地应力分布规律以及与地质构造运动的探讨

张红卫（湖南省核工业地质局三0一大队，湖南 长沙 410114）



地应力分布规律以及与地质构造运动的探讨

张红卫（湖南省核工业地质局三0一大队，湖南 长沙 410114）

地应力通常是指在地层中未被工程所扰动的天然应力，其是能够使得采矿工程发生变形以及遭到破坏的根本动力，为了有效对采矿工程进行开采设计，并做出科学化的决策，则需要对围岩的稳定性进行分析，地应力产生的原因十分复杂，本文对地应力形成的原因进行了简要的分析，并就简单的工程案例，分析了地应力的分布规律，探讨了其地质构造运动。

地应力；分布规律；地质构造；运动

1　引言

经过几十年的实测，并对相关理论进行分析可知，地应力产生的主要原因在于重力作用以及构造的运动，特别是水平方向上的构造运动，现阶段，通常应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，同时跟历史上的相关构造运动有着密切的联系，因此对其进行分析研究时，要注意承前启后。

2　地应力的成因

地应力产生的原因十分复杂，其主要跟地球的各种动力运动的过程有关，其中主要包含有：①板块边界受压；②地幔之间的热对流；③地球内应力；④地心引力；⑤地球旋转；⑥岩浆浸入；⑦地壳非均匀扩容等。此外，温度不均，水压存在梯度、地表被剥蚀以及其他物理化学变化都会产生相应的应力场，现阶段地应力场主要由构造应力场和自重应力场所构成，其中板块边界受压见图1。

图1　板块边界

目前的地应力状态主要是由最近的一次构造运动所控制，并且跟历史上的构造运动也有着十分密切的关联。在过去的亿万年间，地球经历了无数次大大小小的构造运动，这些运动的应力场更是经过多次的叠加、牵引和改造，此外，由于地应力场还会被其他因素所影响，使得地应力的状态更加的复杂和多变。

3　地应力的实际分布规律以及地质构造运动的具体分析

3.1工程案案例

3.1.1矿区地应力场分布规律

某煤矿在勘探阶段，对其中的29个钻孔进行了勘探。其中：W-6，W-13，W-15，W-20，W-24，W-28，W-29等7个能够被控制的矿区的应力场的钻孔被选定用于水压致裂地的应力测量。这七个测量钻孔中，除了W-28由于要进行水压致裂测量试验因而还未终孔，并且深度仅有896.68m，其余的六个测量钻孔的深度均都接近或超过1100m。七个测量孔中，进行了6段水压致裂试验的孔有4个，进行了5段水压致裂试验的孔有2个，进行了4段水压致裂试验的孔有1个。经由每段水压致裂试验所测所得的4个压裂参数即分别为：①初始开裂压力Pi；②裂隙重张压力Pr；③关闭压力 Ps；④地下水孔隙压力P0，有了这几项参数则可对各压裂段（测点）2个水平主应力（最大水平主应力σH和最小水平主应力σh）的大小进行计算；为了对各测点主应力的方向进行确定，则可以了利用压模试验，对压裂裂隙的方位进行验测，而对于垂直主应力σv的大小而言，则需要由其自重应力而定。7个测量钻孔的37个测点的水压致裂地应力实测结果，包括水压致裂试验压力—时间曲线，3个压裂参数分别为Pi，Pr，Ps和地下水孔隙压力P0，3个主应力σH，σh，σv的大小和方向。根据水压致裂7个钻孔的37个测点的地应力实测数据，经统计和分析，该煤矿地应力场具体的分布规律如下所述：

（1）矿区最大水平主应力σH与垂直主应力σv（根据自重应力计算）的比值，37个测点中有12个点的比值超过2，最大为3.22，最小为1.44，平均为1.97，反映出矿区地应力状态以水平应力为主导的特点。与整个华北地区的构造应力场比较，该煤矿的地应力大小属中等偏上水平。

（2）在这37个测点中，其中有21个测点已经确定了最大水平上的主应力方向，测定利用的是印模器。其中，18个测点位于NE～SW向，3个测点位于NW～SE向，平均走向为NE60左右。

（3）最大水平主应力σH、最小水平主应力σh以及垂直主应力σv跟深度都呈现正相关的管理，会随着其深度的增加而增加，其中，W-6，W-13，W-15和W-29钻孔的最大水平主应力和最小水平主应力均随深度成近似线性增长的关系。

（4）在整个矿区中，最大的水平主应力跟最小水平主应力之间的比值（σH/σh）基本稳定，主要集中在 1.22～1.65，均值为1.50左右。

（5）同一水平2个水平主应力的差值（σH-σh）为5.9～22.8MPa，平均为13.57MPa；最大水平主应力与垂直主应力的差值（σH-σh）为9.0～37.5MPa，平均为19.63MPa。跟国内其他地区的应力差水平相比，此处的应力差水平较高。

（6）该矿区的应力分布状况主要会受围岩断裂的影响，而呈现出不均匀性。矿区西南角的W-20，W-28和W-24钻孔靠近于断裂端点附近，此处的应力比较的集中，并且所测得的应力值较大；而位于断裂两旁的W-6，W-13和W-29钻孔应力值相对较小。

3.1.2地应力的影响因素

由于矿区的地壳深层处的岩体地应力分布的较为复杂，变化多端，究其原因，产生此现象的主要原因在于地应力的来源较多，具体如下：

（1）岩体自重的影响

通常岩体应力的大小跟该岩体上部所覆盖的岩体的自重有关，经相关研究表明，处于地球深部的岩体的地应力通常分布都基本一致。然而在研究初始地应力时不难发现，形成岩体初始应力场的因素较多，因此难以对其剥蚀作用进行考虑，分析常规反演时，一般只对岩体的自重以及地质构造运动进行考虑。

（2）地形地貌和剥蚀作用的影响

地应力受到地形地貌的影响十分的复杂，并且地应力受到剥蚀作用的影响也很大，岩体剥蚀前，有一定数量的垂直应力以及水平应力存在于岩体内，而岩体经过剥蚀后，垂直应力会有所降低，然而在这其中有部分垂直应力得不到释放，依旧保留一些应力的数量，并且水平方向的应力释放的更少，几乎保留了原先拥有的应力数量，这就使得岩体内部存在的应力数值比现阶段由于地层厚度而引起的自重应力还要大。

（3）构造运动的影响

在地壳的深层岩体中，地应力分布的规律较为复杂，并且地应力的实际大小主要取决于构造运动引起的地应力，其能够对地应力的实际大小进行有效的控制，经相关研究表明，产生岩体应力的主要原因在于其上覆岩体自重产生的，而结构应力则主要会对水平应力的分布量进行控制，其大小比铅垂应力要大得多。

（4）岩体的物理力学性质的影响

就能量而言，地应力实际上是积聚和释放能量的过程，由于岩石中地应力的实际大小会被岩石强度所限制，简言之，即当地质构造相同时，岩体因素的函数、弹性强度较大的岩体都会对地应力的积累产生直接的影响，因而矿区发生地震以及岩爆事故都会在这些部位发生，并且塑性岩体由于易发生变形而对应力的积累产生不利的影响。

（5）水、温度对地应力的影响

岩体的地应力会受到水、温度的影响，在岩体中主要包含的层面有节理、裂隙等不连通层面，而这些裂隙里面又常会有水存在，裂隙中有水存在则会导致岩石空隙中产生一定的水压力，而岩体的地应力主要由孔隙水压力以及岩石骨架的应力而构成。而地应力受到温度的影响则主要体现在两方面，即地温梯度和岩体局部受温度。而由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加，如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。

3.2矿区地应力场与地质构造的关系

对上述矿区的地质构造以及现阶段构造活动的主要特征以区域地震活动性和震源的机制进行分析时，不难得知该煤矿所处地区构造活动十分复杂，其主要构造运动都是在水平应力的控制下实现的，由此不难说明此煤田的地应力场主要由水平方向的构造应力场而控制。NNE～NE在受到来自NEE～SWW向区域的挤压应力场作用后，会向断裂处形成顺扭运动，而NW～NWW则会向断裂作反扭运动；而后再由东濮凹陷所对应的上地幔隆起作用使得地壳发生水平引张运动，使得地壳变薄，并出现沉降运动。此矿区所在地区现阶段的构造运动主要体现在断块进行调整性的升降运动，而但鲁西隆起区内之弧形断裂带垂直形变速率均较低，绝大部分小于0.1mm/a，说明该区断裂带的现代构造活动以水平扭动为主，垂直运动分量很小。对震源机制解以及相关的地质资料进行分析后，不难得知，此省现阶段的应力场主要由主压应力轴为NEE～SWW向的应力场所控制。该煤矿实测获得的最大水平主应力的方向，平均为NE60°左右。

图2　该矿井田断裂构造体系

4　结语

综上所述，对该矿区的地应力进行分析可知，此矿区地应力的状态主要以水平构造为主，跟地壳表层地应力的实际分布水平为主。为了有效避免围岩发生变形，以及遭到破坏，需要对其地应力的分布规律进行分析，做好相关巷道的设计工作，对围岩应力的分布进行有效的改善，确保地质结构测量结果的准确性。

［1］牛 浩，尚林伟.地应力分布规律及其与地质构造运动的关系［J］.煤炭技术，2014，33（7）：89～91.

［2］刘清利.地应力分布规律对巷道围岩稳定性的影响研究［J］.煤炭技术，2015，34（12）：12～13.

［3］孟 达，张 梅.基于古构造应力场的井田小构造预测研究［J］.中国矿业，2015（6）：71～75.

张红卫（1966-），男，工程师，本科，主要从事地质勘察等工作。

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2095-2066（2016）16-0083-02

2016-4-16