第11期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 ·1405· 震，并具有与天然地震类似的规律.对未来开采可 (②)套孔应力解除法和空心包体应变计是最适 能出现的煤（岩）爆发展趋势、位置、时间与震级进 用于地下矿山地应力测量的方法.平煤十矿采用三 行预测，必须以开采过程中煤层和围岩聚集的能量 维套孔应力解除地应力测量技术和实现完全温度补 大小与分布为依据网.地应力不仅是引起开采煤层 偿的空心包体应变计测得矿区6个水平11个测点 和围岩能量聚集的直接动力，而且是定量计算的必 的三维地应力状态，揭示了矿区地应力场的分布规 要前提条件 律，建立了矿区地应力场模型，为平煤十矿工程建 在地应力场的作用下，开采煤层和围岩中的应 设和开采设计提供了科学依据.平煤十矿是我国第 力应变分布可以通过数值模拟，如有限元法和有限 一个采用应力解除法进行系统的矿区地应力测量并 差分法定量计算获得.根据计算得到的煤层和围岩 且测量深度超过1100m的煤矿. 中的应力和应变分布状态，储存于每一个计算单元 (3)平煤十矿具有煤（岩）爆和由其引发瓦斯爆 中的能量可以根据下式获得： 炸的危险倾向，正确进行煤（岩）爆预测对保证矿 W。=5o161+o262+ax, (8) 山安全生产极其重要.煤（岩）爆是由开采引起的能 量聚集和释放的动力过程，是一种人工诱发地震活 式中：W。是储存在单元体中的能量：o1、02和o3 动.根据实测地应力数据，采用数值模拟等方法，定 是单元体中的三个主应力：61、2和3是单元体中 量计算开挖扰动引起的开采煤层和围岩中能量聚集 三个主应变：Ve是单元体的体积 状态及其随采矿过程的变化规律，借助地震学的知 将所有单元中的能量进行累计，就得到了积累 识，根据能量计算地震级别，即可对未来开采过程 在开采煤层和围岩中的总能量.根据能量大小，可 可能诱发岩爆的地点、时间和级别做出预测. 由下式计算出煤（岩）爆的级别（震级） 1gE=4.8+1.5M (9) 参考文献 式中：E是开采煤层和围岩中聚集的能量，单位为 [1]The 4th Team of the Bureau of Coal Geology of Henan J;M为煤（岩）爆的级别（震级） Province.Geological Report of the 10th Mine of Pingding- 式（⑨）通常是地震界用来根据地震引起的地震 shan Coal Group Company.Zhengzhou:Bureau of Coal 波释放的能量确定地震级别的.著名的中国地震学 Geological Prospection of Henan Province,2008 家陈颗在报告中指出，汶川地震释放的地震波能量 (河南省煤田地质局四队.平煤十矿地质报告.郑州：河南 为1016.7J回，根据式(9)计算出的地震级别为7.933. 省煤田地质局，2008) 所以，中国地震局公布的汶川地震的震级为8级. [2 Cai M F.Optimization of Mining Design and Control of 蔡美峰和他的科研团队10首次采用式(9)进行煤 Ground Pressure in Metal Mines:Theory and Practice. (岩)爆预测，成功地预测了辽宁抚顺老虎台煤矿由 Beijing:Science Press,2001 (蔡美峰.金属矿山采矿设计优化与地压控制：理论与实 煤（岩）爆引起矿震的发展趋势和该矿历史上发生 践.北京：科学出版社，2001) 的最大级别的一次矿震(3.7级，2002年). [3]Kang H P,Lin J,Zhang X.Research and application of 现场地应力实测结果为采用上面介绍的理论 in-situ stress measurement in deep mines.Chin J Rock 和方法进行平煤十矿的煤（岩）爆预测和控制提供 Mech Eng,2007,26(5):929 了可能. (康红普，林健，张晓.深部矿并地应力测量方法研究与应 用.岩石力学与工程学报，2007,26(5)：929) 4结论 [4]Wu M L,Ma Y,Liao C T,et al.Study on recent state (1)地应力值随着深度的增加而增大，平煤十 of stress in depth 1000 m of Jinchuan mine.Chin J Rock 矿的开采深度已经超过1100m,深部开采将受到高 Mech Eng,2008,27(Suppl 2):3785 地应力的严重影响，引起采矿结构的破坏、煤（岩） (吴满路，马宇，廖椿庭，等.金川二矿深部1000m中段 地应力测量及应力状态研究.岩石力学与工程学报，2008 爆和其他潜在的动力灾害.为了保证开采的安全和 27(增刊2)：3785) 高效，必须进行采矿设计的定量计算和分析，做出 5 Cai M F.Principle and Techniques of In-situ Stress Mea- 优化的采矿设计.准确的矿山地应力测量资料对这 surement.Beijing:Science Press,2000 种定量计算和优化设计是极为关键的，因为地应力 (蔡美峰.地应力测量原理和技术.北京：科学出版社， 不仅是这种定量计算的力学边界条件，而且是引起 2000) 煤（岩）爆和其他开采动力灾害的直接动力. [6]Cai M F,Peng H.Advance of in-situ stress measurement第 11 期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 1405 ·· 震，并具有与天然地震类似的规律. 对未来开采可 能出现的煤 (岩) 爆发展趋势、位置、时间与震级进 行预测，必须以开采过程中煤层和围岩聚集的能量 大小与分布为依据 [8] . 地应力不仅是引起开采煤层 和围岩能量聚集的直接动力，而且是定量计算的必 要前提条件. 在地应力场的作用下，开采煤层和围岩中的应 力应变分布可以通过数值模拟，如有限元法和有限 差分法定量计算获得. 根据计算得到的煤层和围岩 中的应力和应变分布状态，储存于每一个计算单元 中的能量可以根据下式获得： We = 1 2 [σ1ε1 + σ2ε2 + σ3ε3] × Ve . (8) 式中：We 是储存在单元体中的能量；σ1、σ2 和σ3 是单元体中的三个主应力；ε1、ε2 和 ε3 是单元体中 三个主应变；Ve 是单元体的体积. 将所有单元中的能量进行累计，就得到了积累 在开采煤层和围岩中的总能量. 根据能量大小，可 由下式计算出煤 (岩) 爆的级别 (震级). lgE = 4.8 + 1.5M . (9) 式中：E 是开采煤层和围岩中聚集的能量，单位为 J；M 为煤 (岩) 爆的级别 (震级). 式 (9) 通常是地震界用来根据地震引起的地震 波释放的能量确定地震级别的. 著名的中国地震学 家陈颙在报告中指出，汶川地震释放的地震波能量 为 1016.7 J [9]，根据式 (9) 计算出的地震级别为 7.933. 所以，中国地震局公布的汶川地震的震级为 8 级. 蔡美峰和他的科研团队 [10] 首次采用式 (9) 进行煤 (岩) 爆预测，成功地预测了辽宁抚顺老虎台煤矿由 煤 (岩) 爆引起矿震的发展趋势和该矿历史上发生 的最大级别的一次矿震 (3.7 级, 2002 年). 现场地应力实测结果为采用上面介绍的理论 和方法进行平煤十矿的煤 (岩) 爆预测和控制提供 了可能. 4 结论 (1) 地应力值随着深度的增加而增大，平煤十 矿的开采深度已经超过 1100 m，深部开采将受到高 地应力的严重影响，引起采矿结构的破坏、煤 (岩) 爆和其他潜在的动力灾害. 为了保证开采的安全和 高效，必须进行采矿设计的定量计算和分析，做出 优化的采矿设计. 准确的矿山地应力测量资料对这 种定量计算和优化设计是极为关键的，因为地应力 不仅是这种定量计算的力学边界条件，而且是引起 煤 (岩) 爆和其他开采动力灾害的直接动力. (2) 套孔应力解除法和空心包体应变计是最适 用于地下矿山地应力测量的方法. 平煤十矿采用三 维套孔应力解除地应力测量技术和实现完全温度补 偿的空心包体应变计测得矿区 6 个水平 11 个测点 的三维地应力状态，揭示了矿区地应力场的分布规 律，建立了矿区地应力场模型，为平煤十矿工程建 设和开采设计提供了科学依据. 平煤十矿是我国第 一个采用应力解除法进行系统的矿区地应力测量并 且测量深度超过 1100 m 的煤矿. (3) 平煤十矿具有煤 (岩) 爆和由其引发瓦斯爆 炸的危险倾向，正确进行煤 (岩) 爆预测对保证矿 山安全生产极其重要. 煤 (岩) 爆是由开采引起的能 量聚集和释放的动力过程，是一种人工诱发地震活 动. 根据实测地应力数据，采用数值模拟等方法，定 量计算开挖扰动引起的开采煤层和围岩中能量聚集 状态及其随采矿过程的变化规律，借助地震学的知 识，根据能量计算地震级别，即可对未来开采过程 可能诱发岩爆的地点、时间和级别做出预测. 参 考 文 献 [1] The 4th Team of the Bureau of Coal Geology of Henan Province. Geological Report of the 10th Mine of Pingding￾shan Coal Group Company. Zhengzhou: Bureau of Coal Geological Prospection of Henan Province, 2008 (河南省煤田地质局四队. 平煤十矿地质报告. 郑州：河南 省煤田地质局, 2008) [2] Cai M F. Optimization of Mining Design and Control of Ground Pressure in Metal Mines: Theory and Practice. Beijing: Science Press, 2001 (蔡美峰. 金属矿山采矿设计优化与地压控制：理论与实 践．北京: 科学出版社, 2001) [3] Kang H P, Lin J, Zhang X. Research and application of in-situ stress measurement in deep mines. Chin J Rock Mech Eng, 2007, 26(5): 929 (康红普, 林健, 张晓. 深部矿井地应力测量方法研究与应 用. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(5): 929) [4] Wu M L, Ma Y, Liao C T, et al. Study on recent state of stress in depth 1000 m of Jinchuan mine. Chin J Rock Mech Eng, 2008, 27(Suppl 2): 3785 (吴满路, 马宇, 廖椿庭, 等. 金川二矿深部 1000 m 中段 地应力测量及应力状态研究. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(增刊 2): 3785) [5] Cai M F. Principle and Techniques of In-situ Stress Mea￾surement. Beijing: Science Press, 2000 (蔡美峰. 地应力测量原理和技术. 北京: 科学出版社, 2000) [6] Cai M F, Peng H. Advance of in-situ stress measurement