冯友良1，何 杰1，席国军2，王 飞2，窦桂东2，武龙云1
(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西省咸阳市，712000)
摘 要 为探究彬长矿区深部冲击地压矿井地应力分布规律，采用水压致裂法和应力解除法在6座代表性煤矿的28个测点开展地应力测试并对测量结果进行深入分析。结果表明，研究区域垂直主应力一般比最大水平主应力要小，水平应力占地应力主要部分，构造应力场特征显著；无低地应力场区，中、高及超高地应力场区均有分布，以高及超高地应力场区为主。文家坡煤矿、胡家河煤矿及雅店煤矿最大水平主应力方向集中在NE，大佛寺煤矿、孟村煤矿和小庄煤矿最大水平主应力方向集中在NW。基于最大水平主应力方向与彬长矿区矿井开拓(准备)大巷、回采巷道轴向间夹角，分析了地应力对巷道稳定性的影响。水平主应力总体上与埋深呈正相关关系，最小水平主应力与埋深相关性相较最大水平主应力要差；侧压比位于0.98～2.25范围且主要集中在1～2，只有1个测点小于1，随着埋深增加，侧压比整体逐渐增加，但离散性加强；随着埋深增加，最大、最小主应力相对差值有增大趋势，水平主应力差比在0.5上下波动，矿井不同开采水平水平主应力差均较大。
关键词 冲击地压；水压致裂法；应力解除法；原岩应力；彬长矿区
煤岩体的内部存在一定大小和方向的应力场，具有极其复杂的地质属性。原岩应力场、采动应力场及支护应力场构成了围岩的应力环境，控制着其变形与破坏[1-4]。因此，当开展相关的岩体力学研究、采掘工程设计与施工时，掌握地应力分布规律是基础。
目前，煤矿巷道围岩地应力测试主要有水压致裂、应力解除及应力恢复等方法[5]。康红普团队[6-10]利用自研小孔径水压致裂地应力测量装置在多个矿区开展了大量的井下实测，同时收集他人及采用应力解除法等获得煤矿原岩应力结果，编制了“我国井工煤矿地应力数据库”，绘制了中国煤矿矿区地应力分布图，研究了地应力场分布特征及其主要的影响因素；姚强岭等[11]开发了一套包括岩石钻孔成像，弹模、强度、剪切测试及水压致裂原位地应力测试装置在内的煤岩体地质力学参数原位测试系统，在部分煤矿进行了应用，准确、快速、便捷、低成本地获取了煤岩体地质力学参数；蔡美峰团队[12-15]改进传统应力解除法，在我国多个煤矿及金属矿区进行地应力测量，揭示了地应力分布特征，分析了影响因素，指导了有关工程实践；刘泉声团队[16-17]为解决深部煤矿围岩大多软弱破碎，传统地应力测试方法难以成功实施的难题，采用基于流变应力恢复理论的三维测试系统，获取了部分矿井深部软弱破碎围岩地应力数据，满足了深部软岩采掘工程需要。当前，水压致裂法因适应煤矿复杂多变采掘环境及操作便捷等优点得到行业普遍应用，其测试结果也占据已知地应力数据的绝大多数。
地应力主要受埋深及构造影响，褶曲构造和厚硬顶板岩层是彬长矿区冲击地压发生的主控因素，同时，埋深越大，冲击地压发生的可能性也越大[18-20]。因此，研究彬长矿区冲击地压矿井地应力分布规律，绘制地应力总体分布图，能够为各矿井开拓、采掘布置及冲击地压防治等提供基本应力指导。
彬长矿区位于黄陇侏罗纪煤田，矿井多为埋深较大的冲击地压矿井，现阶段主采4号煤层，具有普氏系数大、深埋和厚度不均匀、瓦斯含量大，以及存在坚硬且富含裂隙水顶板的特点。煤层顶板主要由粗、中粒砂岩及含砾粗砂岩组成。彬长矿区冲击地压矿井地质及开采条件见表1。从区域构造看，彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部的渭北隆起北缘的彬县-黄陵坳褶带，基本构造特征是中生界构成的北-西缓倾的单斜构造，部分宽缓且间断的次级褶皱构造在此展布。矿区内分布有麟游背斜、路家-小灵台背斜、七里铺-西坡背斜、大佛寺向斜、孟村向斜等5组褶曲，两翼多不对称，南缓北陡。彬长矿区褶曲构造分布如图1所示。地表未发现断层，部分矿井可见少量小断层[21]。
图1 彬长矿区褶曲构造分布
表1 彬长矿区冲击地压矿井地质及开采条件
矿井名称煤层煤层埋深/m煤层厚度/m顶板岩层底板岩层层间距/m煤层倾角/(°)煤层冲击倾向性顶板冲击倾向性煤层冲击危险性大佛寺煤矿4上号326～7292.88砂岩、泥岩4号450～65011.65砂岩、泥岩泥岩17.053～5弱弱弱胡家河煤矿4号578～79015.00砂岩、泥岩泥岩0～9强弱强孟村煤矿4号400～90016.25砂岩、泥岩泥岩1～8强弱强小庄煤矿4号350～85018.01砂岩、泥岩泥岩0～8弱弱中等文家坡煤矿4号550～80911.71砂岩、泥岩泥岩0～7弱弱中等雅店煤矿1号497～8922.21砂岩、泥岩4号472～88612.07砂岩、泥岩泥岩16.01～93.175弱弱中等矿井名称煤层回采工艺底煤薄厚瓦斯等级开拓方式构造发育程度冲击地压主控因素冲击地压辅助因素大佛寺煤矿4上号综采薄底煤4号综放薄底煤高瓦斯矿井斜井、立井单水平开拓局部断层构造局部顶板坚硬、断层构造、宽煤柱较大采深、局部巷道密集、煤厚变化、局部厚煤胡家河煤矿4号综放厚底煤高瓦斯矿井立井单水平开拓复杂构造坚硬顶板、复杂构造、宽煤柱大采深、局部巷道密集、大巷煤柱、厚底煤孟村煤矿4号综放厚底煤高瓦斯矿井立井开拓复杂构造坚硬顶板、复杂构造、宽煤柱大采深、局部巷道密集、大巷煤柱、厚底煤小庄煤矿4号综放厚底煤高瓦斯矿井立井开拓局部复杂构造坚硬顶板、区段宽煤柱大采深、煤厚变化、局部巷道密集、局部地质构造、厚底煤文家坡煤矿4号综放薄底煤低瓦斯矿井立井开拓局部复杂构造坚硬顶板、宽煤柱大采深、煤厚变化、局部巷道密集、局部地质构造雅店煤矿1号综采无底煤4号综放1～4 m低瓦斯矿井立井单水平开拓复杂构造坚硬顶板、复杂构造、宽煤柱大采深、孤岛大煤柱、局部巷道密集、4号煤层厚底煤
通过水压致裂法和应力解除法完成彬长矿区文家坡煤矿、大佛寺煤矿、孟村煤矿、胡家河煤矿、小庄煤矿及雅店煤矿6座矿井28个测点的地应力数据原位测试。对所得全部结果汇总，见表2。
表2 彬长矿区地应力测量结果
序号测点H/mσv/MPaσH/MPaσh/MPa最大水平主应力方向(方位角/(°))矿井14107回风巷里程150 m588.514.7114.448.45N33.0°E24107运输巷里程500 m582.214.5621.3411.66N30.8°E342盘区1号回风巷里程2 400 m601.315.0322.7012.15N24.6°E442盘区辅助运输巷里程2 650 m601.715.0426.7214.00N46.7°E文家坡煤矿54上号煤层西部4号联巷379.09.7321.8717.3035.436412采区南翼1号预抽巷3号钻场558.014.1024.8219.40-7.1174034上02回风巷1号钻场545.013.8323.7717.94350.4384034上11回风巷外围系统548.013.9723.9814.47-5.43大佛寺煤矿9中央二号辅运大巷层位调整距DF29断层以西20 m处727.018.8134.8619.57137.8810中央二号辅运大巷层位调整距DF29断层以东80 m处737.018.4933.4318.95141.2011401盘区辅助运输巷里程740 m676.017.5732.5817.66194.3612403盘区一号回风巷里程2 610 m645.016.4130.6017.51150.88孟村煤矿13上仓2号检修通道口420.19.6018.048.78255.3014中央1号回风大巷(102回风巷开口向东310 m)636.915.8229.1513.25247.6015中央2号回风大巷(103工作面1号联巷向西80 m)626.215.3533.878.36239.80胡家河煤矿1640303工作面回风巷900 m处632.016.0430.1718.34333.271740303工作面运输巷850 m处632.016.2829.6316.86354.8118主辅运大巷九联巷处611.012.5721.2311.38351.231940302回风巷距离40302设备硐室272 m处677.016.3630.0816.15338.002040302运输巷距离40302设备硐室275 m处676.016.5529.7016.06344.00小庄煤矿211409运输巷里程500 m608.315.2126.1013.84N22.3°E221101泄水巷里程180 m525.713.1417.659.28N17.1°E231101泄水巷里程320 m546.513.6618.7610.11N31.8°E241102回风巷里程180 m622.615.5721.7513.32N26.8°E25ZC1101回风巷风门口483.011.2812.359.76245.7326井底车场回风通道风门口482.011.8213.957.42242.28274号煤层总回大巷强排孔附近464.010.8212.836.10250.64281号煤层辅运下山变电所口600.014.6315.898.45252.50雅店煤矿
注：H表示测点深度，σv表示垂直主应力，σH表示最大水平主应力，σh表示最小水平主应力。
分别对地应力场类型、量级、水平主应力方向、最大水平应力、最小水平应力、平均水平主应力、主应力差、侧压比与深度关系等测量数据进行深入分析，发现地应力分布呈现如下规律性。
依据垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力的大小，将28个测点归为3类地应力场：第一种为垂直应力主导型(σv>σH>σh)，共计1个测点，测点深度588.5 m，占测点总数3.57%；第二种为最小水平主应力为中间主应力的构造应力主导应力场(σH>σh>σv)，共计12个测点，测点深度在379～737 m之间，占测点总数42.86%；第三种为垂直主应力为中间主应力的构造应力主导应力场(σH>σv>σh)，共计15个测点，占测点总数53.57%，测点深度在420.1～636.9 m之间。彬长矿区地应力场类型如图2所示。
图2 彬长矿区地应力场类型
对表2所列28个测点的最大和最小水平应力进行矢量标定，制作出彬长矿区地应力场类型如图3所示。总体而言，彬长矿区开采区域垂直主应力一般比最大水平主应力要小，水平应力占地应力主要部分，构造应力场特征显著。
图3 彬长矿区地应力分布
注：红色虚线箭头表示最大水平主应力，绿色实线箭头表示最小水平主应力；箭头的长短表示水平水平主应力的大小，箭头的方向表示水平主应力的方向。
由表2中数据可知，彬长矿区测试区域最大水平主应力为12.35～34.86 MPa；12～18 MPa之间的测点有6个，占比21%；18 ～30 MPa的测点有15个，占比54%；高于30 MPa的测点有7个，占比25%；最大水平主应力值出现在孟村煤矿中央二号辅运大巷层位调整距DF29断层以西20 m处，埋深727 m。依据有关评价指标[4]，研究区域无低地应力场区，中、高及超高地应力场区均有分布，以高及超高地应力场区为主；文家坡煤矿以高应力区为主，只有1个测点属中等应力区；大佛寺煤矿均为高应力区；孟村煤矿均为超高应力区；胡家河煤矿以高应力区为主，其中1个测点属超高应力区；小庄煤矿以高应力区为主，其中2个测点属超高应力区；雅店煤矿以中等应力区为主，8个测点只有3个属高应力区。彬长矿区地应力量级如图4所示。
图4 彬长矿区地应力量级
依据彬长矿区矿井水平主应力实测结果，绘制最大水平主应力向量图，如图5所示。文家坡煤矿4个测点最大水平主应力方向集中在N(24.6°～46.7°)E，方向性明显；大佛寺煤矿4个测点最大水平主应力方向1个为N35.43°E，3个分布于N(5.43°～9.57°)W；孟村煤矿4个测点最大水平主应力方向1个为N14.36°E，3个分布于N(29.12°～42.12°)W；胡家河煤矿3个测点最大水平主应力方向分布于N(59.8°～75.3°)E；小庄煤矿5个测点最大水平主应力方向集中在N(5.19°～26.73°)W；雅店煤矿8个测点最大水平主应力方向集中在N(17.1°～72.5°)E。
图5 彬长矿区最大水平主应力向量图
有关学者研究得出，巷道走向与最大主应力方向平行时，地应力对巷道的稳定性影响轻微，正交时影响剧烈[22]。因此，分析最大水平主应力方向与彬长矿区矿井开拓(准备)大巷、回采巷道轴向间夹角对于优化巷道支护方案及今后选择巷道布置方向具有重要的指导意义。最大水平主应力与矿井巷道轴向间夹角如图6所示。
图6 最大水平主应力与矿井巷道轴向间夹角
由图6可知，文家坡煤矿最大水平主应力方向与中央大巷，41、42盘区回采巷道轴向方向夹角为36°，受构造应力影响较小；与41、42盘区准备巷道轴线方向夹角为54°，受构造应力影响相对较大。大佛寺煤矿最大水平主应力方向与4上号煤层、4号煤层大巷、401采区南部、402采区、403采区、411采区(4上号煤层)、412采区(4上号煤层)回采巷道轴线方向夹角为15°，受构造应力影响较小；与4号煤层西翼大巷，4上号煤层、4号煤层西部大巷、411采区(4上号煤层)北部、401采区北部回采巷道轴线方向夹角为75°，受构造应力影响较大。孟村煤矿最大水平主应力方向与401盘区准备巷道、403盘区准备巷道轴向方向夹角为8°，受构造应力影响较小；与中央大巷、401盘区回采巷道、403盘区回采巷道轴线方向夹角为82°，受构造应力影响相对较大。胡家河煤矿最大水平主应力方向与北西大巷、401盘区准备巷道、401盘区回采巷道(西)、402盘区回采巷道、403盘区回采巷道轴向方向夹角为68°，受构造应力影响较大；与中央大巷、401盘区回采巷道(东)、403盘区准备巷道轴线方向夹角为22°，受构造应力影响相对较小。小庄煤矿最大水平主应力方向与中央大巷(二、三盘区)轴向方向夹角为16°，受构造应力影响较小；与回采巷道(二、三盘区)、东部大巷轴线方向夹角为74°，受构造应力影响相对较大；与中央大巷(一盘区)轴线方向夹角为7°，受构造应力影响相对较小。
依据表2数据，制作的彬长矿区不同埋深地应力数据如图7所示。
图7 彬长矿区不同埋深地应力数据
利用最小二乘法处理表2数据，可得不同埋深下水平主应力和垂直应力：
(1)
由图7可知，水平主应力总体上与埋深呈正相关关系，表明水平构造运动在彬长矿区占据优势地位。当R2越小，代表水平主应力同埋深线性相关性不佳，也说明整体数据离散性较强。
最大水平主应力与垂直应力之比(σH/σv)定义为最大侧压比。最大侧压比-埋深散点如图8所示。
图8 最大侧压比-埋深散点
由图8可知，彬长矿区矿井侧压比处于0.98～2.25，28个测点里，最大侧压比2.25，在埋深379 m处；最小侧压比0.98，在埋深588.5 m处。随着埋深增加，侧压比整体逐渐增加，但离散性加强。侧压比随着埋深增加规律性变差，表明深部测点原岩应力状态复杂。各测点最大侧压比分布如图9所示。
图9 各测点最大侧压比分布
由图9可知，27个测点最大侧压比超过1，占到96.43%，埋深处于379～737 m，说明彬长矿区矿井绝大多数为水平应力场类型。仅1个测点最大侧压比小于1，占到3.57%，埋深位于588.5 m处。
剪切应力与最大、最小水平主应力之差呈正比关系，当水平主应力之差较大时，节理裂隙的发育及煤岩体破坏更易发生，最大、最小主应力间差值是诱发矿井巷道围岩失稳的主控因素。不同埋深下彬长矿区矿井最大、最小水平主应力之差如图10所示。
图10 水平主应力差-埋深散点
由图10可知，最大、最小水平主应力之差处于2.59～25.51 MPa，随着埋深增加，最大、最小主应力相对差值有增大趋势。主应力差最小为2.59 MPa，该点埋深为483 m，主应力差值最大值为25.51 MPa，埋深为626.2 m。
将最大、最小水平主应力差与最大水平主应力比值称为水平主应力差比，即(σH-σh)/σH，水平主应力差比随埋深变化规律如图11所示，水平主应力差比最大为0.75，最小为0.21。
图11 不同埋深下水平主应力差比变化规律
由图11可知，水平主应力差比主要在0.5上下波动，矿区不同开采深度水平主应力差均较大，煤岩所受剪切应力水平较高。最大、最小水平主应力差值与开采煤层单轴抗压强度相当，使得煤体易发剪切破坏，煤体不完整，围岩经受采掘扰动后变形量大，与彬长矿区冲击地压矿井巷帮煤体节理裂隙发育、随掘片帮在采掘扰动下剧烈变形吻合。
依据表2数据，最大、最小水平主应力平均值和垂直主应力之比随埋深变化关系，如图12所示。
图12 最大、最小水平主应力平均值与垂直主应力之比随1/H(埋深)变化关系
利用Hoek-Brown回归分析地应力数据所得结论，探究彬长矿区冲击地压矿井28个测点最大、最小水平主应力平均值与垂直主应力之比随埋深变化关系。
设最大、最小水平主应力平均值和垂直主应力之比为y：
(2)
令：y=m/H+n，x=1/H，其中m、n为待求解的数值。
故：
y=mx+n
(3)
对最大、最小水平主应力平均值和垂直主应力之比随埋深变化散点图进行线性回归，可知：m=18.93，n=1.25，即：
(4)
(5)
同时分别得到内、外包线的关系式：
(6)
回归分析28个测点的水平主应力平均值和垂直主应力比值k与埋深间的关系，大体符合Hoek-Brown研究所得结论，只在数值上有一定不一致性。
(1)彬长矿区开采区域垂直主应力一般比最大水平主应力要小，水平应力占地应力主要部分，构造应力场特征显著。无低地应力场区，中、高及超高地应力场区均有分布，以高及超高地应力场区为主，文家坡煤矿以高应力区为主，大佛寺煤矿均为高应力区，孟村煤矿均为超高应力区，胡家河煤矿以高应力区为主，小庄煤矿以高应力区为主，雅店矿以中等应力区为主。
(2)文家坡煤矿、胡家河煤矿及雅店煤矿最大水平主应力方向集中在NE，大佛寺煤矿、孟村煤矿和小庄煤矿最大水平主应力方向集中在NW。基于最大水平主应力方向与彬长矿区矿井开拓(准备)大巷、回采巷道轴向间夹角，分析了地应力对巷道稳定性的影响，不仅可明确现有巷道中冲击地压防治的重点，还能指导今后有关巷道布置方向的调整。
(3)水平主应力总体上与埋深呈正相关关系，最小水平主应力与埋深相关性相较最大水平主应力要差。彬长矿区矿井侧压比处于0.98～2.25范围且主要集中在1～2，只有1个测点小于1，随着埋深增加，侧压比整体逐渐增加，但离散性加强，表明深部原岩应力状态复杂。随着埋深增加，最大、最小主应力相对差值有增大趋势，水平主应力差比在0.5上下波动，矿井不同开采水平水平主应力差均较大；最大、最小水平主应力差值与开采煤层单轴抗压强度相当，使得煤体易发剪切破坏，煤体不完整，围岩经受采掘扰动后变形量大。
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FENG Youliang1, HE Jie1, XI Guojun2, WANG Fei2, DOU Guidong2, WU Longyun1
Abstract To investigate the in-situ stress distribution law of deep coal mines with rock burst hazard in Binchang mining area, in-situ stress tests were conducted at 28 measurement points in 6 typical coal mines using both hydraulic fracturing and stress relief methods, followed by an in-depth analysis of the results. The findings indicated that the vertical principal stress in the study area was generally smaller than the maximum horizontal principal stress, with the horizontal stress constituting the main part of the in-situ stress, and the characteristics of the tectonic stress field were significant; There was no area with low in-situ stress in the strdy area, and areas with medium, high, and ultra-high in-situ stress were all present, with a predominance of high and ultra-high in-situ stress fields. The direction of the maximum horizontal principal stress at the Wenjiapo Coal Mine, Hujiahe Coal Mine and Yadian Coal Mine was concentrated in the northeast, while that at the Dafosi Coal Mine, Mengcun Coal Mine and Xiaozhuang Coal Mine was focused on the northwest. Based on the angle between the direction of the maximum horizontal principal stress and the axial directions of the main driving (preparation) roadway and mining roadway in the Binchang mining area, the impact of in-situ stress on the stability of the roadways was analyzed. The horizontal principal stress was overall positively correlated with depth, with the correlation of the minimum horizontal principal stress with depth being weaker compared to the maximum horizontal principal stress; The lateral pressure ratio ranged from 0.98 to 2.25, mainly concentrated between 1 and 2, with only one measurement point's lateral pressure ratio less than 1, and the lateral pressure ratio gradually increased overall with the increase of depth, but the dispersion intensified; With increasing depth, there was a increasing trend of relative difference between the maximum and minimum principal stresses, with the horizontal principal stress difference ratio fluctuating around 0.5, and significant differences in horizontal principal stresses at different mining levels of the coal mines.
Keywords rock burst; hydraulic fracturing method; stress relief method; in-situ stress; Binchang mining area
中图分类号 TD311
文献标志码 A
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基金项目：国家自然科学基金项目(52174080)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2021-TD-MS011)；中煤科工开采研究院有限公司“科技创新基金”(KCYJY-2025-MS-07)