淮南矿区地应力场作用特征研究

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区、伸张区和稳定区等三种地体构造应力架构并给出了具体的分类计算指标。总体来看，正 断层应力类型相当于大地静力场（伸张区）；走滑断层应力类型和逆断层应力类型为大地动 力场型（压缩区），而正断层应力类型、走滑断层应力类型之间的过渡类型为准静水压力场 型（稳定区）。
刘庄 构造线
大兴集
朱集
张集
谢桥 谢桥深
张集
丁集
潘四 潘三
潘二
朱集深 ★
潘一 ★ 潘集深
★ 新集矿
八里塘
孔集
谢李深
井田或 勘探区
潘一 矿井
凤台县
李咀孜
★
地应力 测点
★ 新庄孜
★ 谢一
蔓家岗
谢二
李一
李二
田家庵 淮南市
图 1 淮南矿区地应力测点分布 Fig.1 Location of stress measurement in Huainan mining area
前人对淮南矿区的地应力场从理论和实测方面进行了许多研究。徐燕[3]、朱亮[4]等对淮南 矿区地壳深部地应力进行了探测和分析。彭向峰[5]、李文平[6]、彭苏萍[7]及孟召平[8]等则针 对淮南矿区地壳浅部的地应力进行了研究。本文利用空芯包体测量方法分别在淮南矿区的潘 一矿、谢一矿进行了4个点的地应力测量，同时收集了前人在淮南矿区获得的地应力测量数 据，详细分析了三个主应力的量值和方位在空间上的变化特征，讨论了矿区地应力场的宏观 类型。以岩性差异对地应力量值的影响为例讨论了地应力场空间分布的复杂性及其类型的临 界状态和转换特征。最后讨论了地应力场对于淮南矿区煤与瓦斯突出的意义，并提出了通过 考虑地应力场特征来改进瓦斯抽放钻孔设计、提高抽放率的建议。
最大水平主应力与最小水平主应力的比值与深度没有明显的关系。二者的比值分布在 1.05～1.96 之间。其中只有 11%的测点（2 个）位于 1.0～1.2 之间，39%测点在 1.2～1.4 之 间，大于 1.4 的测点为 50%（图 4）。
平均水平主应力与垂直主应力的比值分布在 0.48～1.44 之间，并且比较离散（图 5）。 将图 4 与图 5 对比可以看到，二者的分布形态相近。
666.6
中砂岩
10.36(52)
18.0
＊最大水平主应力一栏的（）表示最大水平主应力的方位，单位为°。
最小水平主应力 /MPa
13.52 12.84 16.52 15.28 14.87 18.84 9.50 7.72 10.20 16.53 7.93 9.86
4．测量结果分析
最大水平主应力、垂直主应力和最小中间主应力与深度的关系见图 2。总体上来看，大 部分测点的两个水平主应力为最大主应力和最小主应力，垂直主应力为中间主应力。最大水 平主应力随深度的增加而增加，但是相对比较离散，在-550 m 附近，不同测点的最大水平 主应力差值可达到 13 MPa。在-650 m 附近，这一差值达到 16 MPa 以上。在-650 m 以下， 最大水平主应力随深度变化的趋势分为两支，其应力梯度分别为 0.041 和 0.07。
8
个测点为σ H
>σz
>σh
；
有 3 个测点为σ z > σ H > σ h 。因此，按照应力场宏观分类的标准来看，淮南矿区地应力场应
垂直主应力σ v 的分布显然具有良好的一致性。利用线性回归式表示为：σV = 0.0272h ，
相关性系数 R = 0.98，这与 E.T.Brown 和 Hoek 研究结果基本相同[11]。造成这一结果的部分 原因是在利用水压致裂法测量时，垂直主应力由 E.T.Brown 和 Hoek 的研究结果进行估算的。 最小水平主应力也是随深度的增加而增加的。σ h = 0.0185h +1.435，相关性系数为 0.69。 最大水平主应力与垂直主应力的比值分布在 0.51～1.78 之间，其中 67%分布在 0.9～1.5 之 间，56%测点的比值大于 1.1，73%的测点最大水平主应力与垂直主应力的比值大于 1。最大 主应力与垂直主应力的比值与测点的深度没有明显的相关性，既随着深度的增加，这一比值 并没有发生明显的变化（图 3）。
1 潘一矿(-530)井底车场外水仓 549 23.06 167.2 5.7 13.21 -72.6 78.8 12.18 256.2 9.6
2 潘一矿(-530)西一轨道巷 543 17.14 235.4 -3 15.15 83.2 -86.6 10.98 145.5 1.6
3 谢一矿(-660)南 B10 槽底板巷 673 25.2 244 -3 17.78 -11.2 -78.3 12.89 153.4 -11.3
6
新庄孜-612 水平
650 15.7 0 20 19.5 240 55 12.8 101 28
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表 2 淮南矿区地应力实测结果（水压致裂法） Tab.2 Measurement data in Huainan coal mine (HF)
测点 名称
测点 编号
测点深度 /m
测点 岩性
最大水平主应力＊ /MPa
垂直主应力 /MPa
1
555.18 石英砂岩
18.78
14.99
2
589.74 石英砂岩
16.74
15.92
新集
3
652.72
中砂岩
23.52
17.62
1202 孔
4
718.64 砂质泥岩
20.78
19.40
5
757.60 石英砂岩
19.37(55)
3．地应力测量
为了确定淮南矿区地应力场状态，作者在淮南潘一矿、谢一矿共 4 个点进行了地应力测 量。与此同时，收集了中国矿业大学[5]、中国科学院武汉岩土所、国家“九五”煤层气项目[7] 等的地应力测量成果，其中潘一矿、谢一矿、潘二矿和新庄孜矿采用的是空芯包体测量方法， 新集 1202 孔、201 孔为水压致裂方法。利用空芯包体测量方法在一次测孔中获得了测点的 三维应力状态。水压致裂测量中只测取了水平主应力的量值和方位，而垂直主应力则根据 Hoek 和 Brown[11]提出的公式来计算。测点分布见图 1。
最大水平主应力作用方位为北东向（图 6），局部区域受构造等影响，水平主应力方位 发生变化。但是总体上来看，淮南矿区现今主要受北东向的挤压应力作用。
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图 2 各测点的主应力值与深度的关系 Fig.2 Principal stress VS depth
表 1 淮南矿区地应力实测结果（空芯包体方法）
Tab.1 Measurement data in Huainan coal mine area (HI cell)
测点 最大水平主应力
垂直主应力
最小水平ห้องสมุดไป่ตู้应力
序号
测点位置
深度 量值 方位 倾角 量值 方位 倾角 量值 方位 倾角
/m /MPa /° /° /MPa /° /° /MPa /° /°
图 3 最大水平主应力与垂直主应力的比值 Fig.3 Ratio of major horizontal stress to vertical stress
图 4 最大水平主应力与最小水平主应力的比值 Fig.4 Ratio of major horizontal stress to minor principal stress
图 5 平均水平主应力与垂直主应力的比值
Fig.5 Ratio of average horizontal stress to vertical stress
5．讨论
5.1 地应力场类型及其转换
三个主应力的空间关系是表征一个地区地应力场基本特征的主要因素。Anderson E.M.[12]在 根据断层类型反推可能产生这种断层活动的地应力状态的基础上，将地应力划分为正断层应 力类型、走滑断层应力类型和逆断层应力类型。于双忠[13]根据三个主应力的空间关系将地 应力场划分为三种宏观类型：大地静力场、大地动力场型和准静水压力场型。王沛夫[14]根 据大地构造单元的分布架构并观察各种形态地震分布的情形，将现今地壳应力状态分为压缩
2．矿区概况
淮南矿区位于安徽省淮南市西北部，东西长约 100 km，南北宽约 24 km。构造位置处 于华北地台东南部，北邻蚌埠隆起，南临合肥拗陷，东至郯庐断裂，西至夏邑-固始断裂， 是一北西西向的复式向斜[9]。南缘逆冲推覆构造东至灵壁－武店断裂，西至阜阳。煤田北部 边界为高角度逆冲断裂带，走向北西西，由北向南叠置在淮南复向斜北翼煤系之上。该地区
20.64
6
845.10 石英砂岩
25.97
22.82
1
350.70
中砂岩
14.20(53)
9.47
2 新集
3 201 孔
4
373.60 460.10 553.46
细砂岩 泥岩
石英砂岩
10.10(49) 14.90 26.63
10.09 12.42 14.94
5
632.63
细砂岩
8.63
17.08
6
4 谢一矿(-780)南 B10 槽底板巷 793 31.2 247.8 -6.3 21.37 -35.2 63.8 17.89 160.8 25.3
5
潘二井-530 水平
550 13.431 78.94 -13.945 16.473 136.76 65.001 7.215 124.21 -20.314
1本课题得到教育部高校博士学科点专项科研基金（20040147005）的资助。
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由于受南北两侧大型断裂带所夹持，次一级构造均呈北西西向展布[10]。断层主要有近东西 向和北北东向两组，其中近东西向断层多为平行褶皱发育的逆掩断层。北北东向断层多为横 切褶皱的正断层。在该区南部发育有地层陡且不对称的谢桥向斜，位于向斜北部并与之平行 发育的潘集背斜是该区主要的正向褶皱构造。