《武汉工程大学学报》 2009年07期
44-47
出版日期：2009-07-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
古今构造应力的对比与危险性评价研究
0引言构造应力场可分为古构造应力场、现今构造应力场两类，前者由地质历史时期构造活动留下的变形形迹（褶皱、断裂、节理等宏观变形）所确定，后者由不同应力测量方法获取.二者之间存在制约、控制或继承的复杂关系，现今构造应力场是在古构造应力场背景下的延伸或继续，不仅继承古构造应力场或受古构造应力场先存条件的制约，同时也会改变或改造古构造应力场信息，可见古构造应力场的研究是探索现今构造应力场基本特征的不可回避的重要内容［13］.从构造运动的期次、方向、大小对比研究山西晋城成庄煤矿区古今构造应力场，结合煤矿区地质体内摩擦角的分布特征，探讨古今构造应力作用下地质体抵抗力，为煤矿区危险性分区、安全性预测提供新的研究思路. 1古构造应力1.1古构造应力量值的描述晋城成庄矿区构造形迹与构造模拟结果揭示成庄矿区历史上曾发生先南北向、后东西向的两期大的构造运动，构造作用的大小东西向为60 MPa，南北向110 MPa，构造作用产生的最大主应力σ1平均在100 MPa，最小主应力σ3平均在30 MPa［4］.由于地质体的内摩擦角变化能够描述或反应岩体抵抗破坏能力相对大小的变化，因而形成了在均匀应力场作用下抵抗破坏能力弱的地方产生断裂、节理或褶皱等构造形迹. 1.2内摩擦角与地质体抵抗力内摩擦角是地质历史时期构造应力作用留下的重要信息，是定量反推地质历史时期构造应力大小或相对大小的重要依据.地质体的破坏按照库伦剪破裂准则，即外力引起的应力值超过岩体抵抗剪切破坏的极限值，这个极限值实质上就是岩体抵抗剪切破坏的能力，即由（1）式决定：τ=c+σntan（1）
式（1）中：τ为岩土体的抗剪强度（kPa）；c为岩土体的粘聚力（kPa）；σn为作用在剪切面上的法向应力（kPa）；为岩土体的内摩擦角（°）.若以为横坐标，τ为纵坐标，则内摩擦角的大小与抵抗剪切破坏的能力τ之间的关系可表示为图1（a）.内摩擦角为零时属纯剪切情况，标志着剪切面上没有压应力作用，除此之外，剪切面上抵抗剪切的能力τ均随内摩擦角的增大而增大.当地质体中一点在某一平面上发生剪切破坏时，抵抗剪切破坏的能力τ与主应力之间所应满足的关系为：τ=12（σ1-σ3）cos（2）内摩擦角的大小与抵抗剪切能力τ之间的关系也可表示为图1（b），增大的同时，剪切破坏面与最大主应力σ1的夹角减少，抵抗剪切破坏的能力τ亦减少.根据库伦剪破裂准则，摩擦角与主应力之间的关系为：
σ1=σ3tan345°+2+2c·tan45°+2（3）由此可见，摩擦角的大小是反应地质体抵抗剪切破坏能力的重要参数之一.（a）（b）
图1内摩擦角与剪切破坏能力τ之间的关系
Fig.1Internal friction angle and resistance shearing failure ability1.3内摩擦角分布特征由节理的共轭角推算出地质体的内摩擦角，其公式为：=90°-θ（4）式（4）中，θ为共轭节理锐角，对于连续介质而言，非纯剪切情况下，内摩擦角不可能为零，这就意味着这一共轭角不可能为直角，只能是小于90的共轭锐角.第7期周春梅，等：古今构造应力的对比与危险性评价研究
武汉工程大学学报第31卷
成庄矿区主要研究了两类不同深度地质体的内摩擦角，其一是地表，主要是砂岩、泥岩组合地质体的内摩擦角，另一类是3#煤层两条巷道上顶板地质体的内摩擦角，深度为大约在300 m.地表节理内摩擦角变化范围主要在10~40°之间，大于40°或小于10°仅少量分布，其中以20~30°为主体，出现大于40°或小于10°的情况存在两种可能，一种可能是不同期次的节理叠加，晚期节理利用早期先存节理发育，导致摩擦角变小，另一种可能是形成节理时局部环境的变化，如围压加大使摩擦角变大等.深度为在300 m左右的3#煤层其内摩擦角变化，其变化区间在3~65°之间，其中10~45°之间较为普遍.内摩擦角的非线性变化说明介质具明显非均匀性特点，或反应同一介质不同破裂时期因温压环境等的变化所导致的结果.内摩擦角大的区域属抵抗剪切破坏能力强的区域，对应于弱变形域或不容易发生剪破裂，而内摩擦系数小的区域属抵抗剪切破坏能力弱的区域，对应于强变形域或容易发生剪破裂［5］.图2为成庄矿区地表内摩擦角变化图，图3中鼓出的表明弱变形域，凹陷的表明强变形域，构造强变形区呈北北东向条带状分布在中部.3# 煤层顶底板围岩内摩擦角测试结果所反应出的内摩擦角在27.6~30.5°之间，与上述根据节理共轭角确定的内摩擦角具相似性.图2地表内摩擦系数
Fig.2Ground surface internal friction coefficient图3地表内摩擦系数立体图
Fig.3Stereogram of ground surface internal friction coefficient2现今构造应力人类生产实践活动中的安全隐患如瓦斯爆炸、新生断裂或陷落柱等都是现今构造应力的结果，其原因主要是由于新构造运动、人类活动而导致应力重新分布［56］.成庄矿区4个不同深度处的地应力测量结果如表1和图4，其基本特点是：
**数据来源于太原理工大学2004年测试结果.表1现今构造应力测量结果
Table 1Measurement results of recent tectonic stress
深度（地面以下）/m448366279240中间主应力（垂直）/MPa11.29.27.06.0最大水平主应力/MPa12.913.213.810.6最小水平主应力/MPa6.56.46.45.5方向（与正北方向夹角）/（°）8697.694.232.6图4现今构造应力随深度变化图
Fig.4Recent tectonic stress vary with deptha. 中间主应力σ2主要是由于重力引起的应力，随深度呈线性递增变化趋势，满足公式σ2=γhg（γ：根据煤层顶底板岩石力学参数实验结果，平均取2.68 g/cm3）.b.最大主应力σ1随深度变化较小，其变化区间在10.6 MPa~13.8 MPa之间，相对较为稳定，特别是240 m以下部分，其最大主应力平均在12.6 MPa左右.最小主应力σ3相对较为稳定，平均在6.2 MPa左右，具有与最大主应力类似的变化趋势.从地面往下450 m深度范围内，岩体的最大和最小主应力变化不大，主要受水平构造应力及岩体自身的强度参数的影响.c.4个不同深度处地质体内主应力的方向以东西向为主，只有240 m处主应力方向发生突变，即由下部近东西向变为北东向，具明显的不协调性.d.现今构造应力测量值与由库伦剪破裂准则确定的古构造应力值存在较大的差别，古构造作用下的最大主应力σ1是现今构造应力最大主应力的7倍，最小主应力σ3是现今构造应力最小主应力的5倍，但在主方向上具一致性，现今构造应力是否是古应力递减并延续至今的结果，这一规律是值得注意的.3古今构造应力场作用下危险性评价古构造应力作用下，地质体的危险区与内摩擦角反映的规律一致，即抵抗剪切破坏能力较低（内摩擦角较低区域）的区域，如图5，危险区分为东西两带，西带Ⅱ位于研究区西部，从北而南分布于后河、许村、北洛一带，东带Ⅰ从北部老阎庄经东坡至中街一带，东带分布较宽.图5古构造应力作用下危险性分区图
Fig.5Hazard zonation map under the action of paleo tectonic stress现今构造应力作用下，地质体的危险性分均匀连续与非均匀连续两种介质考虑.a.均匀连续地质体.以二盘区2225巷448~500 m处砂岩为例，计算其抵抗剪切破坏能力，根据实验结果υ=0.20、单轴抗压强度σ1=99.14 MPa、c=22.41 MPa、＝28.92°**，根据式（3），则有σ3＝8.08 MPa，根据式（2），则500 m处地质体的抵抗能力τ=39.85 MPa，也就是说要发生90－＝61.08°共轭角的剪破裂，最小剪应力为39.85 MPa. 由表2可得，地面以下448 m深度地质体现今构造应力σ1＝12.9 MPa、σ3＝6.5 MPa，代入式（2），可得τ=2.8 MPa，实质上448 m处现今应力值仅为τ=2.8 MPa＜剪破裂最小剪应力39.85 MPa，故在现今构造应力作用下，均匀连续的地质体是安全的.b.非均匀连续地质体.假设地质体中已存在一个与σ1成β角的节理面（图6），节理面上c=0，摩擦角0，根据地质体节理上一点达到极限平衡状态和满足莫尔－库伦强度理论，则沿节理面重新开始滑动的应力状态为［7］：σ3=σ1tan（β-0）tanβ（5）图6地质体中任意点的应力
Fig.6Stress of any point in geological body由式（5）可得出结论，现今构造应力最大主压应力方向近似东西向，与最大主压应力近垂直的先存破裂面（如北北西向与北北东向先存破裂面m＇n＇）不容易重新滑动，相对较为安全；与最大主压应力小角度相交的先存破裂面（如北东东向与北西西向先存破裂面mn）容易重新滑动，相对较为危险.用这一规则，可判断现今构造应力作用下由于古构造应力作用留下的节理的能动性［68］.4结语a. 成庄矿区历史上曾发生先南北向、后东西向的两期大的构造运动，古构造作用是先东西向加载60 MPa，再南北向加载110 MPa，古构造作用是均匀应力场，其危险区与地质体的内摩擦角分布规律一致，危险区分为东西两带，西带Ⅱ位于研究区西部，从北而南分布于后河、许村、北洛一带，东带Ⅰ从北部老阎庄经东坡至中街一带，东带分布较宽.b.现今构造应力是古构造应力递减并延续至今的结果，方向与古构造应力一致，即近东西向的主应力.现今构造应力作用下均匀连续地质体是安全的，非均匀连续地质体中北东东向与北西西向先存破裂面容易重新滑动.c.岩石内摩擦角是反应地质体抵抗剪切破坏能力的重要参数，其分布不均匀性与地质体的强弱变形域相对应，为矿区的危险性预测提供新的研究方向.