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搖 第 36 卷第 4 期 搖 2011 年 4月

搖 搖 文章編號:0253-9993(2011)04-0583-05

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

煤搖 搖 炭搖 搖 學搖 搖 報

Vol. 36搖 No. 4搖 Apr. 搖 2011搖

趙樓井田地應力特征及地質(zhì)構造形成機制
姜春露1 ,姜振泉1 ,楊偉峰1 ,孫搖 強2 ,朱術云1 ,李耀民3
3郾 兗礦集團有限公司,山東 鄒城搖 273500) (1郾 中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州搖 221008;2郾 中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州搖 221008;

摘搖 要:采用鉆孔套芯應力解除法在趙樓煤礦井底車場位置選點進行了地應力測量。 測量結(jié)果表 近的萬福煤礦實測地應力結(jié)果基本一致。 由區(qū)域布格重力場和震源機制解資料得出,魯西南地區(qū) 現(xiàn)代地應力場為 NEE 向水平擠壓的構造應力場,趙樓井田地應力場受區(qū)域構造應力所控制。 通過 地質(zhì)構造成因分析,認為井田構造早期以 EW、NE 向褶曲為主,晚期以近 NE、NW 向斷層為主,并使 早期斷層性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)換,不同期次構造組合形成了礦井現(xiàn)今復雜的構造格局。 關鍵詞:趙樓井田;地應力;地質(zhì)構造;區(qū)域應力場;構造演化 中圖分類號:TD311;P55搖 搖 搖 文獻標志碼:A

明,最大主應力方向為 NEE,反映出測點附近應力場為以 NEE 向擠壓為主的水平構造應力場,與鄰

In鄄situ stress characteristics and geological structure genetic mechanism in Zhaolou mine field

(1郾 School of Resource and Earth Science,China University of Mining and Technology,Xuzhou搖 221008,China;2郾 State Key Laboratory for Geomechanics & Zoucheng搖 273500,China)

JIANG Chun鄄lu1 ,JIANG Zhen鄄quan1 ,YANG Wei鄄feng1 ,SUN Qiang2 ,ZHU Shu鄄yun1 ,LI Yao鄄min3

Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 搖 221008, China;3郾 Yanzhou Coal Mining Group Corporation Ltd. ,

Abstract:In鄄situ stress was measured by overcoming method in borehole in Zhaolou Coal Mine shaft station. The stress measurement results point out that:maximum principal stress is dominantly oriented NEE and the results reflect stress field nearby measuring point is horizontal tectonic stress field with NEE direction extrusion. This results is in agreement with the measurement results of Wanfu Coal Mine. The regional Bouguer gravity field and focal mechanism solution ob鄄 tain that the current stress field is horizontal tectonic stress field with NEE direction extrusion in southwest of Shandong NW directions faults main formed in later in Zhaolou mine field,and the faults which formed in later transformed the complex tectonic framework in Zhaolou mine field. Key words:Zhaolou mine field;in鄄situ stress;geological structure;regional stress field;tectonic evolution 搖 搖 地應力是引起采礦工程圍巖、支護變形和破壞、 產(chǎn)生礦井動力現(xiàn)象的主要力源,在諸多影響采礦工程 穩(wěn)定性的因素中,地應力是最根本的因素之一。 隨著 采礦規(guī)模的不斷擴大和不斷向深部發(fā)展( 趙樓煤礦 開采深度已達 1 000 m) ,地應力的影響會更加突顯, 最常見的顯現(xiàn)特點是采動地壓增大,輕者造成地下巷 道和采場圍巖的嚴重變形破壞,重者會形成較強的沖 擊地壓等動力地質(zhì)作用 [1-3] 。 礦井原生地應力狀態(tài)往往比較復雜,幾十年的實 Province,and the stress field of Zhaolou mine field is controled by regional tectonic stress field. Through the analysis of geological structure genetic mechanism,consider that EW and NE directions folds mainly formed in early and NE and property of faults formed early,and the geologic structures formed in different geological periods constitute the present

測和理論分析表明,重力作用和構造運動是影響地應

收稿日期:2010 - 07 - 14搖 搖 責任編輯:柴海濤 搖 搖 基金項目:國家青年自然科學基金資助項目(40802076) ;中國礦業(yè)大學青年科研基金資助項目(2009A029) ;深部巖土力學與地下工程國家重 點實驗室博士后專項基金資助項目( PD1012) 搖 搖 作者簡介:姜春露(1984—) ,男,安徽阜陽人,博士研究生。 E-mail:cumtclj@ sina郾 com

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[4-5]

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。 關于地應力特征以及地質(zhì)

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力狀態(tài)的主要因素,其中尤以水平方向的構造運動對 地應力的影響最大 究
[6-10]

裂共同影響形成由近東西向和近南北向斷裂共同構 成的棋盤格狀斷裂系統(tǒng)。 斷裂系統(tǒng)大部分隱伏于第 四系之下,已被煤田勘查地震剖面和鉆探證實。 褶皺 構造多為 NE 向的寬緩褶曲,特別是東部區(qū)域更為明 顯。 為 NE 及 NW 向,具有中、西部延展較長,東部延展較 可分為近 NS、NW、NE 及 NNE 向 4 組, 以正斷層為 主;其中近 NS、NNE 及 NE 斷層以延伸長度和斷距較 大為顯著特征,是礦井中的主體構造;而 NW 向斷層 組多為落差、延展長度較小的斷層。 井田內(nèi)除田橋斷 層、趙河東斷層、趙河斷層、畢垓斷層、陳廟斷層、康垓 斷層、 Fx27、 Fx20、 Fz14、 Fz18、 Fz19、 F20、 F29、 F33 較 大外,其余均為落差小于 50 m 的中、小斷層( 圖 1) 。 趙樓井田內(nèi)次一級寬緩褶曲比較發(fā)育,軸向主要

構造與地應力之間的關系,相關學者進行了許多研 趙樓煤礦位于菏澤煤田中部,為新投產(chǎn)的礦井, ,取得了豐富的成果。

現(xiàn)進行首采區(qū)開采。 礦井主采二疊系山西組 3 煤層, 平均埋深近 1 000 m。 已有研究認為,趙樓井田當前 的應力狀態(tài)主要受最近一次的構造運動所控制,但也 與歷史上的構造運動有關。 本文根據(jù)礦井原巖地應 力實測結(jié)果以及區(qū)域地應力場分布,結(jié)合井田構造分 布特點,就井田地質(zhì)構造成因機制進行探討。

短,背、向斜相間排列的特點。 井田沒有大的斷裂帶,

1搖 區(qū)域及井田地質(zhì)構造特征
趙樓井田位于魯西南斷塊拗陷的西北部的菏澤 煤田內(nèi),構造單元屬濟寧凹陷,受沂沭斷裂和聊考斷

Fig郾 1搖 Structure outline of Zhaolou mine field

圖 1搖 趙樓井田構造綱要

2搖 礦井地應力測量
測工作。 測量方法為鉆孔套芯應力解除法,測試地點 為井底車場,埋深 900 m 左右。 趙樓煤礦于 2007 年 1 月完成 2 個點原巖應力實

量導孔,在導孔孔底使用變徑鉆頭施工變徑孔后,又 0郾 32 m,取出的巖芯巖性為灰色粉砂巖。 地應力測量 孔自然干燥后,進行鉆孔清理。 根據(jù)安裝小孔處巖芯 鉆出一個同心的 準38 mm 的安裝小孔, 該孔深度為

ZL-1 測點測試時,首先施工 準115 mm 地應力測

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的完整情況,應力傳感器安裝在孔深 11郾 66 m,采用 黏結(jié)的方法安裝應力計。 黏結(jié)劑固化約 24 h 后,對 裝有應力計的巖體進行了套芯應力解除,從應力解除 過程來看,12 個應變片工作正常。 ZL-2 測點地應力 測量孔施工過程與 ZL-1 孔相似,鉆孔仰角為 29毅,導 巖性為灰色粉砂巖。 孔深度為 12郾 56 m,應力傳感器安裝在孔深 12郾 96 m, 應用專用數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理后 表明,兩測點各種不同組合的應變片數(shù)據(jù)相關系數(shù)分 別為 0郾 92 和 0郾 97,可信度高,可以作為計算應力的 依據(jù)。 基于實測應變值、現(xiàn)場率定測試參數(shù)及其他有 關資料進行的計算和分析,獲得了 ZL-1 測點和 ZL2 測點的地應力狀態(tài)( 表 1) 。
表 1搖 ZL-1、ZL-2 測點原巖應力實測結(jié)果 of ZL-1 & ZL-2
項目測點 主應力 滓1 ZL-1 滓2 滓3 滓1 ZL-2 滓2 滓3 滓v 滓v 實測 / MPa 34郾 72 29郾 98 22郾 66 23郾 27 36郾 40 25郾 14 21郾 57 24郾 50 傾角 / ( 毅) 17 21 76 12 26 69 方位角 / ( 毅) 165 221 255 336 120 83

布 [13] ,在菏澤礦區(qū)的東北和西南方向分別有兩個重 力異常區(qū):東北部異常區(qū)的重力異常值為 -10,西南 部異常區(qū)的重力異常值為 +16郾 7。 由密度橢球體理 論 [14] 可知,菏澤礦區(qū)東北部具有向南運動的趨勢,西 南部具有向北運動的趨勢。 在這兩股趨勢的共同作 用下,菏澤礦區(qū)處于扭壓作用,在近東西向受到拉張。 因此,本區(qū)域應力場的宏觀特征判斷為 NE—SW 向 受擠壓的構造應力場型,其受力模式如圖 3 所示。

Table 1搖 In鄄situ stress measurement results

Fig郾 2搖 Abnormal distribution of the regional bouguer gravity field of Zhaolou mine field

圖 2搖 趙樓井田周邊區(qū)域重力布格異常分布 [13]

搖 搖 從表 1 中可以看出趙樓煤礦測點附近的原巖應 力具有如下特點: 應力方向為 NE75毅 ~ 83毅,近似水平; (1) 原巖應力場的第一主應力為水平應力,最大 (2) 水平應力大于垂直應力,最大水平主應力均 (3) 實測最大水平主應力分別為最小水平主應
Fig郾 3搖 Action mode of tectonism 圖 3搖 構造作用模式

為垂直應力的 1郾 49 倍,對井下巖層的變形破壞方式 及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會有很大的影響; 力的 1郾 16、1郾 45 倍,水平應力對巷道的影響具有較為 明顯的方向性。 對井田 7 個鉆孔 37 個測點進行了地應力實測,測量 結(jié)果參見文獻[11 -12] 。 對比趙樓煤礦和萬福煤礦 實測地應力結(jié)果可以看出,趙樓煤礦地應力實測結(jié)果 與萬福煤礦比較一致,說明趙樓煤礦原巖地應力測量 結(jié)果可靠,同時也說明兩礦井同屬一個地質(zhì)構造單 元,地應力場類型相同。 菏澤煤田萬福煤礦在勘探階段利用水壓致裂法

魯、皖、豫地區(qū) 37 個中小地震( M = 2郾 1 ~ 6郾 0) 震源機 主壓應力軸約 76毅,主張應力軸約 344毅,且其傾角基 本都小于 45毅,即應力水平分量占優(yōu)勢,表明本區(qū)處 于 NEE 向水平壓應力和 NNW 向水平張應力的現(xiàn)代 構造應力場作用之中。 和 1983-11-07 的 5郾 9 級地震資料解得本區(qū)的主壓 11郾 5毅,即本區(qū)域的主壓應力方向為 NEE 方向,以水 主張應力方向分別為 177毅 和 352毅,傾角分別為 2毅 和 胡長和 [16] 利用菏澤 1937 -08 -01 的 7郾 0 級地震

六省( 市) 震源機制小組根據(jù) 1973—1979 年蘇、

制結(jié)果的統(tǒng)計分析 [15] ,得到區(qū)域應力場的優(yōu)勢分布:

3搖 區(qū)域現(xiàn)今應力場分布
根據(jù)圖 2 所 示 的 現(xiàn) 今 區(qū) 域 布 格 重 力 異 常 分

應力方向分別為 87毅和 251毅,傾角分別為 13毅和 44毅;

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平應力為主 [16] 。

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NEE 向水平擠壓、NNW 向水平引張為主導的現(xiàn)代構 造應力場。 趙樓煤礦地應力測量結(jié)果表明,該地應力 場處于區(qū)域構造應力場之中,受區(qū)域構造應力場控 制,與區(qū)域主應力大小和方向相吻合。

由以上研究結(jié)果可以看出,本區(qū)域應力場是以

東凸起的摺曲;同時,先期形成的 NNE-NE 以及NWNWW 向斷裂發(fā)生水平扭轉(zhuǎn)。

5搖 結(jié)搖 搖 論

4搖 井田構造成因機制分析
自印支晚期以來,在揚子板塊和華北板塊碰撞、 拼接以及太平洋板塊向西俯沖作用下,中國東部應力 場經(jīng)歷過多次轉(zhuǎn)化,控制著區(qū)域地質(zhì)構造的產(chǎn)生和演 化。 魯西南地區(qū)是華北陸緣盆地的南部邊緣,主要構 造運動都是在水平應力控制下的構造活動。 印支運動產(chǎn)生強大的近 NS 向的擠壓應力由板

井田最大水平主應力是自重應力的 1郾 49 倍左右,反 符合華北地區(qū)地應力分布以水平應力為主導的普遍 規(guī)律。 (2) 礦區(qū)最大水平主應力為最小水平主應力的

(1) 趙樓煤礦應力解除法地應力實測結(jié)果表明,

映出礦區(qū)地應力狀態(tài)以水平構造應力為主導的特點,

1郾 16 ~ 1郾 45 倍。 表明水平應力對巷道掘進的影響具 應盡可能使巷道斷面的寬高比與斷面內(nèi)兩個主應力 的比值相一致,這樣才能改善圍巖應力分布,減少巷 道變形和破壞。 (3) 由區(qū)域布格重力異常結(jié)合密度橢球體理論

有較為明顯的方向性。 趙樓煤礦在進行巷道設計時,

緣向板內(nèi)傳遞過程中是逐漸衰減的,在魯西地區(qū)已較 為微弱,僅造成了地層的輕微褶皺。 趙樓井田在這一 時期的應力場以近 NS 向擠壓應力作用為主,但井田 的走向,褶 皺 不 發(fā) 育 或 極 其 微 弱, 在 局 部 有 少 量 近 EW 向逆斷層的發(fā)育。 侏羅紀時期,庫拉 -太平洋板塊自 SE 向 NW 的 中應力作用的強度相對較弱,僅造成地層總體近 EW

得出趙樓井田所在區(qū)域應力場的宏觀特征為 NE-SW 向受擠壓的構造應力場型,與震源機制解得出結(jié)果相 一致。 礦井最大主應力方向為 NE75毅 ~ 83毅,這一結(jié) 果與區(qū)域構造應力場是基本吻合的。 下形成和發(fā)展的。 井田構造早期以 EW、NE 向褶曲 為主,晚期以近 NE、NW 向斷層為主,并使早期斷層 性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)換,不同序次構造組合造就了礦井現(xiàn)今的 構造格局。 參考文獻:
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擠壓作用對本區(qū)的影響較大,井田內(nèi)形成的強度較大 的 SE-NW 向的擠壓構造應力場,形成了一系列走向 NE 的逆沖斷層、NNE 或近 NS 向的壓剪性斷層和一 些軸向 NE 的褶皺構造。 晚侏羅世以后,中國東部的 構造運動主要表現(xiàn)為上升和剝蝕,在地殼隆升和應力 場轉(zhuǎn)換的聯(lián)合作用下,在魯西地區(qū)發(fā)生了 NE 方向的 趙樓井田 NW 向正斷層正是在這種構造體制轉(zhuǎn)換的 環(huán)境中形成和發(fā)展的,這種構造體制一直可以延續(xù)到 中生代末期。 喜山運動在魯西南地區(qū)形成了 NE 向為壓應力、 拉張伸展,形成 NW 方向的斷陷盆地和拉張正斷層,

(4) 井田主要構造是在各期水平構造應力控制

NW 向為張應力的構造應力場。 趙樓井田在區(qū)域水 平構造應力場控制下,形成了中西部延展較長而東南 部延展較短的 NW 向褶皺。 同時,使原先可能具有壓 剪性質(zhì)的近 NS 向和 NNE 向斷層以及 NE 向擠壓性 質(zhì)的斷層轉(zhuǎn)化為正斷層性質(zhì),也可能形成一些新的近 NS 向的正斷層,并對早期的斷裂構造具有一定的改 造作用。 井田現(xiàn)今地應力場是對喜山構造運動時期 NE 向水 平擠壓應力、NW 向水平引張應力的繼承和發(fā)展,演 變成現(xiàn)今的以 NEE 向擠壓為主的構造應力場。 在這 一演化過程中,井田在喜山期形成的 NW 向褶皺形跡 發(fā)生了扭轉(zhuǎn),如霍莊向斜和李集背斜演變成了軸部向

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姜春露等:趙樓井田地應力特征及地質(zhì)構造形成機制

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