房璐 ，王碩 ，徐珂 ，張效恭

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

沁水盆地位于山西省東南部，總體為近南北向的長(zhǎng)軸狀復(fù)式向斜，盆地內(nèi)地勢(shì)起伏較平緩，只有邊緣局部地方地勢(shì)較陡。沁水盆地孕育了豐富的煤炭資源，是我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地和煤層氣高潛力地區(qū)［1-2］。

相關(guān)學(xué)者曾經(jīng)利用地震資料，根據(jù)震源機(jī)制解釋結(jié)果，對(duì)山西地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了較詳細(xì)地闡述［3-4］，后又進(jìn)行基于有限元法的二維平面應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬［5-6］。隨著煤層氣產(chǎn)業(yè)的興起，近年來(lái)關(guān)于沁水盆地構(gòu)造演化史［7］、熱演化史［8-9］，以及煤層氣富集、成藏規(guī)律及開(kāi)發(fā)［10-12］等方面的研究取得了一定成果，只是少有研究涉及現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方面。

秦勇等［13］及孟召平等［14］對(duì)沁水盆地南部煤層氣產(chǎn)區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行過(guò)比較系統(tǒng)分析，但其余區(qū)塊的應(yīng)力狀態(tài)研究相對(duì)滯后?？导t普等［15-16］結(jié)合多個(gè)煤礦井下的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)分析、計(jì)算，對(duì)各個(gè)礦區(qū)及盆地整體的地應(yīng)力狀態(tài)有了一定程度的認(rèn)識(shí)，但是只限于地殼淺層的描述，并且缺乏多種地質(zhì)因素（斷層、褶皺等）對(duì)地應(yīng)力具體影響方式的綜合性分析探究。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，首先利用多處地應(yīng)力測(cè)試資料，建立應(yīng)力參數(shù)隨深度變化的回歸關(guān)系式，對(duì)沁水盆地地殼淺層（深度小于700 m）的現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究分析；然后，針對(duì)15#煤層的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行重點(diǎn)研究，利用三維有限元數(shù)值模擬，綜合分析了地應(yīng)力參數(shù)在15#煤層平面的分布規(guī)律；最后，結(jié)合深部應(yīng)力資料對(duì)沁水盆地更深部（2 000～4 000 m）的地應(yīng)力特征進(jìn)行描述分析，研究沁水盆地現(xiàn)今地應(yīng)力特征，探討地應(yīng)力分量和應(yīng)力系數(shù)在平面和深度上的規(guī)律。

1 井點(diǎn)地應(yīng)力分布特征

沁水盆地7個(gè)煤炭礦區(qū)和煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊的多處應(yīng)力測(cè)試資料見(jiàn)表1［9-20］。

表1 沁水盆地部分區(qū)塊和礦區(qū)的現(xiàn)今地應(yīng)力方向

目前，主要利用地應(yīng)力分量與深度的關(guān)系及應(yīng)力系數(shù)（最大和最小水平主應(yīng)力比值、側(cè)壓力系數(shù)、最大水平應(yīng)力系數(shù)、最小水平應(yīng)力系數(shù)等）與埋深的關(guān)系來(lái)展現(xiàn)地應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律［15-30］，表達(dá)式為

式中：σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；σV為垂向主應(yīng)力，MPa；σxy為最大剪應(yīng)力，MPa；σ1為水平主應(yīng)力，MPa；σ3為與 σ1方向垂直的水平主應(yīng)力，MPa；1為平均水平主應(yīng)力，MPa；k為側(cè)壓力系數(shù)；kH/h為最大和最小水平主應(yīng)力比值；kH為最大水平應(yīng)力系數(shù)；kh為最小水平應(yīng)力系數(shù)。

對(duì)采集的井點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析。

最大和最小水平主應(yīng)力比值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：小于1.5的比值占整體比值的5.9%，1.5～2.0的比值占整體比值的72.1%，大于等于2.0的比值占整體比值的22.0%。

最大水平應(yīng)力系數(shù)的統(tǒng)計(jì)：小于1.0的比值占整體比值的13.2%，1.0～1.5的比值占整體比值的47.0%，1.5～2.0的比值占整體比值的32.4%，大于等于2.0的比值占整體比值的7.4%。

最小水平應(yīng)力系數(shù)的統(tǒng)計(jì)：小于0.5的比值占整體比值的9.0%，0.5～1.0的比值占整體比值的73.0%，大于等于1.0的比值占整體比值的18.0%。

側(cè)壓力系數(shù)的統(tǒng)計(jì)：小于1.0的比值占整體比值的36.8%，1.0～1.5的比值占整體比值的50.0%，大于等于1.5的比值占整體比值的13.2%。

地應(yīng)力σ分量及應(yīng)力系數(shù)與埋深H的關(guān)系呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力與垂向主應(yīng)力，以及平均水平應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和平均應(yīng)力均隨埋深的增大而增大，總體呈線性關(guān)系（見(jiàn)圖1a，1b），隨深度的增加，垂向主應(yīng)力值增加最快。最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力隨深度的分布呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，擬合的直線近于平行，垂向主應(yīng)力與深度的線性關(guān)系最明顯。

圖1c—1f反映了各類(lèi)應(yīng)力系數(shù)隨深度變化所呈現(xiàn)出的明顯規(guī)律性。總體看來(lái)，各點(diǎn)的kH/h，k，kH及kh隨深度的增加而逐漸集中，除kH/h的邊界曲線外，其余曲線類(lèi)型與中國(guó)大陸地殼上部應(yīng)力狀態(tài)所得的回歸關(guān)系式一致［25］。

側(cè)壓力系數(shù)隨埋深增大，呈減小的趨勢(shì)（見(jiàn)圖1d），在小于400 m深度上，k大于1的測(cè)點(diǎn)占一半以上，400 m深度以下，k一般不大于1.4，表明在淺層，構(gòu)造應(yīng)力所占比重較大，靠近深部，k逐漸向1靠攏，意味著水平和垂直主應(yīng)力數(shù)值逐漸接近，近于相等。

圖1 實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)的分析

世界不同地區(qū)地應(yīng)力量測(cè)結(jié)果繪出的k與H的內(nèi)外包絡(luò)曲線為［23］

中國(guó)大陸地殼k與H的內(nèi)外包絡(luò)曲線為［24］

沁水盆地k與H的內(nèi)外包絡(luò)曲線總體相似，數(shù)值略有差異。這是由于不同地域巖性，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等一些地質(zhì)因素的差異引起的。

kH，kh與深度的變化規(guī)律相似（見(jiàn)圖1e，1f），kH在深部逐漸集中于1.0左右，kh則向0.6靠近。

2 基于有限元法的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

實(shí)測(cè)地應(yīng)力值表現(xiàn)出的地應(yīng)力分布規(guī)律并不全面，難以反映整個(gè)盆地整體的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)全貌。采用約束優(yōu)化反演的手段，對(duì)沁水盆地15#煤層現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 地質(zhì)模型的建立

模擬研究范圍為煤線以?xún)?nèi)的區(qū)域，以沁水盆地15#煤層頂面構(gòu)造為基礎(chǔ)（見(jiàn)圖2）。鑒于煤層較為特殊的物性且受頂、底板的影響，地質(zhì)模型包括煤層及其頂、底板3部分。模型外部建立外包立方體，在地質(zhì)條件下相當(dāng)于圍巖，以便約束位移及施加邊界力，能在一定程度上消除邊界條件影響。埋深設(shè)定為700～1 300 m［2］。

2.2 力學(xué)參數(shù)的確定

煤層頂、底板力學(xué)參數(shù)，由成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)單軸壓縮變形試驗(yàn)測(cè)得［2］。煤層力學(xué)參數(shù)參考顏志豐等［25］對(duì)沁水盆地南部煤層力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果。斷層按斷裂帶處理，力學(xué)參數(shù)相對(duì)同深度相同巖性地層降低一定的比例［18］，斷層彈性模量一般為地層的50%～70%，泊松比一般比正常地層略大 0.02～0.10［27］。表2為本次模型所采用的巖石力學(xué)參數(shù)。

2.3 網(wǎng)格劃分與加載條件

力學(xué)參數(shù)確定后，進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，選用Solid45單元，將實(shí)體模型網(wǎng)格化，斷層帶的網(wǎng)格稍密，步長(zhǎng)為煤層及其頂、底板的1/3～1/2，圍巖的網(wǎng)格略稀疏，步長(zhǎng)一般為煤層及其頂、底板的2～3倍。

圖2 15#煤層頂面構(gòu)造

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

結(jié)合沁水盆地所處的大地構(gòu)造背景來(lái)確定模型的約束及荷載方式。古近紀(jì)以來(lái)，中國(guó)東部受印度、歐亞兩板塊碰撞的聯(lián)合作用，對(duì)沁水盆地產(chǎn)生了NNE—NE向的局部近水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)，這種局部擠壓應(yīng)力場(chǎng)一直持續(xù)至今，故在模型之外建立NE34°（NNE—NE取均值）方向的長(zhǎng)方體，以便施加相應(yīng)方向的擠壓。

沁水盆地西部呂梁山在10～26 Ma基本定型，至今構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，故將模型西面節(jié)點(diǎn)采取全約束。自喜山期以來(lái)，由于太行造山帶的影響，山西地塹受一定程度的右旋剪切應(yīng)力作用［27］，故在模型東面施加右旋剪切力。模型底面節(jié)點(diǎn)則施加鉛直方向的約束［2］。

在上述約束條件下，經(jīng)過(guò)多次反演計(jì)算，最終確定沁水盆地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的加載方式（見(jiàn)圖3a）。其中北東—南西向的擠壓為35 MPa，模型西部邊界施加10 MPa的右旋剪切應(yīng)力。自身重力及上覆巖層重力由ANSYS內(nèi)置程序按照巖層的密度和重力加速度自動(dòng)計(jì)算。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.4.1 15#煤層

15#煤層最小水平主應(yīng)力模擬結(jié)果顯示（見(jiàn)圖3b）：全區(qū)大部分區(qū)域處于擠壓狀態(tài)（負(fù)值），應(yīng)力分布呈圓環(huán)狀，向斜核部的數(shù)值較大，26～31 MPa，向外逐漸減小，盆地邊緣應(yīng)力值較小，不高于10 MPa。極少數(shù)處于拉張狀態(tài)的區(qū)域零星分散在邊緣較高地勢(shì)處。應(yīng)力分布與盆地起伏形態(tài)有一定關(guān)系，在盆地邊緣地勢(shì)較陡，應(yīng)力變化快，在盆地內(nèi)部，特別是盆地中南部地區(qū)，地勢(shì)平坦，落差不大，地應(yīng)力值的變化也不大。盆地內(nèi)最小水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W向。

圖3 沁水盆地15#煤層及其頂、底板的模型及應(yīng)力分布

最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力分布規(guī)律一致，同樣是呈現(xiàn)圓環(huán)狀分布，中部向斜核部的應(yīng)力值大，32.00～40.00 MPa，向外逐漸變小，大部分區(qū)域在10.00～35.00 MPa。呈拉張狀態(tài)的區(qū)域幾乎沒(méi)有。最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)镹NE向。

整個(gè)盆地均為擠壓狀態(tài)，向斜核部的應(yīng)力在60.00 MPa以上，向外遞減，大部分區(qū)域的應(yīng)力值在30.00～55.00 MPa，盆地邊緣處的應(yīng)力值在15.00 MPa左右。

2.4.2 頂板和底板

煤層頂板是以正常層序覆蓋在煤層上面的巖層，以細(xì)碎屑巖和石灰?guī)r為主。煤層底板是下伏于煤層的巖層，一般為黏土巖、泥質(zhì)巖和粉砂巖等。煤層頂、底板的應(yīng)力場(chǎng)分布特征與煤層和圍巖的有所不同。

頂板的最小水平主應(yīng)力總體呈環(huán)狀分布，在向斜核部為1～7 MPa，主要呈擠壓狀態(tài)，在盆地南部及周緣區(qū)域呈2～10 MPa的拉張狀態(tài)。最大水平主應(yīng)力數(shù)值從向斜核部到盆地周緣逐漸減小，核部應(yīng)力值為28～35 MPa，向外逐漸減至20 MPa，周緣為10 MPa左右，均為擠壓狀態(tài)。垂向主應(yīng)力在核部為50 MPa以上，向外遞減至約30 MPa。煤層底板的各應(yīng)力分量分布規(guī)律與頂板相似，各應(yīng)力值較頂板低5～10 MPa。

應(yīng)力系數(shù)在平面上的也具有典型的展布特征（見(jiàn)圖3e），kH/h，kH，kh呈環(huán)狀分布。由于沁水盆地現(xiàn)今呈NE向的擠壓狀態(tài)，σH為NNE—NE向，受力時(shí)，在淺層水平構(gòu)造應(yīng)力比較強(qiáng)烈，尤其在NNE—NE向，故kH在沁水盆地向斜的邊緣比較高。向斜核部埋深較大，由于重力逐漸起到了主導(dǎo)作用，kH逐漸變小。

kh分布與kH相反，核部具高值，向邊緣降低。kH/h在向斜核部較小，核部地區(qū)巖體也表現(xiàn)較為穩(wěn)定，鮮有斷裂發(fā)育。在盆地邊緣，kH/h較高，特別是東南緣，廣泛發(fā)育斷裂構(gòu)造。

另外，在沁水盆地西緣斷裂帶及東南部的寺頭斷層處，kH和kh的分布出現(xiàn)異常。k在整個(gè)沁水盆地的分布表現(xiàn)為以盆地中央呈中心對(duì)稱(chēng)，中部向斜核部的系數(shù)較低，向盆地北東和南西部位逐漸增大，東西邊緣部位表現(xiàn)出更低值。

3 深部與淺層的對(duì)比

為更充分展現(xiàn)沁水盆地的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)，必須對(duì)更深部（大于2 000 m）的地應(yīng)力特征進(jìn)行分析。借助中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所錄入整理并公開(kāi)的 《中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)》［25，30］和《世界地應(yīng)力圖數(shù)據(jù)庫(kù)（WSM）》［23］數(shù)據(jù)來(lái)源，得到了華北現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及部分2 000～4 000 m地應(yīng)力數(shù)據(jù)。

華北現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，包含沁水盆地在內(nèi)的山西及周緣地區(qū)，現(xiàn)今地應(yīng)力的方向主要呈NNE—NE向，與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢(shì)有相同之處。在太原偏西附近的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力有些雜亂，呈現(xiàn)規(guī)律性不強(qiáng)的特性，可能是其周邊存在廣泛分布的斷裂，引起了水平主應(yīng)力方向發(fā)生一些扭轉(zhuǎn)和變化。

將深層地應(yīng)力數(shù)據(jù)與淺部實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制在同一張散點(diǎn)圖上（見(jiàn)圖4）。

由圖4可以看出，淺部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能與深部數(shù)據(jù)呈現(xiàn)很好的擬合關(guān)系，但煤層模型的節(jié)點(diǎn)地應(yīng)力數(shù)據(jù)總體略微偏小，不論與淺部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還是和深部地應(yīng)力數(shù)據(jù)都不能很好地?cái)M合。這是由于煤層巖石力學(xué)參數(shù)和地殼巖石有所差別造成的。

圖4 淺層實(shí)測(cè)、煤層模型及深層地應(yīng)力數(shù)據(jù)與埋深的關(guān)系

4 結(jié)論

1）通過(guò)沁水盆地多處地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、煤層應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬及深部地應(yīng)力資料的分析，較全面的描述了沁水盆地現(xiàn)今地應(yīng)力在大尺度上的平面分布特征及淺、中、深部的縱向分布特征。

2）沁水盆地的最大水平主應(yīng)力方向以NNE—NE向?yàn)橹?。地殼淺層應(yīng)力分量及應(yīng)力系數(shù)與深度相關(guān)性強(qiáng)，地應(yīng)力方向主要呈NNE—NE及NW向。

3）15#煤層的現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)在平面上呈環(huán)狀分布，向斜軸部分布比較均勻，翼部及斷裂發(fā)育處的分布比較復(fù)雜并出現(xiàn)異常。應(yīng)力數(shù)值在構(gòu)造軸部（背斜軸部和向斜軸部）較高，翼部較低，最小水平主應(yīng)力為12.00～31.00 MPa，最大水平主應(yīng)力為 26.00～42.50 MPa，垂向主應(yīng)力為 17.00～55.00 MPa。

4）地殼深層地應(yīng)力的方向和大小與淺層具有一致性和延續(xù)性?，F(xiàn)今地應(yīng)力的分布特征受構(gòu)造形態(tài)、斷層、埋深的影響十分顯著。受構(gòu)造形態(tài)因素的影響，應(yīng)力值呈環(huán)狀分布。在向斜核部，應(yīng)力值較高。斷裂處的應(yīng)力值出現(xiàn)異常低值，方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。埋深越大，各主應(yīng)力值越大，應(yīng)力系數(shù)隨著埋深增大，系數(shù)值也向某一數(shù)值逐漸靠攏。