶板下沉明显，部分地段架设工钢棚与单体液压支柱联合支护，大大增加了支护成本和劳动强度。经过基于地应力和围岩原位强度测试结果的数值模拟及理论分析后，采用全断面锚索支护，锚索为φ22mm 强力锚索，预紧力达到250kN。经过100m 段的试验，顶板下沉量大幅减小，无需联合支护，减缓了掘进迎头20m 范围内的动力显现。

4 主要结论

(1)潞新矿区地应力场以水平应力为主，属于构造应力场类型。

(2)潞新矿区整体上属于中等偏低地应力值矿区。总体上水平应力随着埋深的增加而增大，但也有一些较为离散的值，主要受断层构造影响。

(3)潞新矿区侧压比范围为0.67～2.07，绝大部分位于1.0～2.0 之间，而且随着埋深的增加，侧压比有逐渐减小的趋势。

(4)潞新矿区不同区域最大水平主应力方向相差较大，主要受断层构造影响，断层对水平应力值也有很大的影响。

(5)按照测试结果进行断层附近的巷道支护设计，采用高预应力支护，巷道变形量大幅减小，取消联合支护，取得一定技术及经济效益。

［1］于学馥，郑颖人，刘怀恒，等.地下工程围岩稳定分析［M］.北京:煤炭工业出版社，1983.

［2］康红普，林 健，颜立新，等.山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究［J］.地球物理学报，2009，52 (7):1782－1792.

［3］蔡美峰，彭 华，乔 兰，等.万福煤矿地应力场分布规律及其与地质构造的关系［J］.煤炭学报，2008，33 (11):1248－1252.

［4］刘 江.伊泰矿区井下地应力测量及应力场分布特征研究［J］.煤炭学报，2011，36 (4):562－566.

［5］康红普，姜铁明，张 晓，等.晋城矿区地应力场研究与应用［J］.岩石力学与工程学报，2009，28 (1):1－8.

［6］葛海林，李瑞明.新疆哈密市砂墩子找煤的突破［J］.中国西部科技，2010，9 (6):4－6.

［7］李保国.浅析哈密三道岭矿区低阶煤层含气性［J］.西部探矿工程，2001 (6):124－126.

［8］吴 江.三道岭矿区瓦斯地质规律浅析［J］.河南建材，2012 (2):174－176.