井田应力状态与大采高工作面巷道支护技术研究项目中期研究报告

长平煤业有限责任公司井田应力状态与大采高工作面巷道支护技术研究项 目 研 究 报 告晋煤集团长平煤业有限责任公司辽 宁 工 程 技 术 大 学2012年7月目 录1项目的提出及研究的必要性11.1 项目背景11.1.1 长平井田概况11.1.2 区域地层及地质构造21.1.3 煤层及顶底板赋存条件51.2 项目研究内容及方法71.2.1 项目主要研究内容71.2.2 项目研究步骤和方法71.3 项目研究的必要性92 地应力分布及与巷道稳定性的关系102.1 构造应力场102.1.1 构造应力场的含义及研究意义102.1.2 构造应力的成因122.1.3 地应力场研究的内容及方法142.1.4 中国矿区地应力的分布特征162.2 水平应力集中造成巷道破坏的机理202.2.1 水平应力集中破坏巷道顶板的状况202.2.2 应力方向与巷道掘进方向的夹角与巷道破坏222.2.3 巷道锚杆支护机理最大水平应力理论272.3 高应力条件下巷道变形与锚杆的支护作用292.3.1 高应力条件下巷道顶板变形破坏模式292.3.2 高应力条件下顶板锚杆的作用312.4 长平井田原岩应力测试结果及分析332.4.1 4205巷原岩应力实测结果332.4.2 1102巷原岩应力实测结果342.4.3 2204巷原岩应力实测结果352.4.4 原岩应力测试结果研究362.5 小结383 地质动力区划原理和方法403.1 地质动力区划的理论基础413.1.1 地球动力学基础413.1.2 板块构造学说423.1.3 地质动力区划的哲学基础与知识体系443.2 地质动力区划原理与工作原则463.2.1 地质动力区划的原理463.2.2 地质动力区划的工作原则473.3 活动断裂的特征与识别483.3.1 活动断裂的类型493.3.2 活动断裂的基本特征493.3.3 活动断裂的运动方式503.3.4 活动断裂的识别513.4 活动断裂的研究方法513.4.1 绘图法513.4.2 遥感图像分析法563.4.3 活动断裂及其活动性调查603.5 岩体应力状态分析653.5.1 区域构造模型确定653.5.2 边界条件与力学参数确定703.5.3 岩体应力状态计算723.6 小结754 长平井田活动断裂构造研究及断块划分764.1 长平井田区域新构造运动情况764.1.1 长平井田新构造运动特征764.1.2 长平井田新构造运动804.2 长平井田区域地震活动性814.2.1 区域地震环境814.2.2 区域地震基本情况824.2.3 地震的时间序列与应变能积累释放854.3 长平井田及周围区域活动断裂构造划分874.3.1 研究区域块体构造特点874.3.2 长平井田各级断块的划分884.4 小结1015 4313工作面顺槽锚网索耦合支护研究1025.1 锚杆支护设计方法1025.1.1 煤巷锚杆支护概况1025.1.2 巷道锚杆支护作用机理1035.1.3 锚索支护作用机理1055.1.4 金属网的支护作用1065.1.5 钢带的支护作用1065.1.6 巷道围岩分类方法1075.1.7 巷道锚杆支护设计方法1085.2 4313工作面顺槽支护设计1115.2.1 工程概况1115.2.2 锚杆支护参数的确定1145.2.3 锚索支护参数的确定1185.2.4 梯形钢带的特点及应用1205.2.5 4313工作面顺槽初始设计1235.3 4313工作面顺槽支护数值模拟1255.3.1 支护效果数值模拟方法概述1255.3.2 建立数值模拟模型1265.3.3 数值模拟及结果分析1275.4 4313工作面顺槽锚杆（索）支护效果监测设计1295.4.1 巷道支护效果监测原则1305.4.2 巷道支护效果监测方案1315.5 小结1366 研究结论及下一步工作安排1376.1 研究结论1376.2 下一步研究工作安排138III井田应力状态与大采高工作面巷道支护技术研究 中期研究报告1 项目的提出及研究背景1.1 项目背景1.1.1 长平井田概况长平矿井位于沁水煤田高平勘探区赵庄详查区南部，隶属高平市寺庄镇管辖，在山西省高平市寺庄镇境内，东南距高平市17km，北距长治市45km，距王台铺矿53km。太（原）焦（作）铁路和太（原）洛（阳）公路（207国道）由井田东侧南北穿过，公路和铁路基本平行，间距约400m。现有矿井工业场地位于太洛公路西侧约500m，北距太焦线赵庄车站3.3km，南距西阳村车站4.7km。井田内各乡镇公路四通八达，均与干线公路相连，交通极为方便。交通位置图见图1-1。图 11 长平井田交通位置图本井田位于太行山西缘南段，沁水煤田盆地之东缘，地貌属丹河流域侵蚀低山丘陵区，井田东部为开阔的丹河河床，中西部为低山和黄土梁峁，总的地势为西高东低，地形最高点位于西南部山顶，标高+1310.66m，最低点为东部丹河河床，标高+878.0m，最大相对高差432.66m。井田附近河流主要为丹河，在井田东部边界处由北向南流过，属沁河支流，黄河水系。该河水量受季节性影响，旱季水量较小，雨季水量增大。据观测资料，其流量为0.004151.4088m3/s，历史最高洪水位标高为+890.3m。1.1.2 区域地层及地质构造井田位于沁水煤田南部，区域地层自下而上为：太古界、元古界、古生界（寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系）、中生界（三迭系）、新生界（第三系、第四系），见区域地层简表（详见表1-1）。表 11 长平井田区域地层简表界系统（群）组段符号厚度 （m）（最小-最大）一般岩性描述新生界第四系Q0-330砾石，黄土及砂层，左权县羊角一带有玄武岩。第三系N5-263棕红色粘土，底部为底砾岩。在榆社、武乡一带，粉砂土，粘土夹薄层泥灰岩。E485-576砂红色长石石英砂岩夹透镜状砾岩，下部为巨砾岩。中生界白垩系K249鲜红色泥岩，暗紫红色薄层长石石英砂岩，夹薄层砂质灰岩，底为砾岩。侏罗系中统黑峰组J230-254上部灰绿、黄绿、灰黄色砂质页岩、页岩，下部灰黄、黄白、灰白色厚一巨厚层含砾中粗粒硬砂质石英砂岩。三叠系上统延长组T3yn30-13850浅肉红、灰绿色中厚中细粒石英砂岩、粉砂岩、页岩夹淡水灰岩。中 统铜川组二段T2t2272-433上部紫色砂质泥岩、泥岩夹中细粒长石砂岩，中部浅肉红色、灰紫色、灰红色厚层中细粒长石砂岩，下部灰紫、灰绿色砂质泥岩、页岩夹砂岩。一段T2t1124-158浅肉红、灰黄色斑状厚层中粒长石砂岩，局部夹灰绿、灰紫色砂质泥岩。二马营组三段T2er394-196上部紫红色泥岩，砂质泥岩夹白色斑状中细粒长石砂岩，下部灰绿色中细粒长石砂岩夹紫红色泥岩。二段T2er2180-388上部紫红色砂质泥岩夹浅灰绿、灰绿色中薄层斑状中粗粒长石砂岩，下部浅灰绿中细粒长石砂岩夹紫红色泥岩。一段T2er1193-327灰绿色厚-中薄层中细粒长石砂岩夹紫红色泥岩及灰绿色泥岩。下 统和尚沟组T1h131-474250灰紫色薄中层状细粒长石砂岩夹紫红色泥岩。刘家沟组T1l115-595400浅灰、紫红色薄中层细粒长石砂岩，夹紫红色页岩、细砂岩及砾岩，在细砂岩中夹磁铁矿条带。古生界二叠系上统石千峰组P2sh22-217150黄绿色厚层状长石砂岩与紫红色泥岩互层，顶部有淡水灰岩。上石盒子组三段P2s317-236140黄绿、灰紫色砂岩，粉砂岩互层、夹遂石层。二段P2s218-216160灰绿色薄层状中粗石英砂岩与黄绿紫红色粉砂岩互层。一段P2s188-224140杏黄色中粗粒石英砂岩，夹紫色粉砂岩。下统下石盒子组P1x44-10065黄绿、杏黄色泥岩、粉砂岩及砂岩，近顶部有透镜状锰铁矿，底部有薄煤。山西组P1s35-7260灰白、灰绿色石英砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层。石炭系上统太原组C3t82-14290灰白、灰色薄层状中细粒石英砂岩粉砂岩、页岩及灰岩煤层。中统本溪组C2b0-3520杂色铁铝岩、灰白、灰色粘土岩，底部有山西式铁矿。奥陶系中统峰峰组O2f0-176120中层状豹皮状灰岩，灰白、灰黄色薄层状白云质灰岩，夹灰黑色中层状灰岩。上马家沟组O2s170-308230顶部为白云泥灰岩夹泥质灰岩夹泥质灰，中上部灰黑色中厚状豹皮状灰岩夹泥岩，下部为泥灰岩，角砾状泥灰岩。下马家沟组O2x37-213120青灰色中厚巨厚灰岩，下部为角砾关泥灰岩，底部为浅灰、黄绿色钙质页岩。下统O164-209130浅灰色中厚巨厚层状白云岩，含燧石条带及结核白云岩，含燧石条带及结核白云岩，下部泥质白云岩夹竹叶状白云岩寒武系上统风山组3f38-10990厚层状结晶白云岩，竹叶状白云岩，鲕状白云岩偶尔含燧石。长山组3e6-3520灰色中层我行我素 叶状灰岩夹薄绿色页岩、泥质白云岩，竹叶状白云岩。崮山组3g15-4235薄层泥质条带灰岩、竹叶状灰岩、黄绿色页岩互层，泥质条带白云质灰岩，鲕状灰岩。中统张夏组2z65-244160灰青色中厚层状鲕状灰岩，白云质鲕状灰岩，底部薄层灰岩、泥质条带灰岩、页岩。中统徐庄组2x32-169130鲕状灰岩、泥质条带灰岩，灰岩互层、中下部猪肝色页岩夹薄层细砂岩、灰岩。下 统毛庄组1mz4.8-9260紫红色页岩夹薄层灰岩、泥岩、顶部青色鲕状灰岩。馒头组1m35-8660黄绿色页岩、泥灰岩、底部为黄色含砾砂岩。（长治幅、左权幅）。辛集组1x29-5440上部为灰白色厚层白云财夹致密灰岩，下部红色石英砂岩。井田区域构造位置处在我国东部新华夏系构造体系第三隆起带的中段，即太行山隆起褶带。太行山隆起褶带系西缓东陡的大型复背斜隆起。北段逐渐往北变曲，南段往南西乃至往西扭转，总体延伸方向为北2030东。它与其它隆起带和沉降带彼此平行，并呈雁行排列，而且这种排列关系不仅表现在一级构造带各段落主轴的排列方位上，其二、三、四级的隆起与拗陷、褶皱与断裂也往往形成这种雁行式的多字型排列。长平井田处于晋获褶断带南部西侧，沁水盆地南缘东西北东向断裂带的北东部。井田中的构造形态与区域构造密切相关。井田地层东部受晋获褶断带影响总体走向北北东，倾向北西西，倾角5-12，在倾向上发育次一级的向背斜及断裂构造；井田西部受沁水盆地南缘东西向构造影响变为东西向，局部受局部构造应力作用变得弯曲（图1-2）。图 12 长平井田构造纲要图1.1.3 煤层及顶底板赋存条件井田内主要含煤地层为上石炭统太原组与下二叠统山西组，（二者厚135.97171.13m，一般140.82m）含煤多达19层，主要煤层情况见表1-2。本井田内主要可采煤层有山西组3号煤层及太原组15号煤层。局部可采煤层有山西组2号煤层及太原组8号煤层。井田现主采3号煤层，其位于山西组下部，上距K8砂岩30.30-46.07m，平均38.86m；下距K7砂岩5.63-11.81m，平均8.97m；层位稳定、全区可采煤层。煤层厚4.60-6.35m，平均厚5.58m；含泥岩、炭质泥岩夹矸0-2层，以距顶板约0.50m左右和距底板约1.00m左右的两层较为稳定（厚度0.10-0.30m）。顶板主要是泥岩、砂质泥岩、次为粉砂岩，局部为中、细粒砂岩或粉砂岩。底板为黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色粉砂岩。表 12 煤层情况一览表组段煤层号见煤点数可采点数厚度(m)层间距(m)层位稳定性厚度稳定性可采系数可采性最小-最大平 均最小-最大平 均层位比稳定性变异系数结构稳定性山西组1300.00-0.450.039极不稳定3.38简单极不稳定0不可采14.53-19.1617.00232210.30-3.020.94100稳定0.49简单较稳定63局部可采9.40-25.6920.68332324.60-6.355.58100稳定0.08简单稳定100全区可采15.98-18.1117.06太原组三段5500.00-0.400.1354较稳定1.33简单极不稳定0不可采9.80-12.6611.267400.00-0.400.1077较稳定1.58简单极不稳定0不可采4.75-10.308.8181270.00-2.851.2292稳定0.72简单不稳定54局部可采3.95-12.406.669910.00-0.800.3577较稳定0.80简单极不稳定8不可采4.75-11.207.4910720.00-1.000.3069较稳定1.22简单极不稳定15不可采1.30-2.751.67二段111200.00-0.750.4192稳定0.49简单较稳定0不可采11.25-21.5514.42131210.00-0.830.41100稳定0.53简单不稳定8不可采17.00-20.9918.84一段14420.00-0.850.2231不稳定1.61简单极不稳定15不可采0.67-1.901.241513132.20-5.754.18100稳定0.24简单稳定100全区可采2.24-14.687.8316320.00-1.910.2923极不稳定2.09简单极不稳定15不可采注：层位比=(见煤点数+泥炭点数)/总点数100%；85稳定；85-50较稳定；50-30不稳定；30极不稳定。变异系数（Cv）=S（标准差）/X（平均值）；0.75极不稳定。可采性=可采点/见煤点100%；90全区可采，45-90局部可采；45不可采。1.2 项目研究内容、方法及必要性1.2.1 项目主要研究内容采用地质动力学、数值模拟、实验室试验等方法，研究得出长平井田应力分布状态，划分出井田内的高应力区。应力井田应力分布研究结果，根据长平公司现工作面巷道的支护状态，开发得出长平公司大采高工作面巷道稳定性控制策略，为长平公司确定合理的采场布局、回采顺序、巷道布置、支护方式和支护参数等提供技术支持，开发得出长平公司大采高工作面巷道合理的支护形式、支护参数以及煤柱留设尺寸，保证大采高工作巷道的稳定性。（1）矿区的地质动力环境研究；（2）活动构造划分与断块动力相互作用评估；（3）煤岩体物理力学参数研究；（4）井田岩体应力状态信息系统开发、井田岩体应力状态分析与构造应力区划分；（5）岩体应力状态与巷道布置方式、巷道断面形式和尺寸、支护参数、煤柱尺寸之间关系的研究；（6）岩体应力状态与巷道压力显现规律之间的联系研究；（7）开发得出大采高工作面巷道稳定性及其控制策略研究；（8）长平公司大采高工作面两巷支护方式研究；（9）大采高工作面两巷锚网索耦合支护设计研究；（10）大采高工作面两巷锚网索支护参数研究。1.2.2 项目研究步骤和方法（一）2011年8月2011年9月：调研、资料收集与分析。收集项目研究内容相关的论文、著作资料，充分了解项目研究内容在国内外最新进展。收集长平井田的基础资料，包括矿井地质说明书、矿井生产平面图、地质地形图、井上下对照图、矿压观测资料、井田矿压异常显现的资料等。调研长平井田工作面巷道布置特点，结合不同采区，不同开采条件下巷道煤柱的尺寸及支护情况，不同的支护设计下支护效果，确定需要解决的支护问题。（二）2011年10月2011年12月：井田地质动力环境研究及巷道支护条件分析。（1）从地质动力学的角度出发，确定井田地质动力条件。绘制井田构造地貌剖面，计算井田构造反差强度，评估井田矿压显现的强烈程度。（2）综合利用灾害防治学、地震学、统计学、地球物理学等原理和研究方法，确定浅源地震的能量规律，系统分析现代活动构造及其应力场对浅源地震的响应，为井田岩体应力状态预测奠定基础。（3）巷道支护条件分析研究分析井下巷道煤岩层的赋存条件，确定煤岩层的物理力学性质，在不同开采条件下、不同形状及尺寸巷道周边松动圈的分布规律。（三）2012年1月2012年4月：活动构造划分与断块动力相互作用评估；井田特殊地质及开采条件下巷道控制策略研究。（1）以板块构造理论为指导，应用地质动力区划方法，分别采用1:100万地形图、1:20万地形图、1:5万地形图和1:1万地形图划分级级活动断裂；基于级活动断裂建立井田地质构造模型。（2）确定矿区区域活动构造的分布形式、活动断裂的位置及断块间的相互作用方式，研究断块的形成机制及活动特点。（3）区域活动构造综合研究 区域地质资料：区域内的地质、构造、水文地质图、第四纪沉积图、地质地形图、井上下对照图等。在地质资料上揭露了大量的构造，尤其是断层的资料，这些断层有些是与活动断裂有联系，可以作为在地貌上确定出的断块边界的依据；有的已经没有活动，不能反应当前断块间的动力作用，这样的断层可以忽略。 区域地球物理资料：地震、重力、磁力、电测资料；遥感资料：卫星照片、航空照片等。 进行井下断层考察和地貌考察。（4）井田特殊地质及开采条件下巷道控制策略研究虽然目前国内外锚网索支护技术已经成熟并已应用多年，但在目前长平井田复合结构煤层，大采高的巷道的条件下，未能取得理想的效果，因而有必要研究此种条件下巷道的支护机理及围岩稳定性的控制策略。控制重点是合理地选择巷道布置方式、巷道断面形式和尺寸、支护参数等，确定合理的开采布置、开采计划和开采方式及强度。（四）2012年5月2012年7月：井田岩体应力状态研究；巷道周边应力分布及支护设计。（1）井下地应力实测结果测量与分析长平井田已用地应力测量技术对井田地应力进行测量，确定井田应力场的类型、地应力的量值和方向。为井田岩体应力状态分析提供基础数据。（2）井田岩体应力状态分析与构造应力区划分采用“岩体应力状态分析系统”软件确定井田岩体应力分布状态，划分井田构造应力区，分析构造应力分布特征。（3）不同开采条件下巷道支护设计研究确定在井田不同应力条件，不同开采方法，不同巷道布置形式下的支护方式，并进行具体设计，并在理论上评估支护效果。（4）提交项目中期研究报告。（五）2012年8月2012年9月：大采高工作面两巷支护现场试验及参数优化。在长平井田进行支护试验研究，并根据现场支护效果进行动态反馈设计，并进行支护参数优化。（六）2012年10月2012年12月：撰写研究报告，项目验收。完善理论研究成果，对现场试验结果进行系统总结，撰写研究报告，进行项目验收。1.2.3 项目研究的必要性（1）由于长平井田大采高工作面煤层赋存条件，煤层上方存在软分层，所以当回采巷道沿底掘进时，在巷道上方留顶煤的条件下，巷道掘出后，巷道顶板变形及破坏较为严重，造成部分锚杆失效，同时巷帮的上方也向巷道内移近，产生较大变形。巷道顶板及上方破坏严重时，工作面开采前变形过大，不能满足生产要求，巷道必须翻修，增加了人力物力投入，并影响的生产进度。因而需要通过研究解决大采高煤层回采巷道沿煤层底板掘进时，巷道上方顶板的稳定性的问题。（2）巷道沿煤层顶板掘进时，由于巷道底板留有底煤，相对来说强度较差，在高应力条件下容易出现严重底臌，同样影响巷道的正常使用。（3）随着矿井采深增加及开采范围增大，井田高应力地点及高应力梯度区的煤岩体具有突然破坏的可能，在瓦斯含量较高的情况下，具备出现煤岩较大范围破坏及瓦斯含量超标的情况，因而确定井田内的应力分布状态也是十分必要的。145 1.3 长平井田原岩应力测试结果及分析长平井田采用钻孔套芯应力解除法进行原岩应力测量，完成原岩应力测点9个，即4205巷、1102巷和2204巷各三个点，原岩应力测点分布参见图1-3。图 13 长平井田地应力测点示意图1.3.1 4205巷原岩应力实测结果HI应力传感器安装在三层煤顶板泥质粉砂岩地层中，在导孔使用成型钻头施工13.33m后再钻取0.15m变径孔后，最后钻出了一个同心的直径为38mm的E型孔，该孔深度为0.47m，然后进行钻孔清理，待其自然干燥后，安装应力传感器。粘结胶固化约24小时后，对装有HI应力计的岩体进行了套芯应力解除。应力解除曲线显示，HI应力计的12个应变片工作正常，因此可通过应变片的多种不同组合来相互验证计算结果，从而可获得最可靠的测量结果。应用专用数据处理软件对测量数据进行处理，计算结果见下表1-3：表 13 山西长平矿4205巷原岩应力实测结果测点编号主应力实测（MPa）倾角（向下为正）方位角1#124.1523.090.7211.3432.0296.539.3711.4190.7v9.602#123.0044.091.7210.8044.0292.738.9210.7192.3v9.083#122.735.094.229.7237.0290.337.1616.6194.3v8.72岩体类型：黑色泥质粉砂岩；岩石性质：双轴测试的弹性模量13.12GPa；泊松比：0.221.3.2 1102巷原岩应力实测结果HI应力传感器安装在三层煤顶板泥质粉砂岩地层中，使用成型钻头施工13.10m导孔及0.47m同心的直径为38mm的E型孔，然后进行钻孔清理，待其自然干燥后，在13.35m处安装应力传感器。应力包体粘结剂固化约24小时后，对装有HI应力计的岩体进行了套芯应力解除。从应力解除过程曲线来看，12个应变片中第7和10号应变片由于某种原因读数出现断断续续现象，其余应变片工作均正常。应用专用数据处理软件对测量数据进行处理，计算结果见下表1-4：表 14 山西长平矿1102巷原岩应力实测结果I主应力实测（MPa）倾角（向下为正）方位角4#19.9724.883.624.3856.7283.833.459.2175.2v5.555#19.9327.785.724.3660.5287.733.449.4180.6v5.536#19.2922.384.224.0857.4285.333.218.3174.2v5.17岩体类型：黑色泥质粉砂岩；岩石性质：双轴测试的平均弹性模量：13.72GPa；泊松比：0.221.3.3 2204巷原岩应力实测结果HI应力传感器安装在三层煤顶板泥质粉砂岩地层中，使用成型钻头施工12.87m导孔及0.47m同心的直径为38mm的E型孔。根据E孔岩芯完整情况，HI应力传感器安装在孔深13.07m，采用粘结的方法安装HI应力计。第二天，粘结剂固化约24小时后，对装有HI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。应力计算结果见表1-5。表 15 2204巷原岩应力实测结果测点编号主应力实测（MPa）倾角（向下为正）方位角7#116.01-18.3312.6210.8955.260.232.781.642.9v8.258#112.1822.4138.728.0253.958.432.051.248.2v6.099#111.1524.2132.127.5865.8308.331.941.441.5v5.94岩体类型：黑色泥质粉砂岩；岩石性质：双轴测试的弹性模量14.80GPa；泊松比：0.241.3.4 原岩应力测试结果研究为较全面的反映和了解山西长平煤矿井下原岩应力的实际状态和分布特点，研究分析以上原岩应力测量数据，结果表明山西长平井田最大主应力倾角均为接近水平的，即最大主应力为水平应力，最大水平应力大于垂直应力。最大主应力、最小主应力大小和方位分布参见图1-4。图 14 长平井田原岩应力示意图最大主应力、最小主应力、垂直应力以及三者之间的对比关系参见表1-6。表 16 原岩应力测量部分结果测点编号地 点hmaxhmidhminvhmaxvhmaxmin4205巷1#大小（MPa）24.1511.349.379.602.552.57倾角()23.032.011.4方位()90.7296.5190.72#大小（MPa）23.0010.808.929.082.532.58倾角()44.044.010.7方位()91.7292.7192.33#大小（MPa）22.79.727.168.722.603.17倾角()35.037.016.6方位()94.2290.3194.31102巷4#大小（MPa）9.974.383.455.551.802.88倾角()24.856.79.2方位()83.6283.8175.25#大小（MPa）9.934.363.445.531.802.89倾角()27.760.59.4方位()85.7287.7180.66#大小（MPa）9.294.083.215.171.792.88倾角()22.357.48.3方位()84.2285.3174.22204巷7#大小（MPa）16.0110.892.788.251.945.76倾角()-18.355.21.6方位()312.660.242.98#大小（MPa）12.188.022.056.0925.94倾角()22.453.91.2方位()138.758.448.29#大小（MPa）11.157.581.945.941.945.94倾角()24.265.81.4方位()132.1308.341.5经综合分析长平井田原岩应力实测的特点如下：（1）原岩应力场的最大主应力为水平应力。四盘区最大水平主应力最大，倾角也较大，方向近东西向；一盘区最大水平主应力最小，方向近东西向；二盘区最大水平主应力方向近南南东向。最大主应力与垂直深度关系： （2）实测得到的最小主应力也为水平应力。四盘区最小水平主应力最大，方向近南北向；二盘区最小水平主应力最小，方向近北东-南西向；一盘区最小水平主应力方向近南北向。最小主应力与垂直深度关系： （3）同一测点上的最大水平应力与最小水平应力在方位上基本垂直，最大水平主应力为最小水平主应力的2.585.94倍。最大主应力与最小主应力的比值与垂直深度的关系： （4）垂直应力随深度线性增加，其值与按上覆岩层容重和埋深计算的垂直应力基本相符。垂直应力与深度的关系： （5）最大水平应力普遍大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的1.80-2.6倍。最大主应力与垂直应力的比值关系如下: 2 地质动力区划原理和方法地质动力区划的方法是在20世纪70年代末期由俄罗斯自然科学院院士 .教授和俄罗斯自然科学院通讯院士 . 教授提出的，20世纪90年代初引入中国并得到了很大的发展。地质动力区划可应用于矿区自然地质动力状况评价、矿井动力灾害预测、大型工程稳定性评价等方面，其理论基础是地球动力学和板块构造学说。经过板块构造学家的不懈努力，在全球板块形式、运动方式和相互作用关系等方面已取得了大量的研究成果，目前已进入后板块研究阶段，研究方向集中在板块动力学方面，开展了国际地球动力学计划（IGP）、国际岩石圈计划（ILP）、板块边界观测项目（PBO）等。根据板块构造学说，地壳由许多大板块构成，大板块在其边界应力的作用下，可以破碎成一些巨断块，而巨断块又会破裂成更小一些的断块，依此类推，就把地壳划分成一种不同从属等级的断块综合体。目前对全球主要板块划分及其分布的基本轮廓是清楚的，以此解释地震、火山现象、造山运动等地质构造运动现象是令人满意的。在板块的边界（由活动断裂构成）上常常发生各种地质构造现象，如全球每年记录的几百万次地震有85%发生在板块边界上。板块构造的研究成果为长期从事地质动力灾害研究工作者打开了新思路，对矿井动力灾害预测和防治工作提供了新的启示，矿山工程一定处于构造块体中，必然受到板块构造活动的影响，矿井生产与板块及构造块体的活动有密切联系。板块构造研究虽已取得了重要进展，但在工程上如何实际应用，两者之间还缺少必要的衔接和联系。特别是对于人类工程范围内（几十几百km2），则是板块构造学研究的空白点，也是板块构造研究与工程实际应用的隔离带。矿山工程范围往往处于次级块体中，必然受到板块构造活动的影响，也就是说矿井生产与板块及构造块体的活动有密切联系。一方面，矿井生产中出现的动力灾害等可以说是构造活动的依据；另一方面，可以用板块学说原理对这些现象及其规律性加以解释和说明。从这个意义上说，板块构造已不仅是构造学家的研究课题，而且也是所有从事与地球科学有关的工作者和矿山开采工作者的研究课题。由于板块研究的尺度标准和空间范围较大，目前尚不能直接应用于解决矿山开采工程出现的动力灾害问题。如何将板块构造的研究成果应用于矿产资源开发和地质动力灾害评价，一直为我国矿山开采工作者所关注。因此，必需建立一个新的研究方法，能够在人类工程活动尺度上解释和分析处理工程中出现的地质动力现象。这一方法必须遵循板块学说原理的原则和前提，从总体到局部地开展系统的研究工作，这就是地质动力区划方法产生的必然性。2.1 地质动力区划的理论基础2.1.1 地球动力学基础地球动力学的名称是著名弹性力学家勒夫（A.E.H.Love）在1911年出版的地球动力学的若干问题的著作中首次提出来的，他对地壳的均衡、固体潮、纬度变化、地球内的压缩效应、引力不稳定性以及行星体振动进行了卓越的研究。20世纪60年代板块大地构造学说问世以后，有人把大地构造物理学作为地球动力学的一部分；有人着重把地幔对流、海底扩张、大陆漂移作为地球动力学的主要内容；也有人把固体潮和地球自由振荡并入地球动力学；还有人主张把原来属于天文学的地球自转问题也纳入地球动力学的范围。直到20世纪80年代，地球动力学还被认为是固体地球物理学的一门分支学科。现代所称地球动力学则主要是指在板块构造学说建立之后，1970年国际地球动力学10年计划中提出的以探讨构造运动的力源为主要目标的地球动力学。地球动力学是地球科学与力学相结合的跨学科研究分支，它从地球整体运动、地球内部和表面的构造运动探讨其动力演化过程，进而寻求它们的驱动机制。地球构造运动及其动力演化过程决定着地质灾害的发生、矿产资源的分布以及地质环境的变迁，因此矿产资源的开发利用和地质灾害的防治对地球动力学具有高度的依赖性。地球动力学的最终目的，就是为解决经济建设中的矿产资源开发和地质灾害防治等工程应用提供理论指导。地球动力学作为一项基础性理论研究课题，对于矿产资源的勘探与开发、地质与地震灾害的预测和减轻、大型工程稳定性的评估等都有重要的理论意义和应用价值。现代地球动力学是在研究全球构造和地球深部作用的基础上建立起来的、广泛应用地质学、地球物理学、地球化学以及大地测量等学科进行综合和交叉研究的重大课题。狭义的地球动力学强调地球各种现象和要素的力源性质和动力作用模式的探讨，广义的地球动力学则包括对各类地球现象进行全球性的概括，并应用地质、地球物理和地球化学等多学科的综合研究，以求达到对行星地球的整体认识，探讨和推断地球演化过程中的动力作用史，从而建立地球动力演化模型。从地球层圈分布的角度来讲，地球动力学包括岩石圈动力学和核幔动力学。在P.J.Wyllie主持编写的“固体地球科学与社会”中，这两个研究领域都得到反映。岩石圈动力学是研究的主体。岩石圈动力学主要是指岩石圈的运动与变形及其与深部过程的关系。它汇集了岩石圈现代运动和变形以及现今进行着的各种过程的信息，并展示了将来会导致运动的因素。前者如活动亚板块、构造块体的划分及其运动矢量；主要活断层及其滑移速率；活动裂谷；活动褶皱；年轻火山；地震活动等。后者如重力、航磁异常带；地壳和岩石圈厚度；上地幔顶部纵波速度；岩石应力状态等，则是反映地壳、上地幔非均匀性和应力状态，会在将来引起运动的因素。简言之，岩石圈动力学是从岩石圈的介质、结构、应力、运动、变形和深部过程的角度进行综合研究。板块内部构造及其地球动力学机制问题，由于岩石圈结构和地球动力相互作用的复杂性以及人们认识的局限性注定了这一问题很难得到共识。在中国大陆研究板内构造及其地球动力学机制问题，要以中国地质构造的个性特征为基础，分析中国板内构造与地下深处和周围板块运动的关系。中国大陆不是一个刚性整体，而且被环抱于周围的洲级板块之间，频遭其挤压、剪切和拉伸作用的滋扰和破坏，以致发生规模十分宏大、覆盖了整个中国大陆以及境外延伸的板内构造变形。在这种情形下，板内变形受周围板块运动之影响远较来自地球深部的动力直接、容易和深刻；而且，中国大陆的板内构造样式、时间、期次和与周围板块运动的性质、时间和期次也具有良好的匹配关系。说明促使中国大陆板内构造的动力明显来自中国大陆以外的板块运动，而不是来自中国大陆本身的地下深处。因此，中国大陆板内构造研究，首要的是其与周围板块运动的关系。2.1.2 板块构造学说板块构造学说揭示了地球的表壳岩石圈被裂解为若干巨大的板块。坚硬的岩石圈板块驮伏在塑性软流圈之上，横跨地球表面发生大规模水平运动。板块与板块之间表现为分离、聚合和平移。在分离处，软流圈地幔物质上涌，冷凝成新的大洋岩石圈，导致板块增生；在聚合处，大洋板块俯冲至相邻板块之下，返回地幔，导致板块消亡。板块运动及其相互作用激起了地震和火山活动，带动了大陆漂移和大洋盆地的张开与关闭，也导致了种种地质构造作用。可以说，直至板块学说问世之后，地球科学家才第一次比较成功地回答了“地球是怎样活动的”问题。板块构造观点把地球作为一个整体来进行研究。它认为，个别大陆、区域的地质演化是与邻区演化发展密切相关的，也与全球的演化发展相关。该理论用高度活动的动力地球观和统一的地球力学模式成功地解释了与全球规模的岩石圈构造演化密切相关的许多重大问题和地质现象。板块构造的基本原理可归纳为以下四点：（1）固体地球上层在垂向上可划分为物理性质截然不同的两个圈层上部的刚性岩石圈和下部的塑性软流圈。（2）岩石圈在侧向上又可划分为若干大小不一的板块。板块是运动的，其边界性质有三种类型：（a）分离扩张型，伴随着洋壳新生和海底扩张；（b）俯冲汇聚型，伴随着洋壳消亡或大陆碰撞；（c）平移剪切型，沿着转换断层发生（图2-1）。地震、火山和构造活动主要集中在板块边界。箭头表示板块运动方向和箭头；A-B为海沟；BC、D、B-F为洋脊；D-E为右行转换断层向右转换为海沟；E-F为左行转换断层；B-C-D交汇处为三联点图 21 板块边界的三种类型和三联点（3）岩石圈板块横跨地球表面的大规模水平运动，可用欧拉定律描绘为一种球面上的绕轴旋转运动。在全球范围内，板块沿分离型边界的扩张增生，与沿汇聚型边界的压缩消亡相互补偿抵消，从而使地球半径保持不变。图 22 全球板块划分图（据Le Pichon，1968）（4）岩石圈板块运动的驱动力来自地球内部，最可能是地幔中的物质对流。按照板块构造理论观点，地壳被分成岩石圈板块、次板块和不同等级水平的板块（图2-2）。在相邻板块间具有相互作用。各种矿物矿床都位于板块相互作用区域内。每一种板块边界都有其相对应的地质动力环境。地震、火山现象、造山运动等都被认为是板块相对运动的结果。每种地质动力环境都有严格固定的深层结构，形成一定的构造。2.1.3 地质动力区划的哲学基础与知识体系（1）地质动力区划的哲学基础自然界里的规律主要是在均匀介质中发现。对于宏观世界，例如太阳系，哥白尼提出和论证了日心说，开普勒和牛顿描写出行星椭圆轨道运动，对于宏观物体低速运动的宏观运动规律的解答便令人满意了。对于微观世界，例如原子，波尔、海森伯和薛定谔描写出电子层结构，对于微观粒子运动规律的解答便令人满意了。然而地壳是一个极其复杂的研究对象，不但具有复杂的物质成分，不同的化学性质、物理性质和各式各样的结构方式，而且在漫长的时间和广大的空间内，又都受到了一系列物理作用、化学作用甚至生物作用等综合的地质作用影响，不断地发生着错综复杂的物理和化学变化。这些作用以及它们所呈现的各种地质现象之间，存在着互相制约、互相联系、互相转化的关系。它们的发生、发展和演化的规律，除具有普遍的特点之外，还常有一定的时间变异性和区域特殊性。而地壳是非均介质，对地壳的描述，还没有得到人十分满意的解答，地矿科学所得到的不是规律，而是规律性。正像恩格斯所指出的：“地质学按其性质主要是研究那些不但我们没有经历过而且任何人都没有经历过的过程。所以要挖掘出最后的、终极的真理就要费很大的力气，而所得是极少的”（恩格斯反杜林论）。但世界是统一的，物质运动并非是杂乱无章的。恰恰相反，它们是有章可循的，即是有规律性的。首先，物质运动有许多不同的形式，如机械的、物理的、化学的、生命的、社会的等，每一种运动形式都有它自己的规律，正是这种特殊的规律，把不同的运动形式相互区别了开来。其次，这些不同运动形式之间又有着内在的、本质的联系，就是说，它们彼此相互联系、相互作用和相互依赖。根据以上哲学原理，我们可以确定，在地壳里同样作用着与在均质介质里相同的规律。因此，可以利用均质介质里得出的规律来指导和帮助我们研究地壳的运动问题。在地壳这个非均匀介质中，板块构造理论吸收了地震、海洋地质调查、古地磁和地球物理等方面的研究成果，板块构造学已成功地解释了大区域的地质构造运动和地震、火山喷发等地质动力灾害。在板块构造学描述地壳动力学的规律的基础上，基于相同的原理，在工程范围内，建立地质动力区划理论和方法论，用以解释矿井所发生的动力现象，如煤与瓦斯突出、冲击地压等。这样就可以把大尺度的规律性移到小尺度上，或者相反。（2）地质动力区划的知识体系地质动力区划属于交叉学科，研究内容涉及板块构造学、断裂学、矿床成因学、地貌学、采矿学、测量学和地球物理学等多个学科领域。相关学科知识领域的研究成果为地质动力区划提供了可以借鉴的有关地球学科的研究成果，例如板块构造学关于板块边界和板块相互作用的研究成果，断裂学关于断裂相互作用法则、断裂存在的持久性和断裂影响带等研究成果。地质动力区划理论在辨证统一的基础上形成其包含相关学科的知识体系（表2-1）。表 21 地质动力区划知识体系知识领域相关内容板块构造学板块边界特征和板块相互作用断裂学断裂相互作用法则，断裂存在的持久性；断裂影响带矿床成因学断裂带内矿床分布地貌学区分块段结构的方法构造物理学构造结构形成机制,断裂影响带采矿学冲击地压发生时岩石破坏机制；露天边坡稳定性破坏机制；岩层移动机制等数学（统计学）趋势面建立；样本识别力学剪切破坏形成机制；裂隙形成机制高等测量学地壳现代运动特点与数值地质动力区划揭示区域构造形式和构造应力场形成的规律性，其应用领域包括矿区、油田、线性工程和核电站选址等。表2-1仅列举了地质动力区划的一般知识体系，根据地质动力区划的工程应用领域的不同，其知识体系亦包含了相应学科领域的内容，因此地质动力区划的知识体系是一个动态扩展的体系。矿区地质动力区划的应用包括矿井动力灾害预测、井筒位置选择、巷道布置与回采方案等（图2-3），因此，针对矿区地质动力区划的特点，其知识体系除包括表2-1所列内容外，还包括流体力学、煤岩学、煤田地质学等学科内容。图 23 矿山领域地质动力区划的应用内容2.2 地质动力区划原理与工作原则2.2.1 地质动力区划的原理地质动力区划工作是在板块构造所划分的上一级板块或构造块体的基础上进行的，一方面必须遵循板块构造学说的基本原理，另一方面要结合实际工程问题来进行，应用相关学科研究方法和手段进行活动断裂划分、评估应力状态等工作，做到有的放矢。地质动力区划研究对象是工程块体，目标是预测矿井动力灾害等。矿井动力灾害产生的动力机制是在工程块体中有能量的存在，动力学基础是能量的积累，能量积聚是与构造活动、应力场变化有关，又是板块运动所导致的。工程岩体所处的断块其地质动力背景有两种情况，一是具备产生地质动力现象的背景条件，二是不具备产生地质动力现象的背景手条件。所以地质动力区划能够回答两个问题，一是能够根据区域地质构造形式与背景，在工程进行之前判别人类工程所处断块是否具备发生矿井动力灾害的地质动力条件，同时能够解释，为什么某些矿区从不发生矿井动力灾害，而其它一些矿区则频频发生矿井动力灾害；二是对具备发生矿井动力灾害地质动力条件的断块，可查明断块活动特征、确定活动断裂划分依据，进而划分不同级别的构造及断块，确定断裂活动性，构造对应力分布的影响以及产生的能量积聚。在工程块体的运动方式和速率研究方面，由于它的运动速率很小，与人类工程活动速率相差35个数量级，同时由于工程重要程度和经费的要求，多数工程很难进行精确的大地运动观测，位移量很难测得到。目前仅少量矿井建立了闭合导线测量方案，通过闭合导线测量可以确定断块活动与进行开采工程的相互关系，其成果可用于地质动力区划的研究工作中。依据地质动力区划的原理，要求矿井的工程活动所产生的地质动力效应要根据大地构造和板块的动动特点来确定。这是控制地下地质动力状态、进行安全开采的主要条件。应用地质动力区划方法对工程所在区域将要发生地质动力现象进行预测，划分安全区、威胁区和危险区，并制定安全开采的措施，指导工程的合理、安全地进行。2.2.2 地质动力区划的工作原则地质动力区划研究应该遵循从总体到局部的原则，这一原则能够在小比例尺进行地质动力区划时从一般现象抽象出个别特征，分析出地质构造的区域发展规律，确定矿区地质动力演变过程。在研究过程中，确定的研究范围越大，就越能表现出同一性，也就越明显地分析出隐藏着的规律性。例如：在人类了解宇宙空间之前，从地球观察火星只能看到一些直线区段，科学家称之为“火星人的运河”，甚至推出假设说这是火星居民的创造。同样从卫星照片上也可以看到地球上同样的直线区段“轮廓”，但是如果更近的观察地球表面，这直线的“轮廓”就会消失，而变成模糊不清的许多个别部分-构造片段，这是因为比例尺加大了。因此从一般到个别就能确定活动构造发展的一般规律。这一规律对研究地质动力过程和预测地质动力灾害是非常重要。地质动力区划工作遵循从总体到局部的原则，查明地壳的活动构造，以解决工程实际问题为目标，针对人类工程活动所引发的地质动力现象开展研究工作。“不谋全局者，不足谋一域”，首先在板块构造研究的基础上，进行、和级区划工作。每级区划所用比例尺逐渐增大，也就是说研究范围在逐渐缩小。级区划工作是建立板块构造研究与工程所在的大区域构造活动之间的联系，下一级别的区划工作都是建立与上一级别区划研究的联系，并进一步细化研究内容和缩小研究范围，级区划工作尺度与井田范围相对应。通过这一系统的研究和区划工作，建立了板块构造学说与工程应用之间的联系，确定人类工程所处的地质构造和地质动力背景，查明各级构造断块的边界，划分构造活动区，建立工程所处位置的地质构造模型，进而分析岩体应力状态，划分地质动力灾害危险区，对地质动力灾害危险性进行预测，最终达到预测人类工程活动产生的地质动力效应的目标。为遵循从总体到局部这一工作原则，地质动力区划研究中所选用的划分各级断块构造的比例尺范围见表2-2所示。表中巨大断块选用的比例尺