D0I:10.13374/1.issm100103.2008.02.0B 第30卷第2期 北京科技大学学报 Vol.30 No.2 2008年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2008 大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系 李长洪1)张吉良12)蔡美峰12)董鹏)关金龙)张永2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 2)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为了研究大同矿区在煤炭开采过程中煤和瓦斯突出形成的冲击地压，采矿工程围岩破坏等动力灾害的形成原因及 其防治对策，采用改进型C$IR0空心包体应变计，对大同矿区进行了四个测点的应力解除测量实验以及室内温度标定和围压 率定实验·根据实验结果，利用地应力计算机程序优化求解出每个测点地应力张量，再结合矿区地质构造分析地应力与矿区 地质构造的关系·通过研究，获得了大同矿区的地应力分布规律及其与地质构造的关系， 关键词大同矿区；地应力：地质构造：构造应力：地应力测量 分类号TU458:TD325 Measurement of in-situ stress and relationship between the stress and geologic structure in Datong mining area,China LI Changhong).ZHA NG Jiliang).CAI Maifeng).DONG Peng?.GUAN Jinlong.ZHA NG Yong) 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACI In order to study the reasons and preventive measures of dynamic disasters such as shock bump and the destroy of rock mass in mining engineering resulted from the outburst of mash gas and coal during mining.stress"relieving measurement and tempera- ture and confining pressure calibration were made with improved CSIRO cells at 4 measurement points in Datong mining area.Based on the measured results the in"situ stress tensor of each point was computed by a special computer optimization program,and the rela- tionship bet ween in"situ stress and geological structure was analyzed with the geological structure factors of the mining area.The rules of in"situ stress distribution and the relationships between in"situ stress and geologic structure in Datong mining area were obtained. KEY WORDS Datong mining area:in-situ stress:geologic structure:tectonic stress;in-situ stress measurement 地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应 的破坏及危害1]，预测预防岩爆以及煤和瓦斯突 力，也是引起采矿工程围岩和支护结构变形与破坏 出形成的冲击地压，提高资源回收率，保证井下作业 的根本作用力).地应力的形成与地质构造有着 安全，对整体提高采矿的经济效益和社会效益有着 密切的关系[3，它对岩爆以及煤和瓦斯突出形成 重要的意义， 的冲击地压有重要影响，通过地应力测量，掌握地 应力空间分布的基本规律，为采用大型三维数值计 1空心包体应变计测量地应力的基本原理 算模型研究地下采矿活动对围岩应力分布规律的影 本文采用应力解除法测量地应力，其应变计探 响奠定坚实的基础，通过不同计算模型研究开采顺 头为改进型CSIR0空心包体应变计.空心包体应 序、采矿方法和围岩支护方式、支护时间、支护类型 变计结构见图12，).其主体是一个用环氧树脂制 以及围岩应力集中与岩爆、煤和瓦斯突出的关系，优 成的壁厚0.003m的空心圆筒，其外径为0.0365 化开采顺序和采矿方法等，从而减少采矿工程围岩 m,内径为0.0305m,在其中间部位，即直径0.0325 收稿日期：2006-11-20修回日期：2007-01-09 m处沿同一圆周等间距(120°)嵌埋着三个电阻应变 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No·50074002) 花，每个应变花由四支应变片组成，相互间隔45°. 作者简介：李长洪(1962一)，男，教授，博士生导师 共计有12支应变片，分别为周向三支(A0,B90
大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系 李长洪12） 张吉良12） 蔡美峰12） 董 鹏2） 关金龙2） 张 永2） 1） 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 2） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 摘 要 为了研究大同矿区在煤炭开采过程中煤和瓦斯突出形成的冲击地压、采矿工程围岩破坏等动力灾害的形成原因及 其防治对策采用改进型 CSIRO 空心包体应变计对大同矿区进行了四个测点的应力解除测量实验以及室内温度标定和围压 率定实验．根据实验结果利用地应力计算机程序优化求解出每个测点地应力张量再结合矿区地质构造分析地应力与矿区 地质构造的关系．通过研究获得了大同矿区的地应力分布规律及其与地质构造的关系． 关键词 大同矿区；地应力；地质构造；构造应力；地应力测量 分类号 TU458；TD325 Measurement of in-situ stress and relationship between the stress and geologic structure in Datong mining areaChina LI Changhong 12）ZHA NG Jiliang 12）CAI Maifeng 12）DONG Peng 2）GUA N Jinlong 2）ZHA NG Yong 2） 1） Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal MinesUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT In order to study the reasons and preventive measures of dynamic disasters such as shock bump and the destroy of rock mass in mining engineering resulted from the outburst of mash gas and coal during miningstress-relieving measurement and temperature and confining pressure calibration were made with improved CSIRO cells at 4measurement points in Datong mining area．Based on the measured results the in-situ stress tensor of each point was computed by a special computer optimization programand the relationship between in-situ stress and geological structure was analyzed with the geological structure factors of the mining area．T he rules of in-situ stress distribution and the relationships between in-situ stress and geologic structure in Datong mining area were obtained． KEY WORDS Datong mining area；in-situ stress；geologic structure；tectonic stress；in-situ stress measurement 收稿日期：2006-11-20 修回日期：2007-01-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50074002） 作者简介：李长洪（1962—）男教授博士生导师 地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应 力也是引起采矿工程围岩和支护结构变形与破坏 的根本作用力［1—2］．地应力的形成与地质构造有着 密切的关系［3—4］它对岩爆以及煤和瓦斯突出形成 的冲击地压有重要影响．通过地应力测量掌握地 应力空间分布的基本规律为采用大型三维数值计 算模型研究地下采矿活动对围岩应力分布规律的影 响奠定坚实的基础．通过不同计算模型研究开采顺 序、采矿方法和围岩支护方式、支护时间、支护类型 以及围岩应力集中与岩爆、煤和瓦斯突出的关系优 化开采顺序和采矿方法等从而减少采矿工程围岩 的破坏及危害［15］预测预防岩爆以及煤和瓦斯突 出形成的冲击地压提高资源回收率保证井下作业 安全对整体提高采矿的经济效益和社会效益有着 重要的意义． 1 空心包体应变计测量地应力的基本原理 本文采用应力解除法测量地应力其应变计探 头为改进型 CSIRO 空心包体应变计．空心包体应 变计结构见图1［26］．其主体是一个用环氧树脂制 成的壁厚0∙003m 的空心圆筒其外径为0∙0365 m内径为0∙0305m．在其中间部位即直径0∙0325 m 处沿同一圆周等间距（120°）嵌埋着三个电阻应变 花．每个应变花由四支应变片组成相互间隔45°． 共计有12支应变片分别为周向三支（ A90B90 第30卷 第2期 2008年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．2 Feb．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．02．003
,116 北京科技大学学报 第30卷 C90)、轴向三支(A0,B0,C0)、与轴线成45°方向三 变，A45、B45、C45是在孔周互成120°的三个位置独 支(A45,B45,C5)以及与轴线成135°方向三支 立测量与轴线成45°方向应变，A135、B135,C135是在 （A135,B135,C135)·其中，A0、B0、C0是在孔周互 孔周互成120°的三个位置独立测量与轴线成135° 成120°的三个位置独立测量轴向应变，A90、B90、 方向应变， C9o是在孔周互成120°的三个位置独立测量周向应 12 14 1,应变计电缆 2.安装杆 3,连接销 4.封闭圈 D 5,环氧树脂 B 6.空腔（内装粘结剂） 7.电阻应变花 8.固定销 9.应变计与孔壁间空隙 12 10.活塞 11.岩石钻孔 12.出胶小孔 13.封闭圈 14.导向头 10 图1改进型CSIR0空心包体应变计结构示意图 Fig.I Schematic diagram of the structure of a modified CSIRO cell 每组应变花地应力计算公式如下)： 应力大小和方向，获得完全解除的稳定应变是正确 4=(g,+g)1+2(1-[(9-g:)s20- 计算地应力的前提，根据地应力测量选点原 则]，在一矿和三矿各进行一个点的地应力解除 2 txysin2 0]k2-uo.k4 (1) 测试：一矿测点(1K)坐标(4437173,547906,955)， 6=-(4,+g】 (2) 埋深364m;三矿测点(3K)坐标(4433270,542690， 1043),埋深360m,在五矿进行两个点的地应力解 4=E(1+v)(5:os0-5sin)k3 (3) 除测试：五矿西二一斜井附近测点(5 K XEXF)坐标 (4437000,551550,888),埋深352m:五矿东三火药 式中，0，三和Y@分别为空心包体所测周向应变、轴 库附近测点(5K一DSHF)坐标(4438050,552490， 向应变和剪切应变值，k1一k4为计算修正系数， 895),埋深370m,共计四个测点， 三组应变花可得到12个不同位置和方向恢复 的应变值，可列12个方程.如果是精确测量，理论 由于篇幅所限，本文仅以五矿西二一斜井附近 上12个方程只有六个独立方程，其他方程可用这六 测点的实测数据为例予以阐述，图2是根据该测点 个独立方程线性表示，但是任何测量均有误差，利 应力解除数据绘制得到的应力解除曲线， 用数理统计的最小二乘法原理，通过计算机程序优 根据测，点的应力解除曲线及数据采集器的记录 化求最优解，求解出地应力的六个分量，即一个单孔 数据，各个测点的各个方向应变计的最终稳定应变 测量即可测得一点的三维应力状态 值见表1. 2.2室内温度标定实验与围压率定实验 2地应力测量及其结果 2.2.1温度标定实验及其结果 2.1现场地应力解除实验及应变测量结果 应力解除过程中测点岩芯有复杂的热交换，包 应力解除的目的是获得测点岩芯在解除应力作 括钴头和岩石有剧烈摩擦产生热量、冷却水吸收热 用后恢复的应变，以此为基础，进一步研究该点的 量，摩擦产生热量又与钻头材质、岩石硬度、钻进速
C90）、轴向三支（ A0B0C0）、与轴线成45°方向三 支（ A45B45C45）以及与轴线成135°方向三支 （ A135B135C135）．其中A0、B0、C0 是在孔周互 成120°的三个位置独立测量轴向应变A90、B90、 C90是在孔周互成120°的三个位置独立测量周向应 变A45、B45、C45是在孔周互成120°的三个位置独 立测量与轴线成45°方向应变A135、B135C135是在 孔周互成120°的三个位置独立测量与轴线成135° 方向应变． 图1 改进型 CSIRO 空心包体应变计结构示意图 Fig．1 Schematic diagram of the structure of a modified CSIRO cell 每组应变花地应力计算公式如下［2］： εθ＝ 1 E ｛（σx＋σy） k1＋2（1—υ2）［（σy—σx）cos2θ— 2τxysin2θ］ k2—υσzk4｝ （1） εz＝ 1 E ［σz—υ（σx＋σy）］ （2） γθz＝ 4 E （1＋υ）（τyz cosθ—τz x sinθ） k3 （3） 式中εθεz 和γθz分别为空心包体所测周向应变、轴 向应变和剪切应变值k1～k4 为计算修正系数． 三组应变花可得到12个不同位置和方向恢复 的应变值可列12个方程．如果是精确测量理论 上12个方程只有六个独立方程其他方程可用这六 个独立方程线性表示．但是任何测量均有误差利 用数理统计的最小二乘法原理通过计算机程序优 化求最优解求解出地应力的六个分量即一个单孔 测量即可测得一点的三维应力状态． 2 地应力测量及其结果 2∙1 现场地应力解除实验及应变测量结果 应力解除的目的是获得测点岩芯在解除应力作 用后恢复的应变．以此为基础进一步研究该点的 应力大小和方向获得完全解除的稳定应变是正确 计算 地 应 力 的 前 提．根 据 地 应 力 测 量 选 点 原 则［7—8］在一矿和三矿各进行一个点的地应力解除 测试：一矿测点（1K）坐标（4437173547906955） 埋深364m；三矿测点（3K）坐标（4433270542690 1043）埋深360m．在五矿进行两个点的地应力解 除测试：五矿西二一斜井附近测点（5K—XEXF）坐标 （4437000551550888）埋深352m；五矿东三火药 库附近测点（5K—DSHF）坐标（4438050552490 895）埋深370m．共计四个测点． 由于篇幅所限本文仅以五矿西二一斜井附近 测点的实测数据为例予以阐述图2是根据该测点 应力解除数据绘制得到的应力解除曲线． 根据测点的应力解除曲线及数据采集器的记录 数据各个测点的各个方向应变计的最终稳定应变 值见表1． 2∙2 室内温度标定实验与围压率定实验 2∙2∙1 温度标定实验及其结果 应力解除过程中测点岩芯有复杂的热交换包 括钻头和岩石有剧烈摩擦产生热量、冷却水吸收热 量．摩擦产生热量又与钻头材质、岩石硬度、钻进速 ·116· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第2期 李长洪等：大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系 ,117 度和转速等因素相关.温度产生两个结果：其一，使 500 岩芯产生温度应力引起附加应变；其二，直接引起应 变片变化，两者影响是相反的，但谁占优势因地而 o-Ass 异，十分复杂，因而，需要对数据进行温度校正，为 +A的 了剔除温度造成的应变，在空心包体应变计靠近应 B 变片的部位放置一个热敏电阻，用以感知温度的变 B135 化，各地应力测点实测温度变化是五矿西二一斜井 -C。 一C4s 附近测点为1.9℃，五矿东三火药库附近测点为 50 ◆C0 1.8℃，一矿测点2.2℃，三矿测点为2.6℃.应力 女C3 解除完成后，再在实验室内可调温的恒温箱中模拟 50 81216202428323640 现场的温度变化，测定温度造成的附加应变，然后将 解除深度/cm 这部分附加应变值从应力解除过程中测得的最终稳 图2五矿西二一斜井附近测点应力解除曲线 定应变值中剔除出去，即可获得真正由于应力解除 Fig.2 Stressrelieving curves at the measuring points near the 引起的应变值，表2为各测点各应变片的温度应变 Wukuang west-21 incline shaft 率测定结果，表3为各测点各应变片的温度应变值， 表1各测点应变计测得的最终稳定应变值 Table 1 Final steady strain values at the measuring points 10-6 测点 Ao A45 A90 A135 Bo B45 B90 B135 Co C4s C9o C135 5K-XEXF 131 119 450 441 141 294 301 155 147 323 339 145 5K-DSHF 135 507 740 371 118 217 391 315 128 347 618 402 1K 14 305 698 24 243 386 169 21 271 451 201 3K 172 207 254 199 161 224 275 196 185 239 285 221 表2各测点各应变片的温度应变率测定结果 Table 2 Temperature strain ratio at the measuring points 105℃-1 测点 Ao A45 A90 A135 Bo B45 Bso B135 Co C45 C90 C135 5K-XEXF -8.95 -7.89 -1.56 -12.63-2.63 -7.37 -5.79 -10.00 0.00 -5.79 -3.68 -7.37 5K-DSHF -3.89 -12.22-16.67 -7.22 -11.67 -4.44 -6.11 -2.22 -6.67 -7.22 -11.67 -9.44 1K -4.55 -5.00 -29.55 -0.45 -0.91 -1.36 -0.45 -0.91 -1.36 -0.91 0.00 3K -5.77 -4.23 -0.38 -6.92 -9.62 -5.00 -5.38 -15.38 0.00 0.00 -2.31 -5.38 表3各测点各应变片的温度应变值 Table 3 Temperature strain at the measuring points 10-6 测点 Ao A45 A90 A135 Bo B45 Bso B135 Co C45 C9o C135 5K-XEXF -17 -15 -3 -24 -5 -14 -11 -19 0 -11 -7 -14 5K-DSHF -7 -22 -30 -13 -21 -8 -11 一4 -12 -13 -21 -17 1K -10 -11 -65 -1 -2 -3 -1 -2 -3 -2 0 3K -15 -11 -1 -18 -25 -13 -14 -40 0 0 一6 -14 从温度标定实验结果可以看出，由于应力解除 2.2.2围压率定实验及其结果 过程中测点温度变化所引起的应变值（绝对值）最大 图3是五矿西二一斜井附近测点套孔岩芯围压 可达65×10-6，可见对于地应力测量来讲，温度是 率定曲线，即围压应变曲线，用现场套孔解除得到 不容忽视的影响因素.由应力解除过程中测得的应 的并带有应变计的原始岩芯，进行实验室围压率定 变值在经过温度影响修正之后，便获得由于应力解 实验，围压率定曲线提供了许多重要信息：与钻孔 除引起的应变计在各方向的应变值见表4， 轴线成相同角度方向的应变值非常接近，并且周向
图2 五矿西二一斜井附近测点应力解除曲线 Fig．2 Stress-relieving curves at the measuring points near the Wukuang west-21incline shaft 度和转速等因素相关．温度产生两个结果：其一使 岩芯产生温度应力引起附加应变；其二直接引起应 变片变化．两者影响是相反的但谁占优势因地而 异十分复杂．因而需要对数据进行温度校正．为 了剔除温度造成的应变在空心包体应变计靠近应 变片的部位放置一个热敏电阻用以感知温度的变 化．各地应力测点实测温度变化是五矿西二一斜井 附近测点为1∙9℃五矿东三火药库附近测点为 1∙8℃一矿测点2∙2℃三矿测点为2∙6℃．应力 解除完成后再在实验室内可调温的恒温箱中模拟 现场的温度变化测定温度造成的附加应变然后将 这部分附加应变值从应力解除过程中测得的最终稳 定应变值中剔除出去即可获得真正由于应力解除 引起的应变值．表2为各测点各应变片的温度应变 率测定结果表3为各测点各应变片的温度应变值． 表1 各测点应变计测得的最终稳定应变值 Table1 Final steady strain values at the measuring points 10—6 测点 A0 A45 A90 A135 B0 B45 B90 B135 C0 C45 C90 C135 5K—XEXF 131 119 450 441 141 294 301 155 147 323 339 145 5K—DSHF 135 507 740 371 118 217 391 315 128 347 618 402 1K 14 305 698 — 24 243 386 169 21 271 451 201 3K 172 207 254 199 161 224 275 196 185 239 285 221 表2 各测点各应变片的温度应变率测定结果 Table2 Temperature strain ratio at the measuring points 106℃—1 测点 A0 A45 A90 A135 B0 B45 B90 B135 C0 C45 C90 C135 5K—XEXF —8∙95 —7∙89 —1∙56 —12∙63 —2∙63 —7∙37 —5∙79 —10∙00 0∙00 —5∙79 —3∙68 —7∙37 5K—DSHF —3∙89 —12∙22 —16∙67 —7∙22 —11∙67 —4∙44 —6∙11 —2∙22 —6∙67 —7∙22 —11∙67 —9∙44 1K —4∙55 —5∙00 —29∙55 — —0∙45 —0∙91 —1∙36 —0∙45 —0∙91 —1∙36 —0∙91 0∙00 3K —5∙77 —4∙23 —0∙38 —6∙92 —9∙62 —5∙00 —5∙38 —15∙38 0∙00 0∙00 —2∙31 —5∙38 表3 各测点各应变片的温度应变值 Table3 Temperature strain at the measuring points 10—6 测点 A0 A45 A90 A135 B0 B45 B90 B135 C0 C45 C90 C135 5K—XEXF —17 —15 —3 —24 —5 —14 —11 —19 0 —11 —7 —14 5K—DSHF —7 —22 —30 —13 —21 —8 —11 —4 —12 —13 —21 —17 1K —10 —11 —65 — —1 —2 —3 —1 —2 —3 —2 0 3K —15 —11 —1 —18 —25 —13 —14 —40 0 0 —6 —14 从温度标定实验结果可以看出由于应力解除 过程中测点温度变化所引起的应变值（绝对值）最大 可达65×10—6可见对于地应力测量来讲温度是 不容忽视的影响因素．由应力解除过程中测得的应 变值在经过温度影响修正之后便获得由于应力解 除引起的应变计在各方向的应变值见表4． 2∙2∙2 围压率定实验及其结果 图3是五矿西二一斜井附近测点套孔岩芯围压 率定曲线即围压—应变曲线．用现场套孔解除得到 的并带有应变计的原始岩芯进行实验室围压率定 实验．围压率定曲线提供了许多重要信息：与钻孔 轴线成相同角度方向的应变值非常接近并且周向 第2期 李长洪等： 大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系 ·117·
,118 北京科技大学学报 第30卷 为压缩应变，轴向为拉伸应变，斜向为压缩应变，但 片的工作状态是正常的，现场应力解除结果具有较 应变值小于周向应变；另外，围压一应变曲线具有较 好的规律性和稳定性， 好的线性关系，图3表明在实验中应变计内各应变 表4各测点用于计算地应力的最终应变数据 Table 4 Final strain at the measuring points for computing 10-6 测点 Ao A45 A90 A135 Bo B45 Bso B135 C4s C90 C135 5K-XEXF 148 134 453 565 146 308 312 174 147 334 346 159 5K-DSHF 142 529 770 384 139 225 402 319 140 360 639 419 1K 24 316 763 25 247 389 170 23 274 453 201 3K 187 218 255 217 186 237 289 236 185 239 291 235 100 定后，获得最终用于计算的应变值，采用最小二乘 +C 法原理，先通过地应力计算机程序优化求解出地应 o 力的六个分量，再计算各测点主应力以及各测点最 -100 -Co 大剪应力和侧压系数.其结果分别示于表5~7. -200 表5各测点应力分量计算结果 -300 *A35 Table 5 Computed stress of the measuring points 400 正主应力/MPa 剪应力/MPa 围压MPa 测点 图3五矿西二一斜井附近测点套孔岩芯围压率定曲线 5K-XEXF11.568.54 7.29 -2.48-0.040.03 Fig.3 Confining pressure calibration curves of the rock core at mea 5 K-DSHF12.6411.47 8.79 -0.88 0.320.02 suring point near Wukuang west-21 incline shaft 1K 9.78 7.81 7.78 -2.79 0.54-0.97 2.3地应力测量计算结果 3K 10.37 8.34 6.93 -2.81-0.180.24 根据现场实测应变值、室内温度标定及围压率 注：X的正向指北，Y的正向指东，Z的正向指下 表6各测点主应力计算结果 Table 6 Computed principal stress of the measuring points 最大主应力1 中间主应力2 最小主应力3 测点 数值/MPa 方向/() 倾角/() 数值/MPa 方向/() 倾角/（°） 数值/MPa 方向/（°） 倾角/() 5K-XEXF 12.95 330.7 0.5 7.29 56.7 -83.0 7.14 60.7 7.3 5K-DSHF 13.11 331.7 -1.8 11.04 241.4 -7.5 8.74 255.0 82.3 1K 12.05 325.0 -14.5 7.50 310.0 75.0 5.83 54.0 3.7 3K 12.36 324.9 3.2 6.91 164.8 86.6 6.37 55.0 1.1 表7各测点最大剪应力和侧压系数计算结果 它的倾角为一14.5°，说明一矿测点最大水平挤压应 Table 7 Computed result of the biggest shearing stress and side pres- 力方向由SENW向SSE NNW略有转动.因此该 sure coefficient of the measuring points 井田是对燕山构造运动时期地质应力SEVW水平 测点 最大剪应力/MPa 侧压系数，入 挤压应力的继承和发展，并以继承为主， 5K-XEXF 2.905 1.635 5K一DSHF 2.185 1.500 三矿井田位于大同煤田东缘，井田内地层厚度 1K 3.110 1.607 3K 2.995 1.789 变化服从于大同煤田总体格局，井田东及东南部地 层倾角较大，一般在30以下.三矿井田地层、褶曲、 3 实测地应力与地质构造的关系 断裂的形态特征是一致的，地层走向、倾角及倾角的 一矿井田构造简单，断裂以NNE断层最为发 变化受大同煤田向斜主轴控制，褶曲和断裂的分布 育，断层落差也比较大，断层面舒缓波状，往往有断 及形态同样受向斜主轴和边缘主干断裂带的控制和 层泥、擦痕等出现，具有多期活动特征，井田内 影响，井田的主体断裂构造是NE向断裂，井田内 NNE断层也是受燕山运动影响而生成[町，一矿地 NE向断层主要受燕山运动影响而生成[90].三矿 应力测点最大主应力方向为325.0°，且近于水平， 地应力测点最大主应力方向为324.9°，接近水平
为压缩应变轴向为拉伸应变斜向为压缩应变但 应变值小于周向应变；另外围压—应变曲线具有较 好的线性关系．图3表明在实验中应变计内各应变 片的工作状态是正常的现场应力解除结果具有较 好的规律性和稳定性． 表4 各测点用于计算地应力的最终应变数据 Table4 Final strain at the measuring points for computing 10—6 测点 A0 A45 A90 A135 B0 B45 B90 B135 C0 C45 C90 C135 5K—XEXF 148 134 453 565 146 308 312 174 147 334 346 159 5K—DSHF 142 529 770 384 139 225 402 319 140 360 639 419 1K 24 316 763 — 25 247 389 170 23 274 453 201 3K 187 218 255 217 186 237 289 236 185 239 291 235 图3 五矿西二一斜井附近测点套孔岩芯围压率定曲线 Fig．3 Confining pressure calibration curves of the rock core at measuring point near Wukuang west-21incline shaft 2∙3 地应力测量计算结果 根据现场实测应变值、室内温度标定及围压率 定后获得最终用于计算的应变值．采用最小二乘 法原理先通过地应力计算机程序优化求解出地应 力的六个分量再计算各测点主应力以及各测点最 大剪应力和侧压系数．其结果分别示于表5～7． 表5 各测点应力分量计算结果 Table5 Computed stress of the measuring points 测点 正主应力／MPa 剪应力／MPa σx σy σz τxy τyz τz x 5K—XEXF 11∙56 8∙54 7∙29 —2∙48 —0∙04 0∙03 5K—DSHF 12∙64 11∙47 8∙79 —0∙88 0∙32 0∙02 1K 9∙78 7∙81 7∙78 —2∙79 0∙54 —0∙97 3K 10∙37 8∙34 6∙93 —2∙81 —0∙18 0∙24 注：X 的正向指北Y 的正向指东Z 的正向指下． 表6 各测点主应力计算结果 Table6 Computed principal stress of the measuring points 测点 最大主应力 σ1 中间主应力 σ2 最小主应力 σ3 数值／MPa 方向／（°） 倾角／（°） 数值／MPa 方向／（°） 倾角／（°） 数值／MPa 方向／（°） 倾角／（°） 5K—XEXF 12∙95 330∙7 0∙5 7∙29 56∙7 —83∙0 7∙14 60∙7 7∙3 5K—DSHF 13∙11 331∙7 —1∙8 11∙04 241∙4 —7∙5 8∙74 255∙0 82∙3 1K 12∙05 325∙0 —14∙5 7∙50 310∙0 75∙0 5∙83 54∙0 3∙7 3K 12∙36 324∙9 3∙2 6∙91 164∙8 86∙6 6∙37 55∙0 1∙1 表7 各测点最大剪应力和侧压系数计算结果 Table7 Computed result of the biggest shearing stress and side pressure coefficient of the measuring points 测点 最大剪应力／MPa 侧压系数λ 5K—XEXF 2∙905 1∙635 5K—DSHF 2∙185 1∙500 1K 3∙110 1∙607 3K 2∙995 1∙789 3 实测地应力与地质构造的关系 一矿井田构造简单断裂以 NNE 断层最为发 育断层落差也比较大．断层面舒缓波状往往有断 层泥、擦痕等出现具有多期活动特征．井田内 NNE 断层也是受燕山运动影响而生成［9］．一矿地 应力测点最大主应力方向为325∙0°且近于水平 它的倾角为—14∙5°说明一矿测点最大水平挤压应 力方向由 SE—NW 向 SSE—NNW 略有转动．因此该 井田是对燕山构造运动时期地质应力 SE—NW 水平 挤压应力的继承和发展并以继承为主． 三矿井田位于大同煤田东缘井田内地层厚度 变化服从于大同煤田总体格局．井田东及东南部地 层倾角较大一般在30°以下．三矿井田地层、褶曲、 断裂的形态特征是一致的地层走向、倾角及倾角的 变化受大同煤田向斜主轴控制褶曲和断裂的分布 及形态同样受向斜主轴和边缘主干断裂带的控制和 影响．井田的主体断裂构造是 NE 向断裂井田内 NE 向断层主要受燕山运动影响而生成［9—10］．三矿 地应力测点最大主应力方向为324∙9°接近水平 ·118· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第2期 李长洪等：大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系 ,119. 倾角3.2°，说明三矿测点最大水平挤压应力方向由 个点的最大剪应力达到3MPa左右， SENW向SSE NNW略有转动.因此该井田是对 (6)每个测点均有两个主应力接近于水平方 燕山构造运动时期地质应力SENW水平挤压应力 向，其倾角在0.5~14.5°范围内变化：一个主应力接 的继承和发展，并以继承为主， 近于竖直方向，其倾角在75.0~86.6°范围内变化. 五矿井田的褶皱、断层构造复杂，主断裂呈右 参考文献 旋雁型排列，其走向错位处有近平行交错段，在此段 间有很多走向为NE方向的羽状小断裂，在主向斜 [1]Cai M F,Qiao L,Li C H,et al.Results of in situ stress mea- surement and their application to mining design at five metal 轴的西翼，则为一系列NE向小型褶皱区，向斜轴消 mines.Int J Rock Mech Min Sei.2000.37(3):509 失端在雁列主断裂的最大落差处，背斜消失端在主 [2]Cai M F.Principle and Technology of In situ Stress Measure 断层落差较小处或雁列错开处，这些构造形迹无疑 ment.Beijing:Science Press.2000 是受SE一NW主压应变的结果，表现出该煤田主要 (蔡美蜂.地应力测量原理和技术.北京：科学出版社，2000) [3]Li C H.Tectonic stress analysis and its engineering meaning 地质应力是SE一NW水平挤压应力，属燕山构造运 Miner Resour Geol,1995,9(3):195 动时期山】.五矿西二一斜井附近测点和东三火药 (李长洪.构造应力分析及其工程意义，矿产与地质，1995,9 库附近测点实测结果是最大主应力方向分别为 (3):195) 330.7°和331.7°，且近于水平，它们的倾角分别为 [4]Cai M F,Qiao L.LiC H.Measuring results and regularity of in situ stress in Xincheng gold mine.Nonferrous Met.2000.52 0.5°和一1.8°，说明五矿西二一斜井附近测点和东 (3):1 三火药库附近测点最大水平挤压应力受NESW的 (蔡美蜂，乔兰，李长洪，新城金矿地应力场测量及其分布规律 挤压应力影响，其方向由SE一NW向SSE一NNW有 研究.有色金属，2000,52(3)：1) 转动，因此该井田是对燕山构造运动时期地质应力 [5]Ouyang Z H.Cai M F.Li C H.Measuring of in situ stress and disturbance stress in Beiminghe iron mine of China.China Min SEVW水平挤压应力的继承和发展，并以发展 Mag·2005,14(12):67 为主 (欧阳振华，蔡美峰，李长洪，北名河铁矿地应力与采动应力测 量.中国矿业，2005,14(12)：67) 4结论 [6]Cai M F,Qiao L,Yu Bo,et al.Stress measurement with an im- proved hollow inclusion technique in Jinchuan nickel mine.JU- (1)综合以上分析可知，一矿、三矿、五矿最大 niv Sci Technol Beijng.2000.7(3):157 水平挤压应力方向基本上为SENW向，但后期有 [7]Li C H.In situ Stress Field Study and Comparison on Xishimen 发展，均有向SSE一NNW转动的变化趋势，这种变 Iron Ore and Xincheng Gold Mine [Dissertation ]Beijing:Uni- 化是对燕山构造运动时期构造应力SENW水平挤 versity of Science and Technology Beijing.1993. (李长洪，西石门铁矿与新城金矿地应力场研究及其比较[学位 压应力的继承和发展， 论文]-北京：北京科技大学，1993) (2)最大水平主应力的方向在324.9~331.7° [8]Qiao L,Ouyang Z H,Lai X P,et al.In situ stress measuring 范围内变化，其数值在12.05~13.11MPa范围内变 and its result analysis in Sanshandao gold mine of China.J Univ 化，四个测点的侧压系数在1.500~1.789范围内变 Sci Technol Beijing.2004.26(6):569 (乔兰，欧阳振华，来兴平，等.三山岛金矿采空区地应力测量 化·表明该矿区水平构造应力较大，水平构造应力 及其结果分析.北京科技大学学报，2004,26(6)：569) 占主导地位，在采用综放开采时，这种应力分布特 [9]Wang JW.Guo JL.Mine Production Geological Reports of Da- 征是采区工作面和回风巷（顺槽）形成冲击地压（煤 tong Coal Mine Group Co.Ltd.Datong:Coal Geological 爆)的力学原因 Prospecting Company of Shanxi.2003 (王晋伟，郭景林·大同煤业股份有限公司生产矿井地质报告 (3)竖向主应力有三个测点为中间主应力，一 大同：山西省煤炭地质公司，2003) 个测点为最小主应力，其倾角在75.0~86.6°范围 [10]Wang G X.Liu CL.Tongjialiang Coal Mine Production Geo- 内变化，数值在6.91~8.74MPa范围内变化，接近 logical Reports of Datong Coal Mine Group Co.Lid.Datong: 上覆岩体自重应力· Tongjialiang Coal Mine of Datong Coal Mine Group Co.Ltd. and Coalfield Geological Exploration Team 115 of Shanxi.2003 (4)最小水平主应力有三个测点为最小主应 (王国新，刘存林大同煤矿集团有限责任公司同家梁煤矿生 力，其方向在54.0~60.7°范围内变化，数值在 产矿并地质报告·大同：大同煤矿集团有限责任公司同家梁煤 5.83~7.14MPa范围内变化，接近上覆岩体自重应 矿和山西煤田地质期探115队，2003) 力，最小水平主应力有一个测点为中间主应力，其 [11]Chen Z R.Li C Y.Xinzhouyao Mine Geological Reports of Da tong Mining Bureau.Datong:Xinzhouyao Coal Mine.1994 倾角为一7.5°，方向为241.4°，数值为11.04MPa. (陈哲仁，李长义，大同矿务局忻州窑矿矿井地质报告·大同： (5)最大剪应力较大，均大于2MPa,其中有三 忻州窑煤矿.1994)
倾角3∙2°说明三矿测点最大水平挤压应力方向由 SE—NW 向 SSE—NNW 略有转动．因此该井田是对 燕山构造运动时期地质应力 SE—NW 水平挤压应力 的继承和发展并以继承为主． 五矿井田的褶皱、断层构造复杂．主断裂呈右 旋雁型排列其走向错位处有近平行交错段在此段 间有很多走向为 NE 方向的羽状小断裂．在主向斜 轴的西翼则为一系列 NE 向小型褶皱区向斜轴消 失端在雁列主断裂的最大落差处背斜消失端在主 断层落差较小处或雁列错开处这些构造形迹无疑 是受 SE—NW 主压应变的结果表现出该煤田主要 地质应力是 SE—NW 水平挤压应力属燕山构造运 动时期［11］．五矿西二一斜井附近测点和东三火药 库附近测点实测结果是最大主应力方向分别为 330∙7°和331∙7°且近于水平它们的倾角分别为 0∙5°和—1∙8°说明五矿西二一斜井附近测点和东 三火药库附近测点最大水平挤压应力受 NE—SW 的 挤压应力影响其方向由 SE—NW 向 SSE—NNW 有 转动．因此该井田是对燕山构造运动时期地质应力 SE—NW 水平挤压应力的继承和发展并以发展 为主． 4 结论 （1） 综合以上分析可知一矿、三矿、五矿最大 水平挤压应力方向基本上为 SE—NW 向但后期有 发展均有向 SSE—NNW 转动的变化趋势这种变 化是对燕山构造运动时期构造应力 SE—NW 水平挤 压应力的继承和发展． （2） 最大水平主应力的方向在324∙9～331∙7° 范围内变化其数值在12∙05～13∙11MPa 范围内变 化四个测点的侧压系数在1∙500～1∙789范围内变 化．表明该矿区水平构造应力较大水平构造应力 占主导地位．在采用综放开采时这种应力分布特 征是采区工作面和回风巷（顺槽）形成冲击地压（煤 爆）的力学原因． （3） 竖向主应力有三个测点为中间主应力一 个测点为最小主应力其倾角在75∙0～86∙6°范围 内变化数值在6∙91～8∙74MPa 范围内变化接近 上覆岩体自重应力． （4） 最小水平主应力有三个测点为最小主应 力其方向在 54∙0～60∙7°范围内变化数值在 5∙83～7∙14MPa 范围内变化接近上覆岩体自重应 力．最小水平主应力有一个测点为中间主应力其 倾角为—7∙5°方向为241∙4°数值为11∙04MPa． （5） 最大剪应力较大均大于2MPa其中有三 个点的最大剪应力达到3MPa 左右． （6） 每个测点均有两个主应力接近于水平方 向其倾角在0∙5～14∙5°范围内变化；一个主应力接 近于竖直方向其倾角在75∙0～86∙6°范围内变化． 参 考 文 献 ［1］ Cai M FQiao LLi C Het al．Results of in situ stress measurement and their application to mining design at five metal mines．Int J Rock Mech Min Sci200037（3）：509 ［2］ Cai M F．Principle and Technology of In-situ Stress Measurement．Beijing：Science Press2000 （蔡美峰．地应力测量原理和技术．北京：科学出版社2000） ［3］ Li C H．Tectonic stress analysis and its engineering meaning． Miner Resour Geol19959（3）：195 （李长洪．构造应力分析及其工程意义．矿产与地质19959 （3）：195） ［4］ Cai M FQiao LLi C H．Measuring results and regularity of insitu stress in Xincheng gold mine． Nonferrous Met200052 （3）：1 （蔡美峰乔兰李长洪．新城金矿地应力场测量及其分布规律 研究．有色金属200052（3）：1） ［5］ Ouyang Z HCai M FLi C H．Measuring of in-situ stress and disturbance stress in Beiminghe iron mine of China．China Min Mag200514（12）：67 （欧阳振华蔡美峰李长洪．北 河铁矿地应力与采动应力测 量．中国矿业200514（12）：67） ［6］ Cai M FQiao LYu Boet al．Stress measurement with an improved hollow inclusion technique in Jinchuan nickel mine．J Univ Sci Technol Beij ng20007（3）：157 ［7］ Li C H．In-situ Stress Field Study and Comparison on Xishimen Iron Ore and Xincheng Gold Mine ［Dissertation］．Beijing：University of Science and Technology Beijing1993． （李长洪．西石门铁矿与新城金矿地应力场研究及其比较［学位 论文］．北京：北京科技大学1993） ［8］ Qiao LOuyang Z HLai X Pet al．In-situ stress measuring and its result analysis in Sanshandao gold mine of China．J Univ Sci Technol Beijing200426（6）：569 （乔兰欧阳振华来兴平等．三山岛金矿采空区地应力测量 及其结果分析．北京科技大学学报200426（6）：569） ［9］ Wang J WGuo J L．Mine Production Geological Reports of Datong Coal Mine Group Co． Ltd． Datong： Coal Geological Prospecting Company of Shanxi2003 （王晋伟郭景林．大同煤业股份有限公司生产矿井地质报告． 大同：山西省煤炭地质公司2003） ［10］ Wang G XLiu C L．Tongjialiang Coal Mine Production Geological Reports of Datong Coal Mine Group Co．Ltd．Datong： Tongjialiang Coal Mine of Datong Coal Mine Group Co．Ltd． and Coalfield Geological Exploration Team 115of Shanxi2003 （王国新刘存林．大同煤矿集团有限责任公司同家梁煤矿生 产矿井地质报告．大同：大同煤矿集团有限责任公司同家梁煤 矿和山西煤田地质勘探115队2003） ［11］ Chen Z RLi C Y．Xinz houyao Mine Geological Reports of Datong Mining Bureau．Datong：Xinzhouyao Coal Mine1994 （陈哲仁李长义．大同矿务局忻州窑矿矿井地质报告．大同： 忻州窑煤矿．1994） 第2期 李长洪等： 大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系 ·119·