徐濤

摘 要：利用空心包體地應(yīng)力測量方法對煤與瓦斯突出嚴(yán)重的平頂山八礦區(qū)地應(yīng)力場進(jìn)行了測量分析，得出煤與瓦斯突出礦區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律最后討論了地應(yīng)力對突出的作用，認(rèn)為高地應(yīng)力增加了突出的動力--瓦斯含量和瓦斯壓力，降低了突出的阻力--煤體破壞強度（峰值強度）。高地應(yīng)力區(qū)域內(nèi)易出現(xiàn)煤體失穩(wěn)破壞、發(fā)生煤與瓦斯突出，對礦區(qū)預(yù)防煤與瓦斯突出具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力測量；巖石力學(xué)；煤與瓦斯突出；地應(yīng)力分布規(guī)律

1 測量方法及結(jié)果

地應(yīng)力測量能夠確定測點處地應(yīng)力場的類型，及該點處構(gòu)造應(yīng)力和水平應(yīng)力的大小和方向，進(jìn)而由區(qū)域內(nèi)幾個點的測量結(jié)果來分析該區(qū)域的地應(yīng)力場情況。文章采用的是空芯包體地應(yīng)力測量方法，采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行，使用中國地質(zhì)力學(xué)研究所研制的KX—81型空芯包體式三軸應(yīng)力計。

2 地應(yīng)力測量結(jié)果分析

2.1 垂直應(yīng)力分布規(guī)律

E.Hock等通過對世界一百多個地點的地應(yīng)力值進(jìn)行分析，得出垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定規(guī)律，絕大部分垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)分布于平均密度為2.7g/cm3的上覆巖體重力引起的應(yīng)力梯度直線周圍，關(guān)系式如下表示：

（1）

八礦區(qū)垂直應(yīng)力與深度的變化關(guān)系見圖1：

（R=0.947） （2）

礦區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律與E.Hock等的統(tǒng)計結(jié)果并無顯著差異（R為相關(guān)性系數(shù)），應(yīng)力值隨著開采深度的增加而線性增加，且數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好，區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力屬于正常水平。

2.2 最大主應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)我國絕大多數(shù)礦區(qū)的地應(yīng)力實測結(jié)果，如開灤、淮南、焦作等礦區(qū)，得出我國礦區(qū)的原巖應(yīng)力相對較低，最大水平主應(yīng)力用如下關(guān)系式表示：

（3）

根據(jù)八礦地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)得出最大主應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系如圖2：

（R=0.9613） （4）

得出礦區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力值隨著深度的增加而增大，且數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，從得出計算式中可以看出，與國內(nèi)其它礦區(qū)的一般水平相比，八礦區(qū)的最大主應(yīng)力明顯高于一般水平，聚集了較高的水平構(gòu)造應(yīng)力，這與礦區(qū)內(nèi)突出災(zāi)害頻發(fā)相一致。

2.3 最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的關(guān)系

通過計算最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值可以得出該礦區(qū)的應(yīng)力方向性是否強烈，各向異性是否明顯，我國大多數(shù)礦區(qū)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值一般為1.2～2.5。八礦地應(yīng)力實測結(jié)果最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值分別為4.71、2.32和2.84，表明八礦區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力相差很大，區(qū)域水平應(yīng)力場顯示出很強的方向性，各向異性明顯。

2.4 最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系

八礦區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值分別為2.26、1.53和1.62，二者的比值隨深度的增加而減少，且八礦區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力，故區(qū)內(nèi)水平構(gòu)造應(yīng)力起主導(dǎo)作用，控制著整個區(qū)域的應(yīng)力場狀態(tài)。

3 討論

3.1 地應(yīng)力在煤與瓦斯突出中的作用

煤與瓦斯突出的發(fā)生是地應(yīng)力、瓦斯和煤體強度三種因素綜合作用的結(jié)果，三者同時作用于煤層-圍巖系統(tǒng)中。地應(yīng)力與瓦斯在煤與瓦斯突出過程中起動力作用，煤體強度起阻礙突出發(fā)生的作用，三者之間具有密切的聯(lián)系。

地應(yīng)力和煤體孔隙中的瓦斯壓力同時作用于賦存在煤系地層中的多孔介質(zhì)煤。應(yīng)力是影響煤體滲透率的最為顯著的因素，地應(yīng)力對瓦斯壓力、瓦斯含量的影響可以從應(yīng)力與滲透性的關(guān)系來說明 。煤體滲透率與應(yīng)力的關(guān)系表示如下：

（5）

式中：K-定應(yīng)力條件下的絕對滲透率；

K0-無應(yīng)力條件下的絕對滲透率；

C -煤的孔隙壓縮系數(shù)；

-應(yīng)力變化率。

從公式中可以得出滲透率與應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，隨著應(yīng)力的升高滲透率降低，在含瓦斯煤這一多孔介質(zhì)中，滲透率降低直接導(dǎo)致煤體內(nèi)孔隙壓力升高。因此，在高地應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，因著地應(yīng)力的升高直接導(dǎo)致突出動力之一的瓦斯壓力的升高?？紫秹毫ψ饔糜诤咚姑后w，促使煤體中裂紋擴(kuò)張，導(dǎo)致煤體的抵抗能力減弱，結(jié)果導(dǎo)致含瓦斯煤的破壞強度（峰值強度）降低，進(jìn)而致使煤體的強度降低。

此外，含瓦斯煤的脆性度隨瓦斯含量增加而顯著增加。煤體失穩(wěn)破壞機(jī)率隨煤體脆性度的增加而增加，因此，煤體中的瓦斯加速了煤體失穩(wěn)破壞的進(jìn)程。綜上分析可知，在高地應(yīng)力煤層—圍巖系統(tǒng)中，突出的動力瓦斯含量和瓦斯壓力得到增加，突出的阻力煤體強度降低，進(jìn)而，高地應(yīng)力環(huán)境大大增加了突出發(fā)生的可能性，這與八礦區(qū)內(nèi)突出災(zāi)害頻發(fā)是相符的。

4 結(jié)論

（1）八礦區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力都隨著深度的增加近線性增加。最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力相差很大，區(qū)域應(yīng)力場表現(xiàn)出很強的方向性。最大、最小主應(yīng)力為水平應(yīng)力，中間主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力，說明水平構(gòu)造應(yīng)力在區(qū)域應(yīng)力場中起主導(dǎo)作用，應(yīng)力場類型為大地動力場。

（2）八礦區(qū)屬于高地應(yīng)力集中區(qū)域，區(qū)內(nèi)應(yīng)力水平明顯高于普通礦區(qū)。高地應(yīng)力增加了突出的動力——瓦斯含量和瓦斯壓力，減少了突出的阻力——煤體破壞強度（峰值強度），使含瓦斯煤體更易于出現(xiàn)失穩(wěn)破壞、發(fā)生煤與瓦斯突出，與礦區(qū)內(nèi)煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生頻繁的實際情況相符合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 霍多特 B.B.煤與瓦斯突出[M].宋世釗，王佑安，譯.北京：中國工業(yè)出版社，1966.

[2] 韓軍，張宏偉，等.京西煤田沖擊地壓的地質(zhì)動力環(huán)境[J].煤炭學(xué)報.2014，39（6）：1056～1062.

[3] BATUGINA I M， PETUKHOV I M. Geodynamic zoning of mineral deposits for planning and exploitation of mines[M].New Delhi： Oxford and IBH. Publishing Co.， PTV.， Ltd.，1988.

[4] 于不凡.煤和瓦斯突出機(jī)制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1985.

[5] 張宏偉，榮海，等.基于應(yīng)力及能量條件的巖芯餅化機(jī)理研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報.2014，31（4）：512～517.

[6] 郭德勇，韓德馨.煤與瓦斯突出的構(gòu)造物理環(huán)境及其應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2002，24（6）：581～584.

[7] 加盧什科 ля.里沃夫-沃倫和頓巴斯煤田巖體應(yīng)力的研究成果[C]// 地殼應(yīng)力狀態(tài).國家地震局地震地質(zhì)大隊情報資料