浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用

康红普，司林坡，张　晓

(1．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京　100013;2．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京　100013;3．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京　100013)



浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用

康红普1，2，3，司林坡1，2，3，张晓1，2，3

(1．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013;2．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;3．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013)

摘要:采用煤矿井下小孔径水压致裂地应力测量装置，在山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等5省(自治区)的10余个浅部煤矿区，进行了88个测点的地应力测量，最浅测点的埋深仅为38 m。根据地应力测量数据，分析了浅部煤矿井下地应力分布特征与变化趋势，并与深部煤矿进行了比较。通过实例分析，介绍了地应力测量结果在浅部煤矿井下工程中的应用情况。浅部煤矿井下地应力受多种因素影响，测量数据离散性很大，随测点埋深的变化规律不明显;地应力场以σH＞σh＞σV型为主，水平应力占绝对优势。最大水平主应力与垂直主应力的比值主要集中在1～3之间;最小水平主应力与垂直主应力的比值大部分在0．5～2．0;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于1.0～2.5;最大主应力与最小主应力之差同垂直主应力的比值离散性较大，最大值超过2。将地应力测量数据应用于浅部煤矿煤柱尺寸优化、锚杆支护参数设计，在保证巷道安全与支护效果的前提下，提高了煤炭资源采出率，降低了巷道支护成本。

关键词:煤矿;浅部;地应力测量;水压致裂;应力分布特征

康红普，司林坡，张晓．浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用［J］．煤炭学报，2016，41(6):1332－1340．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0541

Kang Hongpu，Si Linpo，Zhang Xiao．Characteristics of underground in-situ stress distribution in shallow coal mines and its applications ［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1332－1340．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0541

煤炭开采中涉及的矿井开拓部署、巷道布置与支护设计，采煤方法与工艺，采场矿压显现特征、岩层运动与破坏规律及采场岩层控制，冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的机理与防治，均与煤岩层中的地应力有密切关系。弄清煤矿井下地应力分布规律对实现安全、高效开采具有重要意义。

我国西北部地区煤炭资源储量丰富，其中浅部煤矿分布比较广泛，有的矿井开采深度仅为几十米。所谓浅部矿井已经有不同的定义，如有的学者认为埋深不超过150 m，基岩层与载荷层厚度之比小于1，来压有明显动载现象的为浅埋煤层［1］。本文将浅部矿井定义为:埋深不超过200 m，采用上覆岩层重量估算的垂直应力不超过5 MPa。

与中、深部煤矿相比，浅部矿井长壁工作面普遍出现台阶下沉，矿压显现强烈［1－2］。浅部煤矿开采呈现的独特矿压显现特征与地应力、岩层性质与结构等密切相关，因此，测量与研究浅部煤矿井下地应力大小与分布特征，对优化浅部煤矿巷道布置与支护参数，揭示采场上覆岩层运动与破坏特征、围岩与支架相互作用关系等具有重要作用。

国内外有多种地应力测量方法［3－5］，但用于煤矿井下的地应力测量方法主要是应力解除法与水压致裂法［6］。应力解除法主要采用空心包体应变计进行测量，而对于水压致裂法，煤炭科学研究总院开采研究分院开发研制的小孔径水压致裂地应力测量装置得到广泛应用，获得了大量宝贵的煤矿井下地应力实测数据［7－10］。

到目前为止，采用小孔径水压致裂地应力测量装置，共完成浅部煤矿地应力测点88个，分布在潞安、晋城、西山、汾西、平朔、神东、伊泰、宁煤及新疆潞新等矿区，涉及山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆5省(自治区)。地应力测量深度最浅仅为38 m，煤层条件从近水平煤层到倾斜煤层;煤岩体强度从软弱、中等，到坚硬类型，具有较好的代表性。根据井下地应力测量数据，有些学者对本矿区井下地应力分布特征进行了研究，取得一些初步研究成果［11－13］。

本文基于浅部煤矿井下地应力实测数据，分析浅部煤矿井下地应力场分布特征与规律，地应力主要影响因素，并与深部煤矿井下地应力测量结果进行比较，揭示浅部与深部煤矿井下地应力分布的差别。最后通过实例分析，介绍浅部煤矿井下地应力测量结果在煤柱尺寸优化、巷道锚杆支护设计中的应用。

1　浅部煤矿井下地应力测量

1.1地应力测量方法与仪器

在煤矿井下巷道中采用水压致裂法进行地应力测量。钻孔在巷道顶板中部垂直向上布置，测量水平面上的最大与最小水平主应力。垂直应力由上覆岩层自重估算得出。为测得原岩应力，测点位置应避开采煤工作面周围采动应力影响和掘巷引起的巷道围岩应力重新分布区域。

地应力测量仪器采用煤炭科学研究总院开采研究分院开发的SYY－56型小孔径水压致裂地应力测量装置，如图1所示。该测量装置由小孔径封隔器、印模器与定向仪、高压泵、储能器及数据采集分析装置等组成。测量钻孔直径为56 mm，钻孔深度根据巷道具体条件确定，一般为20～30 m。

1.2地应力测量结果

浅部煤矿井下地应力测量部分结果见表1，其中H为测点埋深;σV，σH，σh分别为垂直主应力、最大水平主应力与最小水平主应力;Δσ为最大与最小主应力之差;k，k1，k2分别为平均水平主应力(最大水平主应力与最小水平主应力的平均值)、最大水平主应力、最小水平主应力与垂直应力的比值;k3为最大水平主应力与最小水平主应力的比值;k4为最大和最小水平主应力差值与垂直应力的比值;α为最大水平主应力方向。图2为地应力分布的散点图。

2　浅部煤矿井下地应力测量结果分析

2.1地应力场类型及大小

88个测点的地应力测量数据显示，最大水平主应力大于垂直主应力的测点有84个，占总测点的95.5%，水平应力占绝对优势，属于典型的构造应力场类型。进一步细分，存在3种应力场:

图1　小孔径水压致裂地应力测试系统Fig.1　Hydraulic fracturing in-situ stress measurement unit with small borehole

表1　浅部煤矿井下地应力测量结果Table 1　In-situ stress measurement results in shallow coal mines

续表

序号　　矿名　　测点位置　H/ m σV/ MPa σH/ MPa σh/ MPa Δσ/ MPa　k　k1　k2　k3　k4　　α 29　　潞安开拓煤业　　西轨道上山　78　1.95　4.93　2.74　2.19　1.97　2.53　1.41　1.80　1.12　N88.8°W 30　　潞安潞宁　　胶带下山　175　4.38　14.61　7.94　6.67　2.57　3.34　1.81　1.84　1.52　N8.9°W 31　潞安孟家窑煤业　211回风石门　174　4.35　8.60　4.67　3.93　1.53　1.98　1.07　1.84　0.90　N30.1°W 32　　潞安上庄矿　3－1采区轨道巷　193　4.83　8.88　5.04　3.84　1.44　1.84　1.04　1.76　0.80　N51.8°E 33　　潞安潞新二矿　　东扩N4303运输巷　192　4.80　10.00　5.39　4.61　1.60　2.08　1.12　1.86　0.96　N27.7°E 34　　沁新新超矿　90102回风巷　93　2.33　6.77　3.55　3.22　2.22　2.91　1.53　1.91　1.38　N66.2°W 35　　沁新新达矿　　一采区运输巷　84　2.10　7.25　3.82　3.43　2.64　3.45　1.82　1.90　1.63　N41.6°E 36　　伊泰大地精矿　1302回风巷　38　0.95　3.60　2.20　1.40　3.05　3.79　2.32　1.64　1.47　N18.9°W 37　　伊泰大地精矿　3301回风巷　59　1.48　4.07　2.58　1.49　2.25　2.75　1.74　1.58　1.01　N52.1°E 38　　伊泰宝山矿　6201回风巷　111　2.78　5.30　2.70　2.60　1.44　1.91　0.97　1.96　0.94　N63.6°W 39　　陕西何家塔矿　　一采区辅助运输巷　187　4.68　11.50　6.37　5.13　1.91　2.46　1.36　1.81　1.10　N54.6°W 40　　陕西何家塔矿　50104回风巷一联巷　189　4.73　11.86　6.20　5.66　1.91　2.51　1.31　1.91　1.20　N65.0°W

图2　浅部煤矿井下地应力散点分布Fig.2　Scatter diagram of in-situ stress distribution in shallow coal mines

(1)σH＞σV＞σh型，共31个测点，占总测点数的35.2%。

(2)σH＞σh＞σV，共 53个测点，占总测点数的60.2%。

(3)σV＞σH＞σh，共4个测点，占总测点数的4.5%。

由此可见，在浅部煤矿井下地应力场中，大部分情况下，最大水平主应力为最大主应力，垂直应力为最小主应力，最小水平主应力为中间主应力。

在全部测点中，最大应力值为14.61 MPa，最小值为0.95 MPa。最大主应力≥10 MPa的有13个测点，5～10 MPa之间有54测点，小于5 MPa的有21个测点。所测浅部煤矿井下地应力最大值85%属于低地应力值(0～10 MPa)。

由于地应力测点分布在5个省(自治区)的多个矿区，因此，最大水平主应力方向分布呈多变状态。

2.2地应力值随埋深的变化规律

从图2看出，水平应力总体上随着埋深增加有增大的趋势，但由于各矿区地质条件、岩石性质差异较大，而且浅部煤矿井下地应力场受地形、地表剥蚀、风化、温度、地下水等的影响作用更为显著，导致地应力测量数据离散性很大，特别是最大水平主应力的离散范围最大。在88个测点中，埋深最浅的为38 m，小于100 m埋深的有15个测点，仅有1个测点为σH＞σV＞σh型，其余14个测点为 σH＞σh＞σV型;100! 150 m有27个测点，有1个测点为σV＞σH＞σh型，8个测点为σH＞σV＞σh型，18个测点为σH＞σh＞σV型; 150～200 m有46个测点，有3个测点为σV＞σH＞σh型，22个测点为σH＞σV＞σh型，21个测点为σH＞σh＞σV型。可见，即使在浅部，随着埋深增加，地应力场有逐步从σH＞σh＞σV型向 σH＞σV＞σh型转变的趋势。

2.3最大水平主应力与垂直主应力的比值随埋深的

变化规律

最大水平主应力和垂直主应力的比值(侧压比)随埋深的变化如图3所示，不同侧压比的分布如图4所示。

图3　最大水平主应力与垂直主应力比值随埋深的变化Fig.3　Ratio of maximum horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

图3表明最大水平主应力和垂直主应力的比值k1的离散性很大，埋深小于100 m时k1的离散范围最大，随着埋深增加，k1的离散范围有逐渐减小的趋势。

图4　最大水平主应力与垂直主应力比值的分布Fig.4　Distribution of ratio of maximum horizontal principal stresses to vertical principal stresses

在88个测点中，k1最小值为0.72，最大值为4.66。k1＜1的测点共4个，占4.5%;1＜k1＜2的测点共有43个，占48.9%;2＜k1＜3的测点共有28个，占31.8%;3＜k1＜4的点共有11个，占12.5%;k1＞4的测点共有2个。k1值80%以上集中在1～3。埋深小于100 m的测点 k1普遍大于 2.5;埋深在 100～150 m之间的测点k1多数集中在1.5～3.0;埋深大于150 m的测点k1多数集中在1～2.5。可见，随着测点埋深的增加，k1的离散性和数值均有减小的趋势。

2.4最小水平主应力与垂直主应力的比值随埋深的变化规律

最小水平主应力与垂直主应力的比值k2随埋深的变化如图5所示。与k1的分布类似，k2也具有显著的离散性，但离散范围小于k1，而且随着埋深增加，k2的离散范围逐渐减小。

图5　最小水平主应力与垂直主应力比值随埋深的变化Fig.5　Ratio of minimum horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

在所有测点中，k2最小值为 0.40，最大值为2.74。k2＜0.5的测点共2个;0.5＜k2＜1.0的测点共有32个，占36.4%;1.0＜k2＜1.5的测点共有35个，占39.8%;1.5＜k2＜2.0的点共有15个，占17.0%;k2＞2的测点共有4个。k2值90%以上集中在0.5～2.0。埋深小于100 m的测点k2普遍大于1.5;埋深在100～150 m的测点k2多数集中在1～2;埋深大于150 m的测点k2多数集中在0.5～1.5。随埋深增加，k2的离散性和数值均有减小的趋势。

2.5最大水平主应力与最小水平主应力的比值随埋深的变化规律

最大水平主应力与最小水平主应力的比值k3随埋深的变化如图6所示。与 k1，k2的分布规律不同，k3集中在一个比较狭窄的分布范围内，而且与埋深的关系不明显。

图6　最大与最小水平主应力比值随埋深的变化Fig.6　Ratio of maximum horizontal principal stresses to minimum horizontal principal stresses vs depth

在88个测点中，k3最小为 1.11，最大为1.98。k3＜1.5的有7个测点，占8%;k3介于1.5! 2.0的共81个测点，占92%。可见，k3绝大部分集中在1.5～2.0。

根据传统水压致裂法地应力测量计算公式，可得出计算k3的表达式为(不考虑孔隙压力)

其中，Pr为破裂重张压力，MPa。由于Pr大于瞬时关闭压力Ps，即σh，因此，根据式(1)知k3＜2。

2.6最大主应力与最小主应力之差与垂直主应力的

比值随埋深的变化规律

最大主应力与最小主应力之差与岩体中的剪应力密切相关，其与垂直主应力的比值k4如图7所示。

图7　最大与最小主应力之差与垂直主应力比值随埋深的变化Fig.7　Ratio of difference between maximum and minimum principal stresses to vertical principal stress vs depth

与k1，k2的分布类似，k4的离散性也很大，但离散范围明显小于k1，与k2比较接近。埋深小于100 m的测点k4分布范围大，离散性大。随着埋深增加，k4的离散范围逐渐减小。

在所有测点中，k4最小值为 0.22，最大值为2.07。k4＜0.5的测点共13个，占14.8%;0.5＜k4＜1的测点共有46个，占52.3%;1.0＜k4＜1.5的测点共有21个，占23.9%;1.5＜k4＜2.0的测点共有7个，占8.0%;k4＞2的测点仅有1个。k4值75%以上集中在0.5～1.5。

k4越大，岩体中的剪应力越大，发生剪切破坏的可能性也越大。有利的一面是浅部煤矿井下地应力值本身不大，即使k4较大，但剪应力值不一定很大。

2.7平均水平主应力与垂直主应力的比值随埋深的

变化规律

平均水平主应力与垂直主应力的比值k随埋深的变化规律如图8所示。与k1，k2类似，k的离散性也很大，而且埋深越小，k的分布越离散，其离散范围介于k1，k2之间。随着埋深增加，离散范围逐渐减小。

图8　平均水平主应力与垂直主应力比值随埋深的变化Fig.8　Ratio of mean horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

88个测点中，k最小值为 0.57，最大值为3.70。k＜1的测点共14个，占15.9%;1＜k＜2的测点共52个，占 59.1%;2＜k＜3的测点共 20个，占22.7%;k＞3的测点共2个。k值大部分集中在1.0～2.5。

参考回归分析平均水平主应力与垂直主应力比值随埋深变化规律的常用方法［14］，得到所测浅部煤矿k值表达式为

由于地应力实测数据的离散性很大，因此，图8中回归曲线的相关性比较低，这也是浅部煤矿井下地应力场分布的显著特点。

2.8浅部与深部煤矿井下地应力分布特征比较

与深部煤矿井下地应力测量结果相比［7，15－16］，浅部煤矿井下地应力分布有以下特征:

(1)浅部煤矿地应力场以σH＞σh＞σV型为主，水平应力占绝对优势。深部煤矿地应力场以σV＞σH＞σh，σH＞σV＞σh型为主，一些深部煤矿以垂直应力为主。

(2)与深部煤矿相比，浅部煤矿地应力分布受地形、地表剥蚀及温度等多种因素的影响比较明显，导致地应力值的离散性大，随埋深变化的规律性不明显。

(3)浅部煤矿最大水平主应力与垂直主应力的比值分布范围广，数值大，大部分集中在1～3之间。深部煤矿该比值分布范围窄，数值相对较小，大部分在0.6～1.5。

(4)浅部煤矿平均水平主应力与垂直主应力的比值离散范围大，数值高，大部分在1.0～2.5。深部煤矿该比值变化范围小，数值相对较低，大部分在0.5～1.2，而且随着埋深增加，比值有趋向一定值的趋势。

3　单孔应力测量结果及分析

为了解距巷道顶板不同深度的围岩应力分布规律，在陕西何家塔煤矿一采区辅助运输巷、50104回风巷一联巷顶板进行了单孔、钻孔不同深度的多次水压致裂应力测量。两条巷道均沿煤层顶底板掘进，煤层厚度约为3 m。测量结果见表2。由于钻孔垂直巷道顶板向上布置，表中巷道埋深为顶板表面的深度，因此，测点埋深为巷道埋深与测量深度的差值。两个钻孔顶板岩层应力分布如图9所示。应力测量结果表明:

(1)巷道顶板岩层水平应力总体上随着钻孔深度增加不断增大，当钻孔深度达到一定值时，最大、最小水平主应力趋于稳定。对于一采区辅助运输巷钻孔该值为12 m左右，而50104回风巷一联巷为13 m左右。巷道宽度为5 m，高度为3.2 m，外接圆半径为3 m。可见，两个钻孔应力趋于稳定的深度均超过巷道外接圆半径的4倍，可以认为该处受巷道开挖的影响已经不明显，测量值可作为原岩应力值。在离巷道顶板表面较近的位置，受巷道开挖影响明显，水平应力显著降低，而且最大水平主应力的降低幅度大于最小水平主应力。

(2)岩性和岩层强度对水平应力有明显影响。一般情况下，岩层强度与刚度越高，水平应力越大。如一采区辅助运输巷钻孔中，处于7.5 m深度的中砂岩，比其上下附近的中砂岩强度高，该处的水平应力也明显较大，甚至高于10 m处粉砂岩中的水平应力。在50104回风巷一联巷钻孔中，位于4.3 m处的中砂岩，抗压强度比位于其上的粉砂岩高1/3左右，其水平应力高于10.1 m处的粉砂岩。

(3)最大水平主应力方向分布。同一钻孔中，最大水平主应力方向测量结果比较一致。一采区辅助运输巷钻孔最大水平主应力方向的平均值为N42.7°W，与该值的最大偏差为11.9°;50104回风巷一联巷钻孔最大水平主应力方向的平均值为N60.5°W，与该值的最大偏差为10.6°。2个钻孔的最大偏差均在15°范围内。

图9　巷道围岩应力随钻孔深度的变化Fig.9　Stress in rocks surrounding an entry vs borehole depth

表2　何家塔煤矿单孔应力测量结果Table 2　Stress measurement results in a single borehole in the Hejiata Coal Mine

4　应用实例

4.1试验点地质条件与巷道变形状况

试验点位内蒙古伊泰宝山煤矿6302工作面回风巷，埋深约为100 m。工作面开采6号煤层，平均厚度为2.3 m。煤层直接顶为砂质泥岩，厚度3.0 m左右，基本顶为细砂岩，厚度5 m左右。巷道断面为矩形，宽度5 m，高度2.7 m。煤柱宽度为20 m。

在宝山煤矿井下进行了地应力测量，测量结果为(表1):最大水平主应力5.30 MPa，最小水平主应力为2.70 MPa，垂直应力为2.78 MPa。矿区总体以水平应力为主，最大水平主应力方向为N°63.6W。直接顶砂质泥岩平均单轴抗压强度为31.6 MPa，煤层平均单轴抗压强度为19.8 MPa。

回风巷原支护采用树脂锚杆、锚索支护。锚杆杆体为直径18 mm的左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.0 m，拉断力105 kN，树脂加长锚固。采用钢筋托梁与金属网护顶。锚杆排距1 m，每排5根锚杆，间距1.1 m。锚索索体为直径15.24 mm的钢绞线，长度5.3 m。每排 1根，布置在巷道中部，排距为2.0 m。两帮不支护。

回风巷采用上述支护方案后，掘进期间巷道顶底板最大位移量为43 mm，煤柱帮最大位移量为12 mm。锚杆、锚索受力普遍很低，巷道围岩完整、稳定。经历邻近工作面回采动压影响后，回风巷顶底板移近量增加了14 mm，达到57 mm;煤柱帮位移量增加了12 mm，达到24 mm。锚杆、锚索受力虽然有所增加，但仍远没有达到杆体的屈服载荷。整体来看，巷道顶板与煤柱在受到邻近工作面动压影响后，没有出现明显变形与破坏，巷道稳定性好［17］。因此，无论是煤柱宽度还是锚杆支护参数均应进行优化。

4.2煤柱宽度优化

地应力与围岩强度测量结果表明，试验点地应力比较小，而煤层、岩层虽然强度不高，但比较完整，且泥岩、煤层抗压强度与最大水平主应力的比值达6.0，3.7。为了进一步研究煤柱宽度对回风巷围岩变形的影响，优化煤柱宽度，采用FLAC3D软件进行了数值模拟［18］。根据地应力实测数据、巷道周围岩层分布与物理力学性质、巷道与工作面几何参数等建立数值模型，模拟煤柱宽度8，12，15及18 m，受邻近工作面和本工作面采动作用下回风巷围岩及煤柱位移及塑性破坏区分布。

巷道掘进期间变形很小。受到邻近工作面采动作用后，宽度8 m煤柱巷道顶板下沉达285 mm，煤柱侧帮位移达317 mm，围岩变形破坏比较严重。随着煤柱宽度增加，围岩位移及破坏范围不断减小。煤柱宽度12 m时，顶板下沉、煤柱侧帮位移分别为150，133 mm，分别降低47%，58%。之后，再增加煤柱宽度，围岩位移降低幅度变得不明显。

当受到本工作面采动作用后，8 m煤柱巷道顶板下沉、煤柱侧帮位移分别增加325，357 mm;12 m煤柱巷道顶板下沉、煤柱侧帮位移分别增加158，195 mm，后者比前者分别降低51%，45%。当煤柱宽度为15 m时，顶板下沉、煤柱侧帮位移分别增加148，184 mm。与12 m宽度煤柱相比，虽然15 m宽度煤柱巷道围岩位移有所降低，但降低幅度不大。根据数值模拟结果，结合井下实际情况，确定6203工作面煤柱宽度从原来的20 m减小到12 m。

井下监测数据表明，经历6203邻近工作面及本工作面回采动压影响后，绝大部分地段12 m煤柱稳定性良好，煤柱无支护，表面平整，基本没有出现片帮。仅有局部地段受硐室的影响，煤柱表面出现片帮，只需补打锚杆即可保持煤柱稳定。可见，将煤柱宽度减小到12 m是合理的，完全可以保证回风巷安全使用。同时，推进长度2 000 m的工作面可减少煤炭资源损失超过5万t。

4.3锚杆与锚索支护参数优化

基于地应力与围岩强度测量结果，采用数值模拟并结合井下实测数据对回风巷支护效果及主要影响因素进行了分析，建议对回风巷锚杆、锚索支护参数进行优化，巷道支护布置如图10所示。

图10　宝山煤矿回风巷锚杆支护布置Fig.10　Rock bolting layout for a tailgate in Baoshan Coal Mine

①锚杆长度从2 m减小至1.8 m，锚固长度也相应减小。②锚索长度从5.3 m减小至4.3 m。③锚杆排距从1 m增加到1.2 m。④锚索排距从2 m增加到4 m。⑤煤柱一般情况下不支护。在局部破碎地段，采用锚杆、钢筋托梁与金属网支护。

5　结　　论

(1)浅部煤矿井下地应力由于受地质条件、岩石性质及地形、地表剥蚀、风化、温度等多种因素的影响，导致地应力测量数据离散性很大，地应力值随测点埋深的变化规律不明显。

(2)浅部煤矿井下地应力场以σH＞σh＞σV型为主，水平应力占绝对优势。最大、最小水平主应力可分别达到垂直主应力的4和2倍以上。

(3)浅部煤矿井下最大水平主应力与垂直主应力的比值主要集中在1～3;最小水平主应力与垂直主应力的比值大部分在0.5～2.0;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于1.0～2.5。

(4)浅部煤矿井下最大主应力与最小主应力之差同垂直主应力的比值离散性很大，最大值超过2。该比值越大，岩体中的剪应力越大，越容易发生剪切破坏。但浅部煤矿井下地应力值本身不大，即使该比值较大，但剪应力值不一定很大。

(5)基于浅部煤矿井下地应力测量数据进行煤柱尺寸优化，巷道支护参数优选，可在保证巷道安全与支护效果的前提下，提高煤炭资源采出率，降低巷道支护成本。

参考文献:

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中图分类号:TD322

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1332－09

收稿日期:2016－04－25修回日期:2016－05－08责任编辑:常琛

基金项目:国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目(U1261211)

作者简介:康红普(1965—)，男，山西五台人，中国工程院院士。E－mail:kanghp@163．com

Characteristics of underground in-situ stress distribution in shallow coal mines and its applications

KANG Hong-pu1，2，3，SI Lin-po1，2，3，ZHANG Xiao1，2，3
(1．Coal Mining Branch，China Coal Research Institute，Beijing100013，China;2．Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co．，Ltd．，Beijing100013，China;3．State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing100013，China)

Abstract:By means of the small borehole hydraulic fracturing measurement unit designed for underground coal mines，the 88 in-situ stress measurement sites were conducted in more than 10 coal mining fields located in the Shanxi，Shaanxi，Inner Mongolia，Ningxia and Xinjiang province or autonomous region．The shallowest site was only 38 m below the surface．The distribution features and variation trend of the in-situ stresses in shallow underground coal mines were analyzed based on the measurement data，and the comparison with those obtained in deep underground coal mines was made．The applications of the in-situ stress measurement results in a shallow coal mine were introduced through a case study．It is shown that the in-situ stress measurement results present large discreteness，and there is no obvious variation discipline with buried depth，as the in-situ stresses in shallow coal mines are affected by a lot of factors．The in-situ stress pattern is mainly the type of σH＞σh＞σVwith the dominant horizontal stresses．The ratio between the maximum horizontal principal stresses and vertical principal stresses mostly focuses on the interval of 1 to 3;The ratio be-tween the minimum horizontal principal stresses and vertical principal stresses is mainly on the interval of 0．5 to 2．0; The ratio between the mean horizontal principal stresses and vertical principal stresses mainly locates on the interval of 1．0 to 2．5．The ratio between the difference of the maximum and minimum principal stresses and vertical principal stresses presents large discreteness with the maximum value more than 2．The in-situ stress measurement results were applied to optimize coal pillar sizes and rock bolting design，the coal recovery rate was enhanced，and the rock bolting costs were decreased in the premise of entry safety and reinforcement effectiveness．

Key words:coal mine;shallow;in-situ stress measurement;hydraulic fracturing;stress distribution feature