赵楼井田地应力特征及地质构造形成机制

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摇 第 36 卷第 4 期 摇 2011 年 4月

摇 摇 文章编号:0253-9993(2011)04-0583-05

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报

Vol. 36摇 No. 4摇 Apr. 摇 2011摇

赵楼井田地应力特征及地质构造形成机制
姜春露1 ,姜振泉1 ,杨伟峰1 ,孙摇 强2 ,朱术云1 ,李耀民3
3郾 兖矿集团有限公司,山东 邹城摇 273500) (1郾 中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州摇 221008;2郾 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州摇 221008;

摘摇 要:采用钻孔套芯应力解除法在赵楼煤矿井底车场位置选点进行了地应力测量。 测量结果表 近的万福煤矿实测地应力结果基本一致。 由区域布格重力场和震源机制解资料得出,鲁西南地区 现代地应力场为 NEE 向水平挤压的构造应力场,赵楼井田地应力场受区域构造应力所控制。 通过 地质构造成因分析,认为井田构造早期以 EW、NE 向褶曲为主,晚期以近 NE、NW 向断层为主,并使 早期断层性质发生转换,不同期次构造组合形成了矿井现今复杂的构造格局。 关键词:赵楼井田;地应力;地质构造;区域应力场;构造演化 中图分类号:TD311;P55摇 摇 摇 文献标志码:A

明,最大主应力方向为 NEE,反映出测点附近应力场为以 NEE 向挤压为主的水平构造应力场,与邻

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摇 221008,China;2郾 State Key Laboratory for Geomechanics & Zoucheng摇 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 摇 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 摇 摇 地应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏、 产生矿井动力现象的主要力源,在诸多影响采矿工程 稳定性的因素中,地应力是最根本的因素之一。 随着 采矿规模的不断扩大和不断向深部发展( 赵楼煤矿 开采深度已达 1 000 m) ,地应力的影响会更加突显, 最常见的显现特点是采动地压增大,轻者造成地下巷 道和采场围岩的严重变形破坏,重者会形成较强的冲 击地压等动力地质作用 [1-3] 。 矿井原生地应力状态往往比较复杂,几十年的实 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

测和理论分析表明,重力作用和构造运动是影响地应

收稿日期:2010 - 07 - 14摇 摇 责任编辑:柴海涛 摇 摇 基金项目:国家青年自然科学基金资助项目(40802076) ;中国矿业大学青年科研基金资助项目(2009A029) ;深部岩土力学与地下工程国家重 点实验室博士后专项基金资助项目( PD1012) 摇 摇 作者简介:姜春露(1984—) ,男,安徽阜阳人,博士研究生。 E-mail:cumtclj@ sina郾 com

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[4-5]

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。 关于地应力特征以及地质

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力状态的主要因素,其中尤以水平方向的构造运动对 地应力的影响最大 究
[6-10]

裂共同影响形成由近东西向和近南北向断裂共同构 成的棋盘格状断裂系统。 断裂系统大部分隐伏于第 四系之下,已被煤田勘查地震剖面和钻探证实。 褶皱 构造多为 NE 向的宽缓褶曲,特别是东部区域更为明 显。 为 NE 及 NW 向,具有中、西部延展较长,东部延展较 可分为近 NS、NW、NE 及 NNE 向 4 组, 以正断层为 主;其中近 NS、NNE 及 NE 断层以延伸长度和断距较 大为显著特征,是矿井中的主体构造;而 NW 向断层 组多为落差、延展长度较小的断层。 井田内除田桥断 层、赵河东断层、赵河断层、毕垓断层、陈庙断层、康垓 断层、 Fx27、 Fx20、 Fz14、 Fz18、 Fz19、 F20、 F29、 F33 较 大外,其余均为落差小于 50 m 的中、小断层( 图 1) 。 赵楼井田内次一级宽缓褶曲比较发育,轴向主要

构造与地应力之间的关系,相关学者进行了许多研 赵楼煤矿位于菏泽煤田中部,为新投产的矿井, ,取得了丰富的成果。

现进行首采区开采。 矿井主采二叠系山西组 3 煤层, 平均埋深近 1 000 m。 已有研究认为,赵楼井田当前 的应力状态主要受最近一次的构造运动所控制,但也 与历史上的构造运动有关。 本文根据矿井原岩地应 力实测结果以及区域地应力场分布,结合井田构造分 布特点,就井田地质构造成因机制进行探讨。

短,背、向斜相间排列的特点。 井田没有大的断裂带,

1摇 区域及井田地质构造特征
赵楼井田位于鲁西南断块拗陷的西北部的菏泽 煤田内,构造单元属济宁凹陷,受沂沭断裂和聊考断

Fig郾 1摇 Structure outline of Zhaolou mine field

图 1摇 赵楼井田构造纲要

2摇 矿井地应力测量
测工作。 测量方法为钻孔套芯应力解除法,测试地点 为井底车场,埋深 900 m 左右。 赵楼煤矿于 2007 年 1 月完成 2 个点原岩应力实

量导孔,在导孔孔底使用变径钻头施工变径孔后,又 0郾 32 m,取出的岩芯岩性为灰色粉砂岩。 地应力测量 孔自然干燥后,进行钻孔清理。 根据安装小孔处岩芯 钻出一个同心的 准38 mm 的安装小孔, 该孔深度为

ZL-1 测点测试时,首先施工 准115 mm 地应力测

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的完整情况,应力传感器安装在孔深 11郾 66 m,采用 黏结的方法安装应力计。 黏结剂固化约 24 h 后,对 装有应力计的岩体进行了套芯应力解除,从应力解除 过程来看,12 个应变片工作正常。 ZL-2 测点地应力 测量孔施工过程与 ZL-1 孔相似,钻孔仰角为 29毅,导 岩性为灰色粉砂岩。 孔深度为 12郾 56 m,应力传感器安装在孔深 12郾 96 m, 应用专用数据处理软件对测量数据进行处理后 表明,两测点各种不同组合的应变片数据相关系数分 别为 0郾 92 和 0郾 97,可信度高,可以作为计算应力的 依据。 基于实测应变值、现场率定测试参数及其他有 关资料进行的计算和分析,获得了 ZL-1 测点和 ZL2 测点的地应力状态( 表 1) 。
表 1摇 ZL-1、ZL-2 测点原岩应力实测结果 of ZL-1 & ZL-2
项目测点 主应力 滓1 ZL-1 滓2 滓3 滓1 ZL-2 滓2 滓3 滓v 滓v 实测 / 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 倾角 / ( 毅) 17 21 76 12 26 69 方位角 / ( 毅) 165 221 255 336 120 83

布 [13] ,在菏泽矿区的东北和西南方向分别有两个重 力异常区:东北部异常区的重力异常值为 -10,西南 部异常区的重力异常值为 +16郾 7。 由密度椭球体理 论 [14] 可知,菏泽矿区东北部具有向南运动的趋势,西 南部具有向北运动的趋势。 在这两股趋势的共同作 用下,菏泽矿区处于扭压作用,在近东西向受到拉张。 因此,本区域应力场的宏观特征判断为 NE—SW 向 受挤压的构造应力场型,其受力模式如图 3 所示。

Table 1摇 In鄄situ stress measurement results

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

图 2摇 赵楼井田周边区域重力布格异常分布 [13]

摇 摇 从表 1 中可以看出赵楼煤矿测点附近的原岩应 力具有如下特点: 应力方向为 NE75毅 ~ 83毅,近似水平; (1) 原岩应力场的第一主应力为水平应力,最大 (2) 水平应力大于垂直应力,最大水平主应力均 (3) 实测最大水平主应力分别为最小水平主应
Fig郾 3摇 Action mode of tectonism 图 3摇 构造作用模式

为垂直应力的 1郾 49 倍,对井下岩层的变形破坏方式 及矿压显现规律会有很大的影响; 力的 1郾 16、1郾 45 倍,水平应力对巷道的影响具有较为 明显的方向性。 对井田 7 个钻孔 37 个测点进行了地应力实测,测量 结果参见文献[11 -12] 。 对比赵楼煤矿和万福煤矿 实测地应力结果可以看出,赵楼煤矿地应力实测结果 与万福煤矿比较一致,说明赵楼煤矿原岩地应力测量 结果可靠,同时也说明两矿井同属一个地质构造单 元,地应力场类型相同。 菏泽煤田万福煤矿在勘探阶段利用水压致裂法

鲁、皖、豫地区 37 个中小地震( M = 2郾 1 ~ 6郾 0) 震源机 主压应力轴约 76毅,主张应力轴约 344毅,且其倾角基 本都小于 45毅,即应力水平分量占优势,表明本区处 于 NEE 向水平压应力和 NNW 向水平张应力的现代 构造应力场作用之中。 和 1983-11-07 的 5郾 9 级地震资料解得本区的主压 11郾 5毅,即本区域的主压应力方向为 NEE 方向,以水 主张应力方向分别为 177毅 和 352毅,倾角分别为 2毅 和 胡长和 [16] 利用菏泽 1937 -08 -01 的 7郾 0 级地震

六省( 市) 震源机制小组根据 1973—1979 年苏、

制结果的统计分析 [15] ,得到区域应力场的优势分布:

3摇 区域现今应力场分布
根据图 2 所 示 的 现 今 区 域 布 格 重 力 异 常 分

应力方向分别为 87毅和 251毅,倾角分别为 13毅和 44毅;

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平应力为主 [16] 。

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NEE 向水平挤压、NNW 向水平引张为主导的现代构 造应力场。 赵楼煤矿地应力测量结果表明,该地应力 场处于区域构造应力场之中,受区域构造应力场控 制,与区域主应力大小和方向相吻合。

由以上研究结果可以看出,本区域应力场是以

东凸起的摺曲;同时,先期形成的 NNE-NE 以及NWNWW 向断裂发生水平扭转。

5摇 结摇 摇 论

4摇 井田构造成因机制分析
自印支晚期以来,在扬子板块和华北板块碰撞、 拼接以及太平洋板块向西俯冲作用下,中国东部应力 场经历过多次转化,控制着区域地质构造的产生和演 化。 鲁西南地区是华北陆缘盆地的南部边缘,主要构 造运动都是在水平应力控制下的构造活动。 印支运动产生强大的近 NS 向的挤压应力由板

井田最大水平主应力是自重应力的 1郾 49 倍左右,反 符合华北地区地应力分布以水平应力为主导的普遍 规律。 (2) 矿区最大水平主应力为最小水平主应力的

(1) 赵楼煤矿应力解除法地应力实测结果表明,

映出矿区地应力状态以水平构造应力为主导的特点,

1郾 16 ~ 1郾 45 倍。 表明水平应力对巷道掘进的影响具 应尽可能使巷道断面的宽高比与断面内两个主应力 的比值相一致,这样才能改善围岩应力分布,减少巷 道变形和破坏。 (3) 由区域布格重力异常结合密度椭球体理论

有较为明显的方向性。 赵楼煤矿在进行巷道设计时,

缘向板内传递过程中是逐渐衰减的,在鲁西地区已较 为微弱,仅造成了地层的轻微褶皱。 赵楼井田在这一 时期的应力场以近 NS 向挤压应力作用为主,但井田 的走向,褶 皱 不 发 育 或 极 其 微 弱, 在 局 部 有 少 量 近 EW 向逆断层的发育。 侏罗纪时期,库拉 -太平洋板块自 SE 向 NW 的 中应力作用的强度相对较弱,仅造成地层总体近 EW

得出赵楼井田所在区域应力场的宏观特征为 NE-SW 向受挤压的构造应力场型,与震源机制解得出结果相 一致。 矿井最大主应力方向为 NE75毅 ~ 83毅,这一结 果与区域构造应力场是基本吻合的。 下形成和发展的。 井田构造早期以 EW、NE 向褶曲 为主,晚期以近 NE、NW 向断层为主,并使早期断层 性质发生转换,不同序次构造组合造就了矿井现今的 构造格局。 参考文献:
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挤压作用对本区的影响较大,井田内形成的强度较大 的 SE-NW 向的挤压构造应力场,形成了一系列走向 NE 的逆冲断层、NNE 或近 NS 向的压剪性断层和一 些轴向 NE 的褶皱构造。 晚侏罗世以后,中国东部的 构造运动主要表现为上升和剥蚀,在地壳隆升和应力 场转换的联合作用下,在鲁西地区发生了 NE 方向的 赵楼井田 NW 向正断层正是在这种构造体制转换的 环境中形成和发展的,这种构造体制一直可以延续到 中生代末期。 喜山运动在鲁西南地区形成了 NE 向为压应力、 拉张伸展,形成 NW 方向的断陷盆地和拉张正断层,

(4) 井田主要构造是在各期水平构造应力控制

NW 向为张应力的构造应力场。 赵楼井田在区域水 平构造应力场控制下,形成了中西部延展较长而东南 部延展较短的 NW 向褶皱。 同时,使原先可能具有压 剪性质的近 NS 向和 NNE 向断层以及 NE 向挤压性 质的断层转化为正断层性质,也可能形成一些新的近 NS 向的正断层,并对早期的断裂构造具有一定的改 造作用。 井田现今地应力场是对喜山构造运动时期 NE 向水 平挤压应力、NW 向水平引张应力的继承和发展,演 变成现今的以 NEE 向挤压为主的构造应力场。 在这 一演化过程中,井田在喜山期形成的 NW 向褶皱形迹 发生了扭转,如霍庄向斜和李集背斜演变成了轴部向

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井田地应力测量结果及区域地应力场资料表明,

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