伊丙鼎，呂華文，張 曉，雷 順，胡 濱

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

煤礦的巖層控制是研究原巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)等“三場(chǎng)”演化的力學(xué)機(jī)理，原巖應(yīng)力場(chǎng)即煤礦地應(yīng)力場(chǎng)在其中處于首要位置[1-3]。煤礦井下地應(yīng)力分布受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和大陸板塊運(yùn)動(dòng)等因素的影響，地應(yīng)力場(chǎng)一方面表現(xiàn)出非穩(wěn)定性和離散性，另一方面在一定區(qū)域內(nèi)也表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性。在大量實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法是目前研究地應(yīng)力場(chǎng)的主要手段[4-6]。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者[7-9]對(duì)世界不同地區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行了研究，其研究成果為各領(lǐng)域工程的地應(yīng)力研究指明了方向。在煤礦地應(yīng)力分布規(guī)律研究方面也取得了諸多有益的成果，如康紅普[10-11]等經(jīng)過(guò)20余年的不懈努力，采用小孔徑水壓致裂測(cè)量方法，在我國(guó)大部分礦區(qū)，如山西潞安礦區(qū)、山西晉城礦區(qū)、新汶和兩淮深部礦區(qū)以及鄂榆淺部礦區(qū)，開(kāi)展了地應(yīng)力測(cè)量工作，積累了大量煤礦地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，于2017年創(chuàng)建“中國(guó)煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)”，并以此為藍(lán)本分析得到了我國(guó)不同礦區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律，為不同條件的煤炭開(kāi)采及礦井部署提供了基礎(chǔ)理論層面的支撐；張曉[12]在山西晉城寺河煤礦進(jìn)行了三維地應(yīng)力測(cè)量，研究結(jié)果表明寺河煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，屬典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，最大主應(yīng)力方向?yàn)榻綎|西向；胡濱[13]、司林坡[14]等提出了利用檢測(cè)鉆孔孔內(nèi)圍巖信息確定測(cè)量層位的方法；伊丙鼎[15-16]搜集了我國(guó)現(xiàn)有煤礦的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上建立了地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)，分析了我國(guó)煤礦地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律以及影響因素；蔡美峰[17-18]等利用深部水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法在萬(wàn)福煤礦、平頂山十礦等地開(kāi)展了地應(yīng)力測(cè)量和分析工作；李鵬[19]等收集并分析了我國(guó)煤礦219組地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，指出我國(guó)煤礦地應(yīng)力場(chǎng)類型以逆 斷 型 應(yīng) 力 狀 態(tài)(σH＞σh＞σV)和 走 滑 型 應(yīng) 力 狀態(tài)(σH＞σV＞σh)為主。

煤礦地應(yīng)力雖是地殼應(yīng)力的一部分，但由于其自身獨(dú)特的地理特點(diǎn)和賦存環(huán)境，不能簡(jiǎn)單地套用地殼應(yīng)力領(lǐng)域的研究成果，需要單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量和分析，摸索出煤礦地應(yīng)力分布的特有規(guī)律，為煤炭開(kāi)采和巷道圍巖控制提供真實(shí)可靠的理論支撐。筆者基于康紅普院士團(tuán)隊(duì)所建立的“中國(guó)煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)”，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和力學(xué)的方法重點(diǎn)對(duì)我國(guó)煤礦井下主應(yīng)力、三向側(cè)壓比、水平剪應(yīng)力等重要參數(shù)隨埋深的變化規(guī)律進(jìn)行了研究分析，其成果可為相關(guān)研究提供參考。

1 煤礦實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)的選擇

1.1 地應(yīng)力數(shù)據(jù)來(lái)源

筆者所用數(shù)據(jù)均來(lái)源于康紅普院士團(tuán)隊(duì)所建立的“中國(guó)煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)”。該數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了我國(guó)60余個(gè)礦區(qū)，260余座煤礦2017年之前的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，90%的數(shù)據(jù)源自1999—2017年，共包含1 357條實(shí)測(cè)煤礦地應(yīng)力數(shù)據(jù)，其中利用水壓致裂方法(包括小孔徑水壓致裂法和地面鉆孔水壓致裂法)測(cè)得951條，應(yīng)力解除法測(cè)得406條；超過(guò)54%的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為煤炭科學(xué)研究總院測(cè)得，其他均來(lái)源于學(xué)位論文以及中文核心以上期刊中的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。收錄的數(shù)據(jù)埋深跨度較大，最小埋深為38.8 m，最大為1 283 m，分別取自鄂爾多斯地區(qū)的大地精煤礦和新汶礦區(qū)的孫村煤礦。

該數(shù)據(jù)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源共享為基本原則，免費(fèi)向科研和工程技術(shù)人員開(kāi)放。筆者選取的地應(yīng)力參數(shù)包括煤礦名稱、測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)埋深、地應(yīng)力量值、地應(yīng)力方向等，部分典型煤礦(100 m 和1 000 m左右埋深煤礦)的地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 部分典型煤礦實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)Table 1 Measured in-situ stress data of some typical mining areas

1.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和篩選

傳統(tǒng)水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力的前提是假設(shè)垂直方向和水平方向?yàn)槿蛑鲬?yīng)力所在方向，其測(cè)量得到的地應(yīng)力數(shù)據(jù)為二維應(yīng)力，垂直應(yīng)力為估算值；空心包體應(yīng)力解除法測(cè)量得到的是三維應(yīng)力，包括三向主應(yīng)力的量值、方位和傾角等9個(gè)力學(xué)分量。因此，筆者為統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)，將三維應(yīng)力數(shù)據(jù)通過(guò)材料力學(xué)[20]的應(yīng)力分解和應(yīng)力合成以及彈性力學(xué)[21]中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法變換為二維應(yīng)力數(shù)據(jù)，即水平面上的最大和最小主應(yīng)力以及垂直應(yīng)力。具體的轉(zhuǎn)換過(guò)程和公式可參考文獻(xiàn)[6]，坐標(biāo)系空間轉(zhuǎn)換及應(yīng)力分解合成原理如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系空間轉(zhuǎn)換及應(yīng)力分解合成原理Fig.1 Coordinate system space transformation and stress decomposition synthesis diagram

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。剔除各個(gè)主應(yīng)力的交角(本文交角允許誤差范圍為+10°)都小于80°或大于100°的數(shù)據(jù)(理論上3個(gè)主應(yīng)力兩兩交角應(yīng)為90°)，三維應(yīng)力中主應(yīng)力的交角可通過(guò)交角公式計(jì)算得到；參考其他學(xué)者的篩選方法[19]，剔除在進(jìn)行散點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)時(shí)，離散性比較大的散點(diǎn)，盡量規(guī)避異常數(shù)據(jù)對(duì)回歸擬合結(jié)果的影響，筆者以總數(shù)據(jù)的10%作為偏離度較大被剔除的標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過(guò)篩選，數(shù)據(jù)庫(kù)中有75組數(shù)據(jù)交角檢驗(yàn)不合格，135組數(shù)據(jù)離散性檢驗(yàn)不合格，總計(jì)剔除210組不合格數(shù)據(jù)，筆者最終得到1 147組符合研究和分析要求的煤礦地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)篩選的具體過(guò)程可參考文獻(xiàn)[6]，在此不再進(jìn)行贅述。

2 煤礦井下地應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 地應(yīng)力場(chǎng)類型

筆者對(duì)1 147組地應(yīng)力數(shù)據(jù)根據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)類型進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)，有289組(占有效數(shù)據(jù)的25%)主應(yīng)力關(guān)系為σH＞σh＞σV，屬逆斷型應(yīng)力狀態(tài)，有利于逆斷層的發(fā)育活動(dòng)；有628組(占有效數(shù)據(jù)的55%)主應(yīng)力關(guān)系為σH＞σV＞σh，屬走滑型應(yīng)力狀態(tài)，有利于走滑斷層的發(fā)育活動(dòng)；有230組(占有效數(shù)據(jù)的20%)主應(yīng)力關(guān)系為σV＞σH＞σh，表明水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位，屬正斷型應(yīng)力狀態(tài)，有利于正斷層的發(fā)育活動(dòng)。

2.2 地應(yīng)力場(chǎng)量值分布

筆者對(duì)1 147組地應(yīng)力數(shù)據(jù)根據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)量值分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)，最大水平主應(yīng)力有316個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在0～10 MPa，占27.6%；有434個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在10～18 MPa，占37.8%；有249個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在18～30 MPa，占21.7%；有148個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在30 MPa以上，占12.9%。其中，最大水平主應(yīng)力最大值為67.9 MPa，最小值為1.29 MPa。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[19]的相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的1 147組地應(yīng)力數(shù)據(jù)，65%以上處于中低應(yīng)力區(qū)，只有12.9%處于超高應(yīng)力區(qū)。

2.3 主應(yīng)力隨埋深變化規(guī)律

筆者分析了1 147組地應(yīng)力數(shù)據(jù)與埋深的關(guān)系，得到地應(yīng)力的三向主應(yīng)力(垂直應(yīng)力σV、最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh)隨埋深變化的線性回歸公式，即

需要特別說(shuō)明的是：由于測(cè)試方式的不同使得垂直應(yīng)力的來(lái)源標(biāo)準(zhǔn)不一致，應(yīng)力解除法測(cè)得的垂直應(yīng)力大小為真實(shí)值；水壓致裂法是假設(shè)垂直主應(yīng)力與鉆孔軸向方向一致，測(cè)得的數(shù)據(jù)是與鉆孔成垂直平面的二維應(yīng)力數(shù)據(jù)，垂直應(yīng)力是根據(jù)上覆巖層的容重估算得到。筆者所采用的數(shù)據(jù)庫(kù)中有406組數(shù)據(jù)由應(yīng)力解除法測(cè)得，經(jīng)過(guò)篩選和剔除異常數(shù)據(jù)，有226組數(shù)據(jù)入選，將其三向主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為垂直應(yīng)力，對(duì)垂直應(yīng)力隨埋深變化的規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到煤礦垂直應(yīng)力隨埋深變化的應(yīng)力梯度為0.024 5，即所測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)的煤礦上覆巖層平均容重為0.024 5 MN/m3。

如圖2[6,10]所示，σH和σh隨埋深的增加呈線性增大的趨勢(shì)，應(yīng)力梯度分別為0.021 5和0.011 3，均小于垂直應(yīng)力的應(yīng)力梯度。這說(shuō)明隨著埋深的增大，σH，σh和σV三者之間的關(guān)系也將發(fā)生改變，即主應(yīng)力軸將發(fā)生改變。通過(guò)交點(diǎn)標(biāo)識(shí)，最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的交點(diǎn)埋深為148 m，此處主應(yīng)力值為3.63 MPa；最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的交點(diǎn)埋深為1 089 m，此處主應(yīng)力值為26.68 MPa。因此，埋深在0～148 m時(shí)，三向應(yīng)力關(guān)系為σH＞σh＞σV，屬逆斷型應(yīng)力狀態(tài)；在148～1 089 m時(shí)，為σH＞σV＞σh類型，屬走滑型應(yīng)力狀態(tài)；在大于1 089 m時(shí)，為σV＞σH＞σh類型，屬正斷型應(yīng)力狀態(tài)?？傮w上，埋深小于1 089 m時(shí)，煤礦井下地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主；大于1 089 m時(shí)，以垂直應(yīng)力為主。

圖2 煤礦井下地應(yīng)力隨埋深變化的分布[6,10]Fig.2 Distribution of in-situ stress with burial depth in coal mine[6,10]

2.4 側(cè)壓系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律

2.4.1 平均水平主應(yīng)力側(cè)壓比

如圖3所示，通過(guò)散點(diǎn)分布和數(shù)據(jù)非線性擬合的方法得到了煤礦井下平均水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比即平均水平主應(yīng)力側(cè)壓比Kav隨埋深的分布規(guī)律。通過(guò)分析散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)雙曲線k=a/H+b形式的外包絡(luò)線并不能很好地反映數(shù)據(jù)的左側(cè)臨界值，所以，筆者采用T.R.STACEY和J.WESSELOO等地殼應(yīng)力學(xué)者統(tǒng)計(jì)分析南非地應(yīng)力的分布規(guī)律時(shí)所采用的方法[3]，即在散點(diǎn)左側(cè)采用數(shù)值恒定的直線方式將散點(diǎn)進(jìn)行包絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。經(jīng)驗(yàn)證，該方法能夠更加直觀準(zhǔn)確的反應(yīng)平均水平主應(yīng)力側(cè)壓比Kav散點(diǎn)分布范圍。通過(guò)雙曲線函數(shù)對(duì)Kav隨埋深變化的散點(diǎn)圖最大值進(jìn)行擬合，得到了其回歸公式以及分布區(qū)間臨界公式，即

圖3 平均水平主應(yīng)力側(cè)壓比隨埋深的分布規(guī)律Fig.3 Distribution of average lateral pressure ratio with burial depth

Kav的取值范圍為

通過(guò)分析圖3可知，埋深越小，Kav越離散，取值越大；埋深越大，Kav越小并最終趨于固定值。淺埋深煤礦Kav最大可達(dá)到4.2；當(dāng)埋深達(dá)到1 000 m時(shí)，Kav基本穩(wěn)定在0.7附近，隨著埋深繼續(xù)增加，Kav趨向于固定常數(shù)值0.6。Kav基本均在外包絡(luò)線Kav=0.38之內(nèi)，規(guī)律性較好，且隨著埋深的增加Kav變得更加集中。因此，直線Kav=0.38包絡(luò)線比雙曲線包絡(luò)線更好地反映了Kav的臨界值信息。

相關(guān)學(xué)者定義平均側(cè)壓比為1時(shí)的深度為臨界深度[2]。表2給出了世界不同地區(qū)大陸地殼的臨界深度和筆者研究得出的我國(guó)煤礦的臨界深度。由表2可知，我國(guó)煤礦的臨界深度為329 m，小于中國(guó)大陸地殼的臨界深度460 m。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1]和地質(zhì)資料，我國(guó)煤礦的臨界深度小于中國(guó)大陸地殼的原因可能是中國(guó)地殼地應(yīng)力測(cè)試范圍內(nèi)的巖性以巖漿巖為主，巖漿巖彈性模量和強(qiáng)度都比較大，有利于水平應(yīng)力的積累，水平應(yīng)力影響的埋深范圍比較大；而我國(guó)煤礦的測(cè)試范圍以沉積巖和煤層為主，煤巖層比較松軟破碎，不利于積累水平應(yīng)力，同時(shí)煤礦井下斷層、褶皺及陷落柱等十分發(fā)育，也會(huì)影響地應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)。世界不同地區(qū)大陸地殼的臨界深度存在巨大差異的原因可能是：世界范圍內(nèi)不同地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)情況存在一定差異，后期所經(jīng)受的地表地質(zhì)作用影響程度不盡相同，所以不同地區(qū)所形成的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征差異較大，所以臨界深度的差異較大。

表2 世界不同地區(qū)的臨界深度Table 2 Critical depth values in different regions of the world

2.4.2 最大水平主應(yīng)力側(cè)壓比

由于煤炭開(kāi)采或地下工程主要集中在埋深小于1 000 m范圍內(nèi)，通常這一區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力是三向應(yīng)力中的最大者，其對(duì)地下活動(dòng)起主導(dǎo)作用。最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比即最大水平主應(yīng)力側(cè)壓比KH隨埋深的變化及區(qū)間分布規(guī)律如圖4，5所示。與分析Kav采用相同的分析方法，KH內(nèi)包絡(luò)線采用k=a/H+b的雙曲線函數(shù)形式，外包絡(luò)線采用數(shù)值恒定的直線方式。

圖4 最大水平主應(yīng)力側(cè)壓比隨埋深的分布規(guī)律Fig.4 Distribution of maximum lateral pressure ratio with burial depth

圖5 最大水平主應(yīng)力側(cè)壓比的區(qū)間分布Fig.5 Interval distribution of maximum lateral pressure ratio

通過(guò)雙曲線函數(shù)對(duì)KH隨埋深變化的散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，得到其回歸公式為

KH的取值范圍為

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到，KH主要分布在0.46～5，KH＜1的測(cè)點(diǎn)有239個(gè)，占21%；1＜KH＜2的測(cè)點(diǎn)有789個(gè)，占69%；2＜KH＜3的測(cè)點(diǎn)有117個(gè)，占10%；KH＞4的測(cè)點(diǎn)有2個(gè)。90%的KH分布在0.5～2，80%的測(cè)點(diǎn)KH＞1，這表明最大水平主應(yīng)力絕大部分情況下大于垂直應(yīng)力。埋深比較淺時(shí)，KH離散性較強(qiáng)，數(shù)值較大，最大值超過(guò)5；隨著埋深的增加，KH的離散性和數(shù)值均有收斂的趨勢(shì)，當(dāng)埋深達(dá)1 000 m時(shí)，KH基本穩(wěn)定在1附近，埋深繼續(xù)增加，KH趨向于固定值0.8。這說(shuō)明隨著埋深的增加，最大水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力逐漸接近，并且垂直應(yīng)力最終會(huì)超過(guò)最大水平主應(yīng)力，占據(jù)深部地應(yīng)力場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

2.4.3 最小水平主應(yīng)力側(cè)壓比

采用同樣的方法，可以得到最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比即最小水平主應(yīng)力側(cè)壓比Kh隨埋深的變化及區(qū)間分布規(guī)律，如圖6，7所示。

圖6 最小水平主應(yīng)力側(cè)壓比隨埋深的分布規(guī)律Fig.6 Distribution of minimum lateral pressure ratio with burial depth

圖7 最小水平主應(yīng)力側(cè)壓比的區(qū)間分布Fig.7 Interval distribution of minimum lateral pressure ratio

通過(guò)雙曲線函數(shù)對(duì)Kh隨埋深變化的散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，得到其回歸公式為

Kh的取值范圍為

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到，Kh＜1的測(cè)點(diǎn)有857個(gè)，約占75%；1＜Kh＜2的測(cè)點(diǎn)有285個(gè)，約占25%；Kh＞2的測(cè)點(diǎn)有5個(gè)，均是埋深小于100 m的測(cè)點(diǎn)。約90%的Kh分布在0.3～1.5，約80%的測(cè)點(diǎn)Kh＜1，這表明最小水平主應(yīng)力絕大部分情況下小于垂直應(yīng)力。與Kav，KH的分布規(guī)律相似，埋深較淺時(shí)，Kh離散性較強(qiáng)；當(dāng)埋深在1 000 m時(shí)，Kh基本穩(wěn)定在0.5附近，埋深繼續(xù)增加，Kh趨向于常數(shù)0.4。

2.5 水平剪應(yīng)力相對(duì)大小(μm)

水平剪應(yīng)力相對(duì)大小

反映的是水平面上剪應(yīng)力的相對(duì)大小，能夠從一個(gè)側(cè)面反映煤礦井下差應(yīng)力作用的特征，其與煤炭開(kāi)采活動(dòng)范圍內(nèi)斷層以及大型結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)斷裂的活動(dòng)密不可分。相關(guān)研究[20]證明，μm越大，地層活動(dòng)斷層產(chǎn)生剪切滑動(dòng)破壞的可能性也越大。分析μm的變化可以為判斷煤礦井下斷層等地質(zhì)構(gòu)造的活動(dòng)傾向性提供依據(jù)。μm隨埋深的分布規(guī)律如圖8所示。

圖8 μm值隨埋深的分布規(guī)律Fig.8 Distribution of the μm value with burial depth

由圖8可知，筆者所選取的1 147組地應(yīng)力數(shù)據(jù)，水平剪應(yīng)力相對(duì)大小μm主要集中在0.15～0.35，平均為0.25左右。筆者對(duì)μm分布進(jìn)行了兩方面的處理，一方面對(duì)μm進(jìn)行曲線擬合，擬合關(guān)系為

當(dāng)埋深較淺時(shí)，尤其是小于600 m時(shí)，μm分布的離散性較大，在0～0.5均有分布；隨著埋深的增加，μm的離散性逐漸變?nèi)酰蘭分布也變得較為穩(wěn)定，趨向于常數(shù)0.3。

另一方面對(duì)μm分布的散點(diǎn)圖以μm=0.35直線為界進(jìn)行臨界值標(biāo)識(shí)，散點(diǎn)超越臨界直線的部分測(cè)點(diǎn)視為斷層(大型結(jié)構(gòu)面)滑動(dòng)臨界區(qū)。這說(shuō)明這些礦區(qū)(煤礦)的斷層或大型結(jié)構(gòu)面處具有一定的活動(dòng)傾向性，應(yīng)該對(duì)此區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)和斷裂穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)和研究。通過(guò)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，得到了μm值超越臨界值0.35的礦區(qū)(煤礦)名稱，表3列出了部分μm值超越臨界值0.35的礦區(qū)(煤礦)名稱。

表3 μm值超越臨界值0.35的部分地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical table of some in-situ stress measuring points with μm value exceeds the critical value 0.35

3 結(jié) 論

(1) 選取的1 147組地應(yīng)力數(shù)據(jù)中，逆斷型應(yīng)力狀態(tài)(σH＞σh＞σV)占25%，走滑型應(yīng)力狀態(tài)(σH＞σV＞σh)占55%，正斷型應(yīng)力狀態(tài)(σV＞σH＞σh)占20%；65%以上屬于中低應(yīng)力區(qū)，只有12.9%屬于超高應(yīng)力區(qū)。

(2) 采用線性擬合方法得到煤礦井下最大、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力隨埋深變化的回歸公式。經(jīng)分析，埋深在0～148 m時(shí)，煤礦井下三向應(yīng)力狀態(tài)為逆斷型應(yīng)力狀態(tài)；在148～1 089 m時(shí)，為走滑型應(yīng)力狀態(tài)；大于1 089 m時(shí)，為正斷型應(yīng)力狀態(tài)。

(3) 埋深越小，側(cè)壓比分布越離散，取值越大；埋深越大，側(cè)壓比越小并最終趨于固定值。淺埋深煤礦平均主應(yīng)力側(cè)壓比Kav最大可達(dá)到4.2，隨著埋深的增加，Kav趨于固定常數(shù)值0.6；90%的最大主應(yīng)力側(cè)壓比KH分布在0.5～2，80%的測(cè)點(diǎn)KH＞1，埋深較淺時(shí)，KH最大值超過(guò)5，隨著埋深增加，KH趨于固定常數(shù)值0.8；約90%的最小主應(yīng)力側(cè)壓比Kh分布在0.3～1.5，約80%的測(cè)點(diǎn)Kh＜1，隨著埋深增加，Kh趨于固定常數(shù)值0.4。Kav=1對(duì)應(yīng)的中國(guó)煤礦“臨界深度”為329 m，即平均水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等時(shí)對(duì)應(yīng)的埋深為329 m。

(4) 采用雙曲線公式擬合得到了水平剪應(yīng)力相對(duì)大小μm隨埋深變化的擬合公式，μm主要集中在0.15～0.35，平均為0.25左右；μm越大，斷層越容易滑動(dòng)失穩(wěn)，μm超過(guò)0.35的煤礦區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其區(qū)域內(nèi)大型斷層的穩(wěn)定性。