石壕煤矿断层构造带应力场分布特征研究.pdf

十三五国家重点研发计划项目（2016YFC0801402、2016YFC0801404） 十三五国家重大科技专项（2016ZX05043005、2016ZX05045-004） 国家自然科学基金面上项目（51674050） 石壕煤矿断层构造带应力场 分布特征研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名贾路行 指导教师梁运培 教 授 专 业矿业工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院学院 二 O 一八年五月 万方数据 万方数据 The State Key Research Development Program of China 2016YFC0801402, 2016YFC0801404 The National Science and Technology Major Project of China 2016ZX05043005, 2016ZX05045004 The National Natural Science Foundation of China 51674050 Study on the in-stiustress distribution characteristics at the Shihao coal mine, Southern Chongqing. A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering by By Jia Luxing Supervisor Prof. Liang Yunpei Specialty Mining engineering College of Resources and Environmental sciences of Chongqing University, Chongqing, China. May，2018 万方数据 万方数据 中文摘要 I 摘 要 煤与瓦斯突出是我国矿井最严重的动力灾害之一，严重影响了我国的煤矿的 安全生产。地质构造是在地壳发展过程中，各类岩石在动力地质作用下产生的各 种变形。大量研究发现煤与瓦斯突出与地质构造存在紧密的联系。而地应力又是 地质构造运动产生的力学根源，也是引起各种地下或露天岩土工程变形与破坏的 根本力源。因此，开展构造区地应力测量，探知构造区地层应力状态，不仅可以 服务各类岩体的工程建设，而且还能为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质 灾害预警研究提供重要的科学依据。 松藻矿区作为重庆主要的大型煤炭生产基地，现有生产矿井六座，矿区处于 复杂的地质构造带。历史上地质构造运动剧烈，矿区部分矿井应力状态复杂，属 于事故多发矿区，矿区内矿井均为突出矿井。目前为止对松藻矿区的应力状态仅 有理论的分析，还没有定量的应力参数，尤其是对矿区主应力大小以及最大主应 力方向没有清楚的认识，这给矿井的煤与瓦斯突出预测及防治带来很大的困难。 为了掌握松藻矿区构造带地应力分布规律，本次研究在松藻矿区石壕煤矿构造区 及非构造区分别布置了测试点，采用空心包体应力解除法进行了地应力测量工作， 得到石壕矿井构造区及非构造区的应力特征，并对矿井构造区地应力分布规律进 行了分析，同时利用煤层底板应力数据，使用 ANSYS 软件建立数值模型反演推算 出部分煤层的应力分布。 区域地质构造演化历史分析表明松藻矿区位于扬子准地台内的上扬子台褶 皱带与四川台坳两个二级大地构造单元的分界处，燕山运动对上扬子台褶皱西部 有较强烈的影响，喜马拉雅运动早期的构造运动使上扬子台褶皱发生褶皱与断裂 变形。本次研究结果表明矿井北部以水平应力为主，最大主应力的方位角 143175，与大区域的主应力轴的方向一致，构造作用力也以水平力为主。现场 地应力测量验证了区域地质力学分析的结果，表明测试结果的准确可信，能为今 后的地应力分布规律研究和煤炭安全开采 提供了安全保障和科学依据。 关键词关键词地质构造；地应力测量；煤与瓦斯突出；应力解除法；构造应力场 万方数据 重庆大学硕士学位论文 II 万方数据 英文摘要 III ABSTRACT Coal and gas outburst is one of the most serious powerful disaster in Chinas mines and tunnels，which seriously affects the safe production of coal mine in China. Detection of in-situ stress measurement，therefore，to carry out the construction area， construction area of ation stress state，not only can service all types of rock mass engineering construction， but also ,for the earth dynamics research， fault activity and the geological disaster warning provide important scientific basis. As the main large-scale coal production base in Chongqing， the Songzao mining area is currently in the production of six mines， and the mining area is in a complicate geological structure belt. In the history of geological tectonic movement， mine section stress state is complex，the stress state of the mining area so far is not clear，especially the magnitude of principal stress and the maximum principal stress direction there is not clear，which bring great difficulty in mine production. Tectonic belt in-situ stress distribution law in order to grasp the codium mining area，which will provide a scientific basis for safe mining of coal，stone trenches in codium mining area coal mine construction area and the structure section of in-situ stress measurement，preliminary the stress characteristics of the rock in the mine，and mine tectonic zone in-situ stress distribution rule is analyzed，at the same time use of the inversion of the coal seam of coal seam stress. Regional geological mechanics analysis shows that the codium within the mining area is located in the Yangtze paraplat Yang Zitai fold belt with Sichuan depression on the part of the two secondary tectonic unit， the Yanshan movement against Yang Zitai fold has a strong influence on the west and Himalayan movement on the early tectonic movement make Yang Zitai fold fold and fault deation. The measurement results show that the azimuth Angle of the maximum principal stress in the north of the mine is 143 175，which is basically consistent with the main stress axis in the large area，and the tectonic force is mainly horizontal force. The results of regional geological mechanics analysis can be verified by field stress measurement. Keywords geological structure; Geostress measurement; Coal and gas outburst; Stress relief ; Tectonic stress field 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV 万方数据 目 录 V 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 ....................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ....................................................................................................................... 2 1.2.1 地质构造与煤与瓦斯突出关系研究现状 ....................................................................... 2 1.2.2 地应力测量技术发展现状 ............................................................................................... 3 1.3 研究内容研究内容 ................................................................................................................................... 4 1.4 技术路线技术路线 ................................................................................................................................... 5 1.5 预期目标预期目标 ................................................................................................................................... 6 2 矿区及矿井地质概况矿区及矿井地质概况 ......................................................................................................... 7 2.1 矿区概况矿区概况 ................................................................................................................................... 7 2.1.1 矿区位置及井田分布 ....................................................................................................... 7 2.1.2 区域地层 ........................................................................................................................... 8 2.1.3 矿区构造概况 ................................................................................................................. 11 2.2 石壕煤矿概况石壕煤矿概况 ......................................................................................................................... 14 2.2.1 煤层赋存情况及顶底板岩性 ......................................................................................... 14 2.2.3 地质构造 ......................................................................................................................... 16 2.3 小结小结 ......................................................................................................................................... 17 3 矿区地应力现场测量矿区地应力现场测量 ....................................................................................................... 19 3.1 地应力测量方法的选择地应力测量方法的选择 ......................................................................................................... 19 3.2 地应力测量仪器地应力测量仪器 ..................................................................................................................... 20 3.2.1 空心包体应变计 ............................................................................................................. 21 3.2.2 矿用包体应变仪 ............................................................................................................. 25 3.2.3 围压率定仪 ..................................................................................................................... 25 3.3 现场地应力测量现场地应力测量 ..................................................................................................................... 25 3.3.1 测点位置选取 ................................................................................................................. 29 3.3.2 现场测量 ......................................................................................................................... 36 3.4 弹性模量和泊松比率定实验弹性模量和泊松比率定实验 ................................................................................................. 40 3.5 小结小结 ......................................................................................................................................... 40 4 地应力测量结果分析地应力测量结果分析 ....................................................................................................... 43 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 4.1 地应力测量原始数据地应力测量原始数据 ............................................................................................................. 43 4.1.1 应力解除数据 ................................................................................................................. 43 4.1.2 围压率定曲线 ................................................................................................................. 43 4.1.3 应力解除曲线与围压率定曲线 ..................................................................................... 43 4.2 地应力测量结果分析地应力测量结果分析 ............................................................................................................. 47 4.3 断层周围应力分布分析断层周围应力分布分析 ......................................................................................................... 50 4.4 煤层应力场反演计算煤层应力场反演计算 ............................................................................................................. 52 4.4.1 应力场反演分析原理 ..................................................................................................... 52 4.4.2 应力场反演分析 ............................................................................................................. 58 4.5 小结小结 ......................................................................................................................................... 56 5 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................................ 57 5.1 结论结论 ......................................................................................................................................... 57 5.2 展望展望 ......................................................................................................................................... 57 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 59 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 61 附附 录录 ...................................................................................................................................... 65 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 .................................................................................. 65 B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录作者在攻读学位期间取得的科研成果目录 .......................................................................... 65 C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目作者在攻读学位期间参与的科研项目 .................................................................................. 65 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 大量的煤与瓦斯突出资料研究及现场生产实践表明，煤与瓦斯突出点多发生 在地质构造附近[5]。有专家学者认为其主要原因是在构造影响范围区内，受地质构 造影响，构造带附近煤质发生变化，煤岩体较破碎、硬度小、强度低，同时部分 构造本身所形成的特殊条件有利于封存瓦斯， 从而使得煤体瓦斯含量高、 压力大、 放散速度大[6]。地应力是地质构造产生的根本原因，因此弄清构造附近的应力分布 特征是研究构造对煤与瓦斯突出影响的理论基础，而现代科学技术为地应力的测 量提供了多种手段。 本文对松藻矿区内石壕煤矿三十四年间发生的突出事故进行了统计分析，发 现该矿煤与瓦斯突出与地质构造呈现出一定的联系。首先根据矿区矿井的相关地 质、瓦斯资料，通过数值模拟，总结发现无构造带、构造部位附近的应力分布特 征，为现场地应力测量提供理论指导；然后，在石壕煤矿构造区域现场多处布点， 进行地应力实测，根据现场实测数据，修正优化数值模拟模型，总结得出石壕煤 矿井田范围内地应力分布特征，并利用煤层底板应力反演推出煤层应力状态。 1.1 选题背景及意义 国家能源长期发展规划纲要（2004～2020 年） 中表示，中国将长期以煤炭 资源作为主要能源 [1]。 根据相关统计分析[3]，我国 2001-2012 年发生煤与瓦斯突 出事故 417 起，死亡 2743 人，其中较大事故占事故总起数 62.11，造成的死亡人 数占总死亡人数的 46.0。 松藻矿区是重庆的大型煤炭生产基地，所处位置地质构造带极其复杂，是煤 与瓦斯突出重灾区。矿区内的生产矿井多次发生煤与瓦斯突出事故，矿区中的石 壕煤矿，建井至今，共发生约 37 起煤与瓦斯突出事故，其中 24 起事故的发生在 地质构造附近。据统计， 24 次构造带附近的煤与瓦斯突出中，发生于断层、断层 挤压带等构造部位的有 19 次，占总数的 51％，这些构造规模虽然小但严重破坏了 煤（岩）层的整体性。由于这些小断层的影响，煤体的原生结构遭到破坏，煤层 厚度发生变化，甚至产生扭曲，节理裂隙发育，形成破裂煤、碎粒煤等构造煤， 煤体强度大大降低，突出危险性急剧上升[8]。 因此，本文选取小断层为研究对象，在石壕矿井区域内选取一处断层，设置 测点，测出断层附近的三维应力分布特征，掌握矿井主应力大小及方向，并对断 层附近的应力分析总结，得出断层对煤与瓦斯突出影响机制，为矿井安全生产提 供科学理论指导。 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 地质构造与煤与瓦斯突出关系研究现状 大量的现场生产活动及理论研究都表明煤与瓦斯突出与地质构造有着密切关 系[10]。 胡保林等[13]研究了宿东矿区断层构造对煤层中瓦斯流动的影响，认为断层的 存在不仅改变了瓦斯流动的路径及状态，还破坏了周围媒体结构的完整性，从而 还影响了煤体对瓦斯的吸附能力。 胡广青等[14]通过对比较不同类型的构造煤与原生煤特性差异，发现部分构造 煤在结构和特性上与原生就够煤存有很大差异，构造煤位置更有可能发生突出。 徐雪峰等[15]研究了构造对煤与瓦斯突出的影响，并利用软件模拟了断裂构造 平面应力模型，得出了断层不同部位的应力分部特征。 何俊等[16]通过对国内大量突出事故分析总结，发现构造对煤与瓦斯的影响是 通过影响控制突出发生的因素来实现的，并且发现小断层是影响突出的主要构造。 绍强等[17]研究了构造煤分部对煤与瓦斯突出的影响，发现构造煤在断层、褶 皱已形成的位置，而这些位置就是突出危险性最大的位置。 汪吉林等[18]通过对数值模拟研究发现，构造应力能够影响瓦斯的聚集和运移， 并且对瓦斯的流动方向起着决定性的作用。 张国成等[19]通过对淮南矿区突出点附近的地质构造分析发现，小构造是影响 该矿区突出的主要因素，而这些小构造主要是指小断层。 韩军等[20]研究了向斜构造对突出的影响，发现向斜构造独有的应力特征与形 状都有利于突出的发生。 黄醒春等[21]利用有限实测数据，通过 Frictionless No-tension 参数式数值模型 模拟了断层周围应力分布特征，发现断层周围应力复杂，周围地应力受断层规模 尺度控制，现场实测不能实现对断层周围应力的全面了解，采用数值模拟反演比 较更方便准确合理。 沈海超等[22]通过对松辽盆地的现场实测，再利用现场与三维建模相结合对地 应力进行了反演，发现断层以及断层群的存在使得周围应力发生复杂变化，与非 构造区差异主要体现在应力方向发生很大变化。 李获银[24]通过模拟试验证实了构造煤比非构造煤能吸附更多的瓦斯。 英国的学者 FordshamK 等[23]认为地质构造会使煤岩体结构更加破裂，构造附 近煤岩体节理裂隙十分发育，从而为瓦斯的赋存提供了载体，使得瓦斯聚集。 国内开展了大量的地质构造，尤其是断层，附近应力分布特征的研究。如梅 海等[25]开展了龙门山构造应力场的测量工作，并对构造附近的应力分布进行了数 值模拟研究。孙昌一等[26]研究了地质构造对煤层瓦斯赋存与分布的控制作用。鲁 万方数据 1 绪 论 3 岩等[27]研究了在构造应力影响下的巷道围岩稳定性问题。田宜平等[28]开展了构造 应力场三维数值模拟的有限单元法研究，提出了构造应力场数值模拟的新视点。 雷东记等[29]开展了平顶山天安煤业股份有限公司十矿煤与瓦斯突出的构造分区特 征研究。 但因各矿区所处大地构造、区域构造、地层条件等差异，每个矿区的应力也 有所不同，即体现了构造的区域差异性、独特性。其他地区的构造应力特征不能 说明松藻矿区构造应力特征，吴超等[30]对松藻矿区的地构造进行了分类，并对煤 体变形进行了定量评价，但未进行地应力测量工作，故开展松藻矿区构造区应力 测量及分布特征研究有着重大意义。 1.2.2 地应力测量技术发展现状 二十世纪 30 年代人类就开始了地应力的现场测量工作，这个阶段的地应力测 量技术都是处于平面应力测量的水平，只能测定平面应力。60 年代中期后，三维 地应力测量技术出现。目前，我国地应力测量技术广泛应用于多个领域，地应力 测量方法日渐增多。现将各类方法原理，优缺点及适用范围统计如下表所示[35]。 表 1.1 应力测试方法 Table 1.1 Stress testing 测量方法类别 测量原理 优缺点 适用范围 绝 对 应 力 测 量 间 接 测 量 法 套孔 应力 解除 法 以平面应力状态为理论基础，假定岩 体是连续、均匀、各向同性、线弹性 的。 优点操作简单、经济 实用、精确度高。 缺点测量深度较浅 多用于隧道、 矿山安全、设 计等方面 声发 射法 金属或岩石从历史最大应力释放后重 新加载时，当达到和超过历史最高水 平后，则有大量声发射产生。 既可以测量古应力， 又 可测量现代应力状态。 在矿山和油田 等工程中应用 较多。 钻孔 崩落 法 利用岩石崩落形状及根据孔壁崩落深 度和宽度来来确定应力的大小。 优点速度快效率高。 缺点易受扰乱。 广泛应用于石 油工业、深钻 中。 直 接 测 量 法 水压 致裂 法 在钻孔中封隔一段钻孔，向封隔段注 入高压流体 通常为水 ， 并通过孔壁 岩体的胀裂来确定地应力。 优点 可以满足多水平 测量需求。 广泛应用于石 油、地热及科 研钻探中。 应变 恢复 法 岩心从岩体分离后即发生弹性恢复和 滞弹性恢复 ， 且各方向的应变恢复量 与之前所受压力正相关。 优点 测量结果可信度 高；缺点费用较高、 操作复杂、易受影响。 大深度钻井水 压致裂法和应 力解除法无法 有效实施时。 万方数据 重庆大学硕士学位论文 4 测量方法类别 测量原理 优缺点 适用范围 相 对 应 力 测 量 压磁法 一种平面测量方法 稳定性好、灵敏度高， 测量深度大。 多用于对变形 控制要求较高 的隧道、硐室 及核废料处置 等工程中。 体应变法 测量岩石的体积应变。 对岩石完整性要求宽 松， 而且能在土层或松 软岩层中测量。 钻孔应变监测 主要用于地震 预警，但也可 以用于矿山安 全监测。 分量应变 法 观测钻孔直径的相对变化量，原理上 沿不同方位布设 3 个压磁式、振弦、 电容或半导体应变片就可以测出钻孔 所在的平面应变状态。 自行检验观测的正确 性，自稳性强。 在我国现场地应力测量中应用的比较多的测量方法是水压致裂法和应力解除 法，且广泛应用在采矿工程、油田开采等工程领域。不仅为工程设计提供了可靠 的科学依据，而且加深了对我国地应力分布规律的认识[35]。 1.3 研究内容 煤与瓦斯突出事故作为我国最严重的煤矿动力灾害之一，其发生的动力现象 较为复杂，影响因素众多。为此本文将进行以下工作 ①开展松藻矿区、石壕煤矿地质资料的学习，掌握其地质构造演化史、地质 构造分布特征，根据矿井现有的资料，依据其构造参数对地质构造进行分类； ②根据松藻矿区、石壕矿井提供的历年记录的煤与瓦斯突出资料，统计分析 突出发生的特征，找出地质构造与煤与瓦斯突出存在的联系； ③结合松藻矿区地质资料，对无构造、地质构造带应力分布规律进行数值模 拟研究； ④开展石壕矿