潞新礦區地應力場分布特征研究

談國強

(潞安新疆煤化工(集團)有限公司，新疆 哈密 839003)

地應力是存在于地層中的天然內應力，是引起工程變形和破壞的根本作用力，是進行圍巖穩定性分析、開采設計、科學化決策的必要前提條件［1］。地應力的大小和方向都顯著影響圍巖的變形和破壞特征。煤巖體應力場的形成則相對復雜，目前很難用函數表達，只能通過實測得到應力值，指導工程實踐。目前，最常用的井下地應力測試方法有應力解除法和水壓致裂法［2－4］。煤炭科學研究總院開采設計研究分院開發出適用于井下的小孔徑多參數地質力學測試裝置，在全國多個礦區進行過測試，取得了較好的效果［5］。潞新礦區于2009年開始進行相關測試工作，迄今已進行了15 個測點的測試，取得了一定的成果，初步弄清了礦區的地應力水平及分布特征，并用于礦井生產的指導。

1 潞新礦區地質構造

潞新礦區位于天山褶皺帶的南緣哈密盆地的西北邊緣，礦區東西長43.2km，南北寬約24.3km，面積1050km2。

哈密市三道嶺聚煤盆地處于哈密凹陷帶北緣，北天山大斷裂前緣拗陷帶為一個山間小盆地，褶皺簡單，斷裂發育［6］。煤田內構造形態主要受燕山運動及喜馬拉雅山運動的影響，除了褶皺外，還有斷裂。褶皺主要是西山傾伏背斜;斷裂構造主要為F2 逆斷層，走向東西到潞新一礦轉向南，與F1 斷層相交，傾角17°左右，傾向南，轉向后變成西，斷距超3000m。潞新礦區主體位于背斜南翼，屬單斜構造，煤層緩傾斜，構造類型簡單［7］。

潞新一礦和二礦位于西山傾伏背斜南翼，南部以貫穿礦區的F1 逆斷層為界。一礦、露天煤礦北部以F2 逆斷層為界，F2 逆斷層將一礦、二礦分開。一礦受逆沖推覆作用位于F1，F2 逆斷層上盤，礦區相對構造簡單，煤層破壞輕微。二礦受逆沖推覆作用位于F1 逆斷層上盤，F2 逆斷層下盤，礦區構造簡單，煤層破壞輕微［8］。由此可見，對于潞新礦區影響較大的為斷層，特別是一礦、二礦靠近斷層的區域，應力及巖體強度的變化會對生產造成一定的影響。

2 地應力測試結果與分布特征分析

2.1 測試結果

在潞新礦區共進行了15 個測點的測試，分別是潞新一礦5 個，潞新礦8 個，砂墩子煤礦2 個。測量結果見表1 (表中，H 為測點埋深，σH為最大水平主應力，σh為最小水平主應力，σv為垂直主應力)。

2.2 地應力分布特征分析

2.2.1 礦區地應力場類型

潞新礦區15 個測點中，最大水平主應力大于垂直主應力的測點有12 個，占80%，垂直主應力大于最大水平主應力的測點有3 個，占20%。由此判定，潞新礦區地應力總體上以水平應力為主，屬于構造應力場類型。

其中，潞新一礦5 個測點，全部是最大水平主應力大于垂直主應力，屬于構造應力場類型;潞新二礦8 個測點中，有5 個屬于最大水平主應力大于垂直主應力，屬于構造應力場，3 個屬于垂直主應力大于最大水平主應力，屬于自重應力場;砂墩子礦2 個測點中，全部屬于構造應力場。

表1 潞新礦區地應力測試結果

2.2.2 礦區水平主應力分布方向特征

實測結果顯示，礦區測點的水平主應力方向范圍為N78.6°E～N78.3°W，跨度較大，這與礦區內較多的斷裂構造有直接關系。

具體看，一礦5 個測點中，有3 個為NE 方向，2 個為NW 方向;2009年測得的3 個測點均為NE 方向，2012年底測得的均為NW 方向，且2 次測試的區域發生了較大的變化，可知隨著開拓區域的逐漸增大和開采深度的增加，水平主應力方向發生了偏轉，由平均N51.4°E 偏轉為平均N14°W，偏轉幅度高達65°。這與一礦處在斷層F1 與F2 之間，不同區域應力場不同是直接相關的。

二礦8 個測點中，有4 個NE 方向，4 個NW方向，其中靠近F2 斷層的測點水平主應力方向主要為NW 方向，遠離F2 斷層的測點(主要在東區及東擴區范圍內)主要為NE 方向。

砂墩子礦2 個測點中，水平主應力方向均為NW 方向，一致性較好。

2.2.3 主應力隨深度的變化規律

從表1 中可以看出，二礦的埋深最淺，東擴區的埋深僅200m 左右，水平應力值也比較低。一礦的埋深平均在350m 左右，應力值也有一定的增加。砂墩子的埋深最大，在400m 以上，水平應力值也接近14MPa。最大埋深測點為一礦450 軌道下山測點，相應的水平應力也達到最大，為16.53MPa。

從3 個礦測點的埋深及最大水平主應力來看，總體上水平應力隨著埋深的增加而增大，但也有一些較為離散的值，主要受構造影響。

2.2.4 斷層對水平主應力值的影響

通過以上水平應力大小、方向及隨埋深的變化規律看，斷層對水平應力值有著較大的影響，特別是離斷層較近的一礦和二礦。

對一礦最大的影響是方向的偏轉，由于距離斷層的距離不同，斷層不同，斷層方向的改變等，不同開采區域水平應力的方向變化較大。如2012年測點與2009年測點相比較，隨著開采區域的變化，水平應力的方向也發生了較大的變化，偏轉幅度高達65°。

對二礦影響最大的是水平應力值，距離F2 斷層較近的區域，應力有所釋放，使得所測水平應力值較低。如二礦的2009年4 個測點的最大水平主應力僅為6MPa 左右。

2.2.5 礦區地應力量級

根據潞新礦區15 個測點的測試結果，最大水平主應力小于10MPa 的測點有6 個，占40%;大于10MPa 小于18MPa 的測點有9 個，占60%。最大水平主應力值為16.53MPa，最小為6.02MPa。根據判定標準，潞新礦區整體上屬于中等偏低地應力值礦區。

2.2.6 側壓比隨埋深的變化規律

潞新礦區15 個測點中，側壓比值的范圍為0.67～2.07，其中小于1.0 的有3 個，大于2.0 的有1 個，絕大部分位于1.0～2.0 之間。

如不考慮斷層影響較大的測點，側壓比由埋深最淺的二礦東擴區2 個測點的1.99，逐漸減小到埋深最大的砂墩子礦2 個測點的1.33。可見，隨著埋深的增加，側壓比有逐漸減小的趨勢。

3 現場應用

潞新二礦W4203 工作面主采4 號煤層，平均厚度為7.2m，傾角5～9°。工作面巷道掘進越靠近F2 斷層段，越易出現煤巖動力現象。

距離W4203 工作面最近測點的測試結果為最大水平主應力5.47MPa，最小水平主應力3.0MPa，垂直主應力6.96MPa。巷道頂板巖層以泥巖為主，4m 范圍內平均抗壓強度僅為11.6MPa。鉆孔窺視顯示巖層內存在裂隙和破碎帶，節理較為發育，煤內裂隙和破碎帶也較多。

W4203 工作面膠帶巷原頂板支護為普通螺紋鋼錨桿配合小直徑錨索，兩幫為圓鋼錨桿支護，預緊力很低。掘進后不久頂板下沉明顯，部分地段架設工鋼棚與單體液壓支柱聯合支護，大大增加了支護成本和勞動強度。經過基于地應力和圍巖原位強度測試結果的數值模擬及理論分析后，采用全斷面錨索支護，錨索為φ22mm 強力錨索，預緊力達到250kN。經過100m 段的試驗，頂板下沉量大幅減小，無需聯合支護，減緩了掘進迎頭20m 范圍內的動力顯現。

4 主要結論

(1)潞新礦區地應力場以水平應力為主，屬于構造應力場類型。

(2)潞新礦區整體上屬于中等偏低地應力值礦區。總體上水平應力隨著埋深的增加而增大，但也有一些較為離散的值，主要受斷層構造影響。

(3)潞新礦區側壓比范圍為0.67～2.07，絕大部分位于1.0～2.0 之間，而且隨著埋深的增加，側壓比有逐漸減小的趨勢。

(4)潞新礦區不同區域最大水平主應力方向相差較大，主要受斷層構造影響，斷層對水平應力值也有很大的影響。

(5)按照測試結果進行斷層附近的巷道支護設計，采用高預應力支護，巷道變形量大幅減小，取消聯合支護，取得一定技術及經濟效益。

［1］于學馥，鄭穎人，劉懷恒，等.地下工程圍巖穩定分析［M］.北京:煤炭工業出版社，1983.

［2］康紅普，林 健，顏立新，等.山西煤礦礦區井下地應力場分布特征研究［J］.地球物理學報，2009，52 (7):1782－1792.

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［4］劉 江.伊泰礦區井下地應力測量及應力場分布特征研究［J］.煤炭學報，2011，36 (4):562－566.

［5］康紅普，姜鐵明，張 曉，等.晉城礦區地應力場研究與應用［J］.巖石力學與工程學報，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］.中國西部科技，2010，9 (6):4－6.

［7］李保國.淺析哈密三道嶺礦區低階煤層含氣性［J］.西部探礦工程，2001 (6):124－126.

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