中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律_康红普.pdf

第 44 卷第 1 期煤炭学报Vol．44No．1 2019 年1 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan．2019 移动阅读 康红普， 伊丙鼎， 高富强， 等．中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律［ J］ ．煤炭学报， 2019， 44 1 23－33． doi 10．13225/j．cnki．jccs．2018．5032 KANG Hongpu， YI Bingding， GAO Fuqiang， et al．Database and characteristics of underground in- situ stress distribution in Chinese coal mines［ J］ ．Journal of China Coal Society， 2019， 44 1 23－33．doi 10．13225/j．cnki．jccs．2018．5032 中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律 康红普 1， 2， 3， 伊丙鼎1， 2， 3， 高富强1， 2， 3， 吕华文1， 2， 3 1．煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京100013; 2．天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013; 3．煤炭资源高效开采与洁净利用 国家重点实验室， 北京100013 摘要 收集了采用井下小孔径水压致裂地应力测量装置获得的煤矿地应力数据， 以及其他采用应 力解除法、 水压致裂法等获得的煤矿地应力数据， 共计 1 357 条。在此基础上建立了“中国煤矿井 下地应力数据库” ， 绘制了中国煤矿矿区地应力分布图。分析了我国煤矿井下地应力分布特征和 主要影响因素， 取得以下研究成果 ① 埋深是影响煤矿井下地应力的重要因素。垂直应力总体上 随埋深增加不断增大， 但数据存在一定的离散性。最大、 最小水平主应力总体上也与埋深呈正相关 关系， 但数据离散性更大。② 在浅部煤矿， 地应力类型主要为逆断型应力状态 σH＞ σh＞ σV ; 在千米深井， 主要为正断型应力状态 σV＞ σH＞ σh ; 介于两者之间主要为走滑型应力状态 σ H ＞ σ V ＞ σh 。 ③ 水平应力与垂直应力的比值 包括最大、 最小水平主应力与垂直应力的比 值; 平均水平主应力与垂直应力的比值; 最大水平主应力与最小水平主应力之差与垂直应力的比 值 ， 埋深越小， 这些比值离散性越大， 分布范围越广。随着埋深增加， 比值的离散性和范围越来越 小， 并逐渐趋于某一定值。④ 粉砂岩、 细砂岩、 泥质砂岩和泥岩 4 类岩性地应力数据统计结果表 明， 总体上， 岩石强度越高， 承受的水平应力越大。⑤ 弹性模量较大的岩石， 水平应力较高; 弹性模 量较低的松软破碎岩层， 水平应力较低。 关键词 煤矿井下; 地应力; 数据库; 分布规律 中图分类号 TD353文献标志码 A 文章编号 0253－9993 2019 01－0023－11 收稿日期 2018－11－22修回日期 2018－12－28 责任编辑 常琛 基金项目 国家重点研发计划资助项目 2017YFC0603003 作者简介 康红普 1965 ， 男， 山西五台人， 中国工程院院士。E－mail kanghp 163. com Database and characteristics of underground in- situ stress distribution in Chinese coal mines KANG Hongpu1， 2， 3， YI Bingding1， 2， 3， GAO Fuqiang1， 2， 3， L Huawen1， 2， 3 1．Coal Mining and Designing Branch， China Coal Research Institute， Beijing100013， China; 2．Coal Mining and Designing Department， Tiandi Science and Technology Co．， Ltd．， Beijing100013， China; 3．State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization， Beijing100013， China Abstract A total 1357 items of in- situ stress measurement data in Chinese underground coal mines were collected， which include the data obtained by hydraulic fracturing with small borehole applied by Mining Branch， China Coal Research Institute， and those from overcoring and hydraulic fracturing s by other companies and organiza- tions．The in- situ stress database of Chinese underground coal mines was established on the basis of those data， and the in-situ stress map for Chinese underground coal mines was drawn．The in- situ stress distribution features and its affect- ing factors were studied．The achievements are as follows ① the buried depth of measurement sites is an important fac- tor affecting the in- situ stresses in underground coal mines．In general， the vertical stress increases with depth， as some ChaoXing 煤炭学报 2019 年第 44 卷 discreteness of stress data exists．The maximum and minimum horizontal principal stresses also increase with depth， however， the discreteness of stress data is obviously greater than that of vertical stresses， and the increasing rate of hori- zontal stresses with depth is smaller than that of vertical stresses．② The stress regime is mainly thrust type σH ＞ σ h ＞ σV in shallow coal mine， and normal type σV ＞ σH＞ σh in coal mine with depth more than 1 000 m， while it is mainly slip type σH＞ σV＞ σh with depth in between．③ The ratios of horizontal stresses to vertical stresses， including those of maximum， minimum and average horizontal principal stresses to vertical stresses， the difference be- tween the maximum and minimum horizontal principal stresses to vertical stresses， distribute in a broad range with a greater discreteness when depth is shallow．As the depth increases， the discreteness of these ratios gradually decreases with a tendency to approach constant values．④ The stress statistical results of four strata with different lithology， that is siltstone， fine sandstone， mud sandstone and mudstone， point out that， in general， the larger the rock strength， the high- er the horizontal stresses the rocks bear．⑤ The rocks with higher elastic modulus bear larger horizontal stresses．How- ever， the soft and fractured rocks with lower elastic modulus bear less horizontal stresses． Key words underground coal mines; in- situ stresses; data base; distribution features; affecting factors 地应力数据是煤矿开拓部署、 巷道布置与支护设 计、 采煤方法与工艺选择、 矿山压力与岩层控制及冲 击地压等灾害防治的必备资料。为了获得比较准确、 可靠的地应力数据， 国内外发明了多种地应力测量方 法与仪器 ［1－3 ］。其中， 应力解除法与水压致裂法已广 泛应用于煤矿井下地应力测量。空心包体应变计是 最常用的应力解除仪器， 而煤炭科学研究总院开采研 究分院研发的小孔径水压致裂地应力测量装置在煤 矿井下得到大面积应用， 获得大量井下地应力实测数 据 ［4－7 ］。 在实测数据的基础上， 建立地应力数据库， 分析 地应力影响因素、 矿区地应力分布规律， 是地应力研 究的有效途径。在国外， STEPHANSSON 等根据瑞 典、 挪威和芬兰等国家积累的 100 多条地应力数 据 ［8 ］， 研究了水平主应力与埋深的关系， 得出了水平 应力随埋深呈分段增加的特点， 建立了芬诺斯坎迪亚 地应力数据库 ［9 ］。早在 1973 年， ARJING、 HERGET 等建立了加拿大地应力数据库 ［10 ］， 为采矿设计和矿 山稳定性评价提供了基础资料， 而且数据库可以进行 随时更新和补充。PAOLO 等汇总了意大利地应力测 量资料 ［11 ］， 并编制了意大利地应力地图。前苏联的 戈佐夫斯基建基于地应力实测数据及地震震源机制 分析， 建立了全国地应力数据库， 并绘制了构造应力 场分布图。1975 年， 包含 59 个应力解除法地应力数 据的第 1 张世界地应力地图发布。1992 年 ， “世界应 力地图项目” The World Stress Map Project 完成 ［12 ］， 建立了世界地应力数据库， 并一直维护和扩展至今。 2008 年发布的世界地应力数据库包含了全球范围内 的 21 750 个数据 ［13 ］。根据数据库绘制了世界应力 地图， 直观反映了全球应力场总体和区域构造应力场 分布特征 ［13 ］。 国内的相关科研院所根据不同行业的需求， 也开 发了各种类型的地应力数据库。景锋以大陆浅层地 应力测量数据为基础， 建立了中国大陆浅层地应力数 据库， 并研究了地应力场分布特征 ［14 ］。2006 年， 中 国地震局地壳应力研究所建立了中国大陆地壳应 力环境基础数据库 ［15 ］。该数据库包含了我国大陆 及邻区 6 类主要地壳应力数据， 数据可随时补充和更 新， 全社会共享。基于该数据库， 绘制了中国现代构 造应力场图， 并对构造应力进行了分区， 对研究我国 现代构造应力分布特征与规律有重要作用。杨树新 等对该数据库进行了补充， 并分析了中国大陆与各活 动地块、 南北地震带地应力场分布特征 ［16 ］。 在煤矿井下， 水压致裂法、 应力解除法等地应力 测量方法已经得到普遍应用， 地应力数据也逐步应用 于煤矿开采与岩层控制领域。但是， 目前煤矿井下地 应力数据还比较零散， 大多是针对局部煤矿区域的测 试与研究成果， 缺乏全国范围的地应力数据库， 及对 全国煤矿井下地应力分布特征与规律的深入研究。 为解决这一突出问题， 笔者以煤炭科学研究总院开采 研究分院近 20 a 来采用煤矿井下小孔径水压致裂地 应力测量装置获得的地应力数据为核心， 兼顾其他学 者获得的应力解除法 ［17－25 ］、 水压致裂法［26－27 ］地应力 测量数据， 收集应力解除数据 406 条， 水压致裂数据 951 条， 共计 1 357 条煤矿地应力数据。在此基础上 建立 “中国煤矿井下地应力数据库” ， 绘制分区煤矿 地应力图和中国煤矿矿区地应力图。同时， 采用理论 分析和数理统计方法研究我国煤矿井下地应力分布 规律和主要影响因素 ［28 ］。 1煤矿井下地应力数据收集与处理 42 ChaoXing 第 1 期康红普等 中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律 1. 1地应力数据来源 地应力数据库的数据来自 2 个方面 ① 煤炭科 学研究总院开采研究分院 712 个测点的水力压裂测 量数据， 所占比例为 57. 5; ② 从高校和科研院所研 究生论文、 地质力学测试报告、 国内相关领域的重要 期刊中收集的数据， 包括煤矿井下应力解除地应力测 量数据 406 条， 地面钻孔水压致裂地应力测量数据 171 条。应力解除数据所占比例为 29. 9， 地面钻孔 水压致裂数据所占比例为 12. 6。 小孔径水压致裂数据来至山西潞安、 晋城、 阳泉、 大同、 西山、 汾西、 霍州等矿区， 安徽淮南、 山东新汶、 河南平顶山和义马、 甘肃华亭、 宁夏宁煤、 新疆哈密、 内蒙平庄等矿区及鄂尔多斯、 榆林地区的部分煤矿。 获得的地应力数据中， 除晋城寺河矿进行过 2 个点的 三维地应力测量外， 其余均为采用传统水压致裂方法 的平面应力测量数据。数据按测点存储， 包括测点位 置、 深度、 钻孔深度、 最大和最小水平主应力值、 印模 结果、 岩性， 部分数据也给出了测试段岩石的基本力 学参数。 地面钻孔水压致裂数据来至于中国矿业大学、 北 京科技大学等高校和中国地质科学院、 中国科学院等 科研单位发表的地应力测试报告、 学位论文、 会议及 期刊论文。水压致裂数据分测段存储， 同一钻孔的每 一测段数据包括测段深度、 岩性、 两个水平主应力值、 印模结果等， 部分数据也包括测试段岩石力学参数， 如弹性模量和泊松比等。 应力解除数据中， 302 条数据来自中国矿业大 学、 北京科技大学、 辽宁工程技术大学、 山东科技大学 等高校及中国科学院、 中国地质科学院等科研机构的 测试报告和论文; 104 条数据从研究生学位论文中获 得。地应力测量地点主要集中在安徽淮南、 山东兖 州、 江苏大屯、 河南平顶山、 河北开滦及山西大同矿区 等。应力解除绝大多数为单钻孔全应力测量， 测量仪 器均为空心包体应变计。数据包含测点深度、 钻孔倾 角和方位、 3 个主应力值和倾角及方位值， 部分测点 有岩石弹性模量、 泊松比和抗压强度等力学参数。 本文建立的煤矿井下地应力数据库中， 包括 60 余个矿区的 260 余个煤矿的数据， 覆盖了全国主要煤 矿区。矿区地理纬度为 26. 55N ～ 49. 25N， 地理经 度为 84. 24E ～ 131. 34E。本文所搜集的煤矿地应 力测点埋深最小为 38. 8 m， 最大为1 283 m， 包含了 浅部、 中深部、 深部及超千米深井各个埋深的数据。 1. 2地应力数据处理 地应力数据库数据来自应力解除法和水压致裂 法。这 2 种方法测量原理不同， 获得的地应力数据有 二维、 三维 2 种。为了统一分析与比较， 需进行转换。 传统的水压致裂法得到的是平面应力， 采用垂直 钻孔， 可测出水平面内的两个水平主应力及最大水平 主应力方向， 垂直应力根据测点上覆岩层的重量估 算。单钻孔空心包体应力解除全应力测量法可得到 测点处三维应力的 9 个量 3 个主应力值、 方位和倾 角。本文采用弹性力学中的应力转换公式， 将三维应 力数据转换为水平面和垂直面方向的应力， 以便将 2 种数据一起进行统计分析。 在收集到的地应力数据中， 并不是所有数据都是 有效的， 需对异常数据进行筛选和剔除。首先删除测 点深度、 主应力大小与方向不完整的数据。对于二维 应力， 直接采用测得的最大和最小水平主应力进行分 析; 对于三维应力， 通过应力转换公式得到二维数据， 并计算 3 个主应力的交角。设定交角偏差允许误差 范围为10， 剔除 3 个主应力交角在 9010范围外 的数据。 部分地应力测点位于采煤工作面或巷道开挖引 起的采动应力影响范围。本文主要研究煤矿井下原 岩应力分布规律， 因此需要删除受采动应力影响测点 的数据。采用的方法是对地应力数据进行散点分布 统计， 标记离散性大的测点， 分析判断测点是否受到 采动影响。对于受到采动影响的地应力数据予以剔 除， 尽量减少离散性大的数据对于统计回归分析结果 的影响。 2中国煤矿井下地应力数据库的建立 2. 1数据库的建立 数据库基于 Windows 平台开发， 采用关联数据库 管理系统 MySQL 管理数据， 这样可以将数据保存在 不同的表中， 提高了数据存储和读取的速度与灵活 性， 实现海量数据详细查询及筛选功能。地应力数据 库采用 Java 语言在 spring MVCMybatis 框架下编程 实现。数据库具有以下特点 1 界面友好， 操作简单， 可进行多种条件 矿区 名、 矿名、 埋深和应力测量方法等 的单一或复合查 询， 并将所查询的地应力数据以地应力地图形式进行 可视化输出。 2 数据库以满足行业需求、 实现社会资源共享 为原则， 所有数据均可免费、 无条件下载。 3 提供数据上传接口， 鼓励上传新的煤矿地应 力数据。上传数据经过数据库管理人员审核无误后， 纳入到中国煤矿地应力数据库。此外， 数据库开发管 理部门煤炭科学研究总院开采研究分院会定期上传 新获取的煤矿地应力数据。 52 ChaoXing 煤炭学报 2019 年第 44 卷 2. 2地应力资料入库方式及地应力地图绘制 数据库系统展示及地应力地图绘制需要将不同 的测量方法获取地应力资料进行统一的编辑、 存储和 展示。 地应力数据按 3 个表进行存储， 字典表、 矿区矿 名表和地应力数据表。字典表存放地应力的采集方 式， 即应力解除法或水压致裂法。矿区矿名表存放地 应力测点位置信息， 包括矿区名、 矿名、 矿区中心或测 点的经纬度。地应力数据表存储地应力信息， 包括矿 区名关联 ID、 矿名关联 ID、 测点位置、 埋深、 钻孔深 度、 测点岩性、 采集方式关联 ID、 地应力类型 即正断 型、 走滑断层和逆断层以及不确定类型 。地应力数 据在地应力地图的展示方式根据测量方法不同分别 处理。 1 水压致裂地应力数据。将对应参数信息 矿 名、 埋深、 测点位置、 最大和最小水平主应力、 垂直应 力等 导入地图， 根据最大水平主应力的大小和方向 在地图上采用中部设置实体三角符号的矢量箭头线 段来标识， 线段的长度与最大水平主应力值相关， 箭 头矢量方向为最大水平主应力方向， 不同地应力类型 采用不同的线段颜色进行区分， 红色为正断层应力状 态， 亮绿色为滑移断层应力状态， 蓝色为逆断层应力 状态， 黑色为应力类型不确定状态。 2 应力解除地应力数据。在导入地图前， 先 判断一组数据中 3 个主应力是否有倾角大于 60 的， 若无， 则对 3 个主应力值大小进行排序， 选择最 大值并根据其值和倾向角在地图上采用中部设置 空心圆符号的矢量箭头线段来标识， 线段的长度与 最大主应力值相关， 箭头矢量方向为最大主应力倾 向方向; 如果有倾角大于 60的主应力， 将该主应力 作为垂直应力， 将其余两个主应力中的大值作为显 示数据在地应力地图上标识。与水压致裂地应力 数据展示方式相同， 不同的应力类型采用不同的颜 色来区分。 地应力地图是数据库可视化性能的体现， 为了地 应力地图显示的美观性和直观性， 对地应力数据进行 了如下处理 1 矿名坐标的离散化。很多地应力数据的测 点具体的经纬度信息缺失， 只能根据矿区或者具体测 试煤矿的位置在地图上显示， 但是由于地图分辨率的 限制， 只能显示到乡镇一级， 有些煤矿测点多达 20 组， 全部显示在一个经纬度上会使得地应力在地图上 显示混乱， 直观性差。为了解决这个问题， 将部分煤 矿的经纬度进行合理离散化， 使大量的地应力测点均 匀的散落在一定范围内。 2 地应力线段长度的优化。我国煤矿矿区地 应力数据测点埋深分布广， 从近地表到地下 1 400 m， 最大主地应力值差别很大。如果线段长度和最大主 应力值成正比， 线段长度离散性特别大， 影响地图显 示效果。为了解决这个问题， 将线段的长度与最大主 应力值直接的关系进行了算法优化， 在保证与地应力 值成一定的函数关系的基础上， 线段长度在一定范围 内变化， 不至于线段太长或太短影响地应力地图的美 观。 3 地图的绘制及展示 地应力数据库的访问以 网页的形式进行， 数据的查询、 地应力地图的绘制和 展示、 数据的上传和下载都在网页上进行， 具有方便 快捷、 性能优越的特点。 2. 3数据库框架及地应力地图 “中国煤矿地应力数据库” 为我国煤炭行业提供 了一个开源的公共服务平台， 实现了煤矿地应力数据 的多种条件查询、 展示、 分析、 下载及上传。数据库系 统框架包括 5 个部分 管理模块、 检索查询模块、 输出 模块、 煤矿分区地图模块及系统辅助模块， 如图 1 所 示。根据数据库绘制的煤矿井下地应力分布如图 2 所示。 图 1煤矿井下地应力数据库系统的框架 Fig. 1Framework of database system for in- situ stresses in underground coal mines 3煤矿井下地应力分布规律 3. 1地应力值随埋深的变化规律 3. 1. 1垂直应力随埋深的变化规律 传统水压致裂平面测量的垂直应力由测点上覆 岩层重量估算， 在此不做分析。笔者选取 226 组三维 应力解除数据， 并采用应力转化公式将三维应力转换 成水平、 垂直方向的应力值， 在此基础上对垂直应力 进行统计分析。考虑到地形地貌对浅部测点应力影 响较大， 埋深小于 100 m 的测点不予考虑。垂直应力 与埋深关系的分布如图 3 所示。可见， 垂直应力有一 62 ChaoXing 第 1 期康红普等 中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律 定的离散性， 但总体随埋深增加而不断增大。对数据 进行线性回归， 得到煤矿井下垂直应力随埋深变化的 回归公式 相关系数 R20. 82 σV 0. 024 5H 1 式中， H 为埋深， m; σV为垂直应力， MPa。 图 2中国煤矿矿区地应力地图 Fig. 2Stress map of coal mining area in China 图 3煤矿井下垂直应力随埋深的变化规律 Fig. 3Distribution of vertical stress with depth in underground coal mine 上覆岩石容重大多在 0. 025～0. 033 MN/m3范围 内， 平均容重为 0. 027 MN/m3。式 1 中的垂直应力 系数相比平均容重较小， 可能与煤矿覆盖层不仅有岩 层而且有松散层有关。 3. 1. 2水平应力随埋深的变化规律 最大、 最小水平主应力随埋深的变化规律如图 4 所示。对应力数据进行线性回归， 得出最大、 最小水 平主应力随埋深变化的回归公式 σH 0. 021 5H 3. 267 σh 0. 011 3H 1. 954 { 2 式中， σH ， σ h分别为最大、 最小水平主应力， MPa。 从图 4 可看出， 最大、 最小水平主应力离散性很 大， 明显大于垂直应力的离散性， 但总体上有随测点 埋深增加而增大的趋势。 从线性回归公式 2 可看出， 2 个表达式中均有 一个系数和一个常数项。系数表示水平应力随埋深 图 4煤矿井下地应力随埋深的变化规律 Fig. 4Distribution of in- situ stress with depth in underground coal mine 变化的程度， 常数项表明在地壳浅部仍存在比较大的 水平应力。最大、 最小水平应力回归系数分别为 0. 021 5， 0. 011 3， 两者均小于垂直应力的系数 0. 024 5， 说明总体上水平应力随埋深增加的速度没有垂直 应力大。随着埋深增大， σH ， σ h和 σV的大小关系将 发生改变， 图 4 中回归直线的交点即为主应力转换 点。在浅部 埋深＜150 m ， 地应力类型为 σH＞ σh ＞ σV， 为逆断型应力状态; 在千米深井， 地应力类型 为 σV＞ σH＞ σh， 为正断型应力状态; 介于两者之间 的地应力类型为 σH＞ σV＞ σh， 为走滑型应力状态。 总体上， 我国煤矿井下 1 000 m 深度以浅， 地应力状 态以水平应力为主; 埋深在 1 000 m 以下， 地应力状 态转变为以垂直应力为主。 3. 1. 3水平应力与垂直应力比值随埋深变化规律 水平、 垂直应力比值有多种形式， 包括侧压系数， 72 ChaoXing 煤炭学报 2019 年第 44 卷 即最大水平主应力与垂直应力的比值， 最小水平主应 力与垂直应力的比值; 两个水平主应力的平均值与垂 直应力的比值; 两个水平主应力之差与垂直应力的比 值。这些比值能从不同角度反映井下地应力状态及 分布特征。 图 5 为 2 个水平主应力平均值与垂直应力的比 值与埋深关系的散点图， 及通过回归分析得到的拟合 曲线。对最大、 最小、 平均水平主应力与垂直应力比 值的回归公式为 KH 160. 35 H 0. 801 Kav 129. 58 H 0. 606 Kh 99. 86 H 0. 405          3 式中， KH， Kav， Kh分别为最大、 平均、 最小水平主应力 与垂直应力的比值。 图 5水平应力与垂直应力比值随埋深的变化 Fig. 5Ratio of horizontal stresses to vertical stresses vs depth 从图5、 式 3 可看出， KH， Kav， Kh与埋深的关系曲 线， 曲率不断变大， 常数项逐渐变小。曲率越小， 曲线 越靠近坐标轴。3 个比值在浅部分布范围越广， 离散 性越大。随着埋深增加， 离散性变小， 比值趋于稳定。 与 Hoek－Brown 世界范围内 ［29 ］和中国大陆［30 ］ Kav变化曲线相比， 煤矿 Kav曲线变化趋势没有明显差 别。在浅部 Kav分布十分离散， 而且埋深越浅， 比值 越大， 最大值达 4. 2。这主要是因为埋深越浅， 地形 地貌、 地表剥蚀等因素对井下地应力的影响越大。导 致水平应力在浅部大于垂直应力， 而且数据离散。随 着走向深部，Kav的变化范围越来越小， 并逐渐趋向 于定值。 KH， Kh与埋深的关系见表 1。 KH主要集中在 0. 46 ～ 5. 00， 0. 5 ～ 2. 0 的接近 90， KH＞1 的测点达 80， 表明绝大部分情况下最 大水平主应力大于垂直应力。浅部 KH数值大且离散 性高; 随着向深部发展， KH值离散性变小， 数值趋于 收敛。埋深增加到 1 000 m 时， KH为 0. 97， 最大水平 主应力与垂直应力达到很接近的程度。 表 1KH与 Kh与埋深的关系 Table 1Relation of KHand Khwith depth 分布范围 KH 测点数/比例Kh 测点数/比例 备注 ＜1231/20. 3857/75. 3 1～2779/68. 4276/24. 3 2～3117/10. 34/0. 3 3～49/0. 81/0. 1 Kh最大值为 3. 1 ＞42/0. 2KH最大值为 5 Kh中的 90集中在 0. 3～1. 5， Kh＜ 1 的测点接 近 80， 表明绝大部分情况下最小水平主应力小于 垂直应力。与 KH的分布相比规律基本一致， 浅部 Kh 离散性大、 数值大， 深部离散范围小、 数值小。但与 KH比较， 无论离散范围和数值均较小。当埋深为 1 000 m时， Kh为 0. 5。当埋深较浅时， 最小水平主应 力大于垂直应力。随着向深部发展， 最小水平主应力 逐渐低于垂直应力， 且差值越来越大。 3. 1. 4最大与最小主应力差同垂直应力比值随埋深 的变化 最大与最小主应力差决定了岩体中剪应力的大小， 主应力差与垂直应力比值同埋深的关系如图6 所示。 图 6最大与最小主应力差与垂直应力比值随埋深的变化 Fig. 6Ratio of difference between maximum and minimum principal stresses to vertical principal stress vs depth 剪切破坏是岩体破坏的一种常见形式。最大与 最小主应力差同垂直应力比值 KH－h越大， 岩体剪应 力越高， 破坏的可能性越大。所有测点中， KH－h最大 值为 4. 31; 最小值为 0. 04。 KH－h＜0. 5 有 274 个测点， 占测点总数的 24; 0. 5 ＜ KH－h＜ 1 的测点有 711 个， 占 63， 其中有 531 个测点 0. 5 ＜ KH－h＜ 0. 75; 有 149 个测点 1 ＜ KH－h＜ 2， 占 14。一般情况下， 在浅部 KH－h离散性大。随着向深部发展，KH－h 离散 性变小， 趋近于某一常数。 3. 1. 5最大剪应力与埋深的关系 最大剪应力为最大和最小主应力之差的 1/2， 其 与埋深的关系如图 7 所示， 数据回归得到最大剪应力 与埋深关系的表达式为 82 ChaoXing 第 1 期康红普等 中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律 τm σ1－σ3 2 0. 006 1H 0. 71 4 从图 7 可看出， 最大剪应力总体上随着埋深增加 而不断增大， 但存在明显的离散性， 且随着埋深增加， 离散性有逐渐变大的趋势。出现这种现象的原因可 能是深部矿井地应力测试点较少， 数据量不大， 以及 深部矿井的测点主要集中在不多的几个矿区， 而这些 矿区受地质构造的影响比较大。 3. 2岩性对地应力分布的影响 煤岩体是地应力的载体， 岩性及力学性质与其承 受的地应力密切相关 ［31 ］。泥岩、 粉砂岩、 砂岩及石灰 岩是煤层顶、 底板中常见的岩石类型。为此， 选择典 型的煤层顶板岩层地应力数据， 分析不同岩性对地应 力的影响。在统计的 1 357 条实测地应力数据中， 选 图 7剪应力与埋深的关系 Fig. 7Relation between shear stresses and depth 取 42 组粉砂岩、 136 组细砂岩、 99 组泥质砂岩和 90 组泥岩地应力数据， 绘制4 组岩性的 KH， Kh， Kτ 最大 剪应力与垂直应力的比值 ，Kav与埋深关系的散点 图， 并进行线性回归， 如图 8～10 所示。回归公式见 表 2。 图 8不同岩性最大和最小水平主应力随埋深变化规律 Fig. 8Variation law of the maximum and minimum horizontal principal stresses with the depth of four groups 对于 KH， Kh， 埋深 H 的系数按泥岩、 泥质砂岩细 砂岩、 粉砂岩依次增大， 且变化梯度逐渐变大; 常数项 呈减小趋势。数据的离散性较大， 主要原因是地应力 测点以中、 浅部矿井居多， 特别是接近地表的测点数 据离散性更大。但整体的趋势与煤层顶板 4 类岩性 的抗压强度 一般细砂岩、 粉砂岩的强度较高， 而泥 质砂岩和泥岩的强度较低 有较好的对应性。 4 种岩性 Kav与埋深关系曲线的曲率大小为 细 砂岩＞泥质砂岩＞粉砂岩＞泥岩， 常数项也按此排序逐 渐减小。在接近地表时， Kav大小为 细砂岩＞泥质砂 岩＞粉砂岩＞泥岩; 随着向深部发展， 4 种岩性的比值 发生了转变。当埋深达到一定值时， 比值趋于定值。 最大水平剪应力总体上随埋深增加而不断增大。 接近地表的浅部测点剪应力大小依次为 泥岩＞泥质 砂岩＞细砂岩＞粉砂岩; 随着向深部发展， 4 种岩性剪 应力变化幅度不同， 剪应力增加量依次为 粉砂岩＞ 细砂岩＞泥质砂岩＞泥岩， 剪应力增加最快的是粉砂 岩， 而泥岩增加最慢。当 H＞500 m 后， 剪应力大小顺 92 ChaoXing 煤炭学报 2019 年第 44 卷 图 9不同岩性平均水平主应力与垂直应力比值随埋深变化 Fig. 9Ratio of horizontal stresses to vertical stresses vs depth for various lithology 图 10不同岩性剪应力随埋深的变化 Fig. 10Shear stresses vs depth for various lithology 序变为 粉砂岩＞细砂岩＞泥质砂岩＞泥岩。 3. 3岩石弹性模量对地应力分布的影响 弹性模量体现岩层的刚度， 是影响岩层地应力的 重要参数。已有的研究成果得出 岩石强度和刚度不 同， 会导致岩层中地应力分布存在很大差别， 同时在 岩层交界面处会产生应力突变。一般情况下， 岩层弹 性模量越高， 越容易积累能量， 岩层中的水平应力越 高。而对于松软破碎岩层， 其弹性模量小、 积聚的能 量低， 因此承受的水平应力也较小。 在数据库中， 部分测点包含弹性模量、 泊松比数 据， 将离散性大的测点数据剔除， 共收集 77 组数据， 几乎全部来自应力解除法， 测点最浅为 106 m， 最深 为 1 040 m。采用多元线性回归方法研究最大、 最小 水平主应力及垂直应力与测点埋深、 岩石弹性模量的 关系， 并分析剪应力和最大主应力差的变化规律。 3. 3. 1最大、 最小水平主应力和垂直应力与埋深和 弹性模量的关系 采用 3 种多元回归模型建立地应力与埋深和弹 性模量的关系， 见表 3， 其中， a， b， c， d 为待定的回归 系数。 表 2不同岩性地应力回归公式 Table 2Regression equations of in- situ stresses for various lithology 岩性σH ， σ h Kav τ 粉砂岩 σH 0. 027H