煤层赋存于沉积岩地层，与岩浆岩或变质岩的成岩机制有本质区别，研究掌握煤系地层地应力分布规律和变化特征是井工煤矿进行科学开挖设计的必要前提和理论基础[1]。适用于煤矿井下大面积开展地应力测量的方法主要有应力解除法和水压致裂法[2-3]，后者由于不受煤矿井下开采环境制约而得到普遍应用。康红普等[4-6]采用自主研发的小孔径水压致裂地应力测量装置，在我国山西省的主要采煤区完成160余个测点的井下原位地应力测试，总结出煤矿区地应力分布的基本特征，得出地应力值总体上随埋深增加而增大的变化规律。西山矿区也是山西省采煤区的重要组成部分，但迄今为止从未进行过地应力测量。
采用水压致裂地应力测量方法，也有学者在国内其他煤矿区井下进行了原岩应力测试，并基于实测数据研究了测试矿区地应力的赋存特征。蔡美峰等[7]利用改进的地面水压致裂地应力测量装备，在山东万福煤矿千米深井成功实现井下37个测点的原位地应力测试，确定了矿区的地应力状态及其分布规律。彭华等[8]应用深孔水压致裂地应力测量方法在赵楼深部矿井完成16个测点的地应力测量，掌握了矿区原岩应力场分布规律。康红普等[9]采用小孔径水压致裂地应力测量装置实现了新汶超千米深部矿区原岩应力的井下现场测试，分析总结了深部煤矿区地应力的赋存特征，验证所用测量装置适应于深部矿井地应力测试。刘江[10]在内蒙古西部伊泰浅埋深矿区进行了水压致裂地应力现场测量，分析了地应力值随埋藏深度的变化规律。上述研究均侧重探讨煤系沉积岩地层水平主应力值大小与埋深之间的关系，却鲜有针对煤系沉积岩地层开展不同岩性岩体对地应力场分布规律影响的研究。笔者采用小孔径水压致裂地应力测量装置，在西山矿区9个煤矿，实现59个测点的现场原位地应力测量，研究矿区地应力场分布规律，探究岩性对地应力场分布规律的影响，研究成果为西山矿区煤矿采掘等工程设计提供重要基础数据，实测资料填补该区域地应力数据空白，为研究山西省煤矿区地应力场分布规律提供重要补充资料。
1 西山矿区地应力测量
1.1 地质背景
西山煤田位于祁吕贺“山”字形构造东翼内带，主要受新华夏系构造体系控制，为山西省多字形雁行斜列的主要煤盆地之一。马兰向斜是控制煤田盆地的主向斜，自北而南经镇城底矿和马兰矿贯穿整个煤田中部，延展50 km，由于SN向挤压及NEE向走滑断层和岩浆岩活动，N端轴向转为NNE至NE，中部转向NW，S端仍基本保持原来的SN轴向，大致呈“S”形展布。
西山煤田西北部边界红岩子断层位于镇城底矿和西曲矿井田西部;煤田中部古交、头南峁和土地沟断层组成古交构造带，断带宽0.3～1.5 km，主断裂最大断距100～200 m，延展22 km，与马兰向斜轴呈“丁”字形;赛庄—王龙—原相—兆峰构造带为唯一横切煤田中部的NEE向最大构造带，延展57 km，断带最大宽达2 km;杜儿坪断层倾向NW，东段与其分支鸦儿崖断层、虎峪南断层分别组成地垒和地堑，主断裂和分支断裂断距均在100～150 m以上;煤田东南部边界为碾底和瓦窑村断层[11]。由此可见，西山矿区地质构造非常复杂，主要由褶曲和断裂2种构造组成，地应力测点位置尽可能避开构造区布置。
1.2 地应力测量结果
采用适用于煤矿井下地应力测量-小孔径水压致裂地应力测量装置[4-6,9-10,12]，在西山矿区杜儿坪、官地、马兰、屯兰、东曲、西曲、镇城底、白家庄及西铭等9个煤矿井下巷道实现59个测点的原位地应力现场测量，每个煤矿测点数量分布依次为8，8，6，5，9，7，6，4，6个，如图1所示，测点位置埋深84～636 m，覆盖西山矿区主要采区所有开采煤层，地应力测量结果详见表1。
图1 地应力测量测点分布
Fig.1 Distribution of in-situ stress measurement points
表1 西山矿区井下地应力测量结果
Table 1 Underground in-situ stress measurement results in Xishan coal mine field
煤矿名称测点编号测点位置岩性H/mσC/MPaσV/MPaσH/MPaσh/MPakHVkaV最大水平主应力方向① 北五四斜坡粉砂岩50876.43 12.70 16.72 8.77 1.32 1.00 N47°W② 北五三斜坡细砂岩63062.42 15.75 12.61 6.57 0.80 0.61 N20°W③ 南九3号轨道巷砂质泥岩49757.52 12.43 13.67 6.94 1.10 0.83 N9°E杜儿坪④南十轨道巷砂质泥岩60857.52 15.08 16.81 10.30 1.11 0.90 N14°W⑤ 6号煤高抽准备巷粉砂岩46376.43 11.58 22.55 11.49 1.95 1.47 N38°E⑥ 6号煤高抽准备联巷粉砂岩41576.43 11.69 23.72 12.38 2.03 1.54 N44°E⑦ 9煤轨道巷砂质泥岩44353.42 11.08 13.97 7.29 1.26 0.96 N32°W⑧9煤轨道巷砂质泥岩42953.42 10.73 13.72 7.05 1.28 0.97 N46°W① 28412运输巷590 m石灰岩384113.49 9.60 9.92 5.17 1.03 0.79 N58°W② 28412运输巷830 m石灰岩403123.10 10.08 10.92 5.23 1.08 0.80 N67°W③ 16413运输巷80 m粉砂岩32350.94 8.08 9.04 5.24 1.22 0.88 N86°W官地④ 16413运输巷260 m砂质泥岩32532.57 8.13 8.36 5.47 1.03 0.85N56°W⑤ 北四运输巷细砂岩34672.67 8.65 8.77 6.15 1.01 0.86 N90°W⑥ 北四轨道巷500 m处细砂岩37972.67 9.48 9.57 6.01 1.01 0.82 N62°W⑦ 中六轨道延伸40 m 细砂岩63671.72 15.90 13.16 6.75 0.83 0.63 N74°W⑧中六轨道延伸300 m砂质泥岩62227.83 15.55 13.99 7.17 0.90 0.68 N33°W① 北三轨道下山砂质泥岩43833.79 10.95 11.31 5.96 1.03 0.79 N16° E② 北三轨道下山石灰岩40888.25 10.20 12.35 6.25 1.21 0.91 N18°W马兰③ 南一轨道下山粉砂岩40460.45 10.10 13.17 7.28 1.30 1.01 N72°W④ 18308轨道巷砂质泥岩46433.79 9.10 10.57 6.28 1.16 0.93 N62°W⑤ 12511轨道巷粉砂岩32260.87 8.05 11.05 5.67 1.37 1.04 N5°W⑥ 南七02号煤左翼集中巷砂质泥岩31367.36 7.83 14.52 7.83 1.85 1.43 N58°W① 12407轨道巷120 m粉砂岩26950.25 6.73 10.80 5.66 1.60 1.22 N70°E② 12407轨道巷220 m粉砂岩27150.25 6.76 9.10 5.07 1.35 1.05 N63°E屯兰③ 28109轨道巷60 m细砂岩27869.26 6.95 9.00 5.01 1.29 1.01 N6°E④ 28109轨道巷160 m细砂岩24669.26 6.15 9.01 5.04 1.47 1.14 N28°E⑤ 18202运输巷15 m细砂岩31569.26 7.88 11.20 6.46 1.42 1.12 N87°E
续 表
煤矿名称测点编号测点位置岩性H/mσC/MPaσV/MPaσH/MPaσh/MPakHVkaV最大水平主应力方向① 28808轨道巷230 m细砂岩31364.79 7.82 8.48 5.42 1.08 0.89 N70°W② 28808轨道巷470 m细砂岩27964.79 6.97 11.36 6.01 1.63 1.25 N85°W③ 28808轨道巷670 m砂质泥岩33246.52 8.30 8.69 4.64 1.05 0.80 N50°W④ 12418轨道巷490 m细砂岩23273.67 5.80 11.23 6.46 1.94 1.53 N50°E东曲⑤ 12418轨道巷640 m细砂岩22073.67 5.50 13.96 7.16 2.54 1.92 N38°E⑥ 12418轨道巷800 m细砂岩22873.67 5.70 12.48 6.71 2.19 1.68 N19°E⑦ 14412轨道巷440 m砂质泥岩25646.52 6.41 18.68 9.55 2.91 2.20 N22°E⑧14412轨道巷230 m砂质泥岩28946.52 7.23 13.48 6.86 1.86 1.41 N74°E⑨14412轨道巷70 m砂质泥岩26146.52 6.52 12.53 6.37 1.92 1.45 N69°E① 28104运料联络巷细砂岩13266.53 3.30 10.60 5.63 3.21 2.46 N48° E② 28104运煤斜巷砂质泥岩8448.58 2.10 8.88 4.53 4.23 3.19 N40°E③ 南三2.3号煤运料斜坡细砂岩19562.48 4.85 9.32 4.98 1.92 1.47 N43°W西曲④ 24305运煤措施巷粉砂岩10562.92 2.63 8.13 4.28 3.09 2.36 N8°W⑤ 24305回风巷细砂岩11462.92 2.85 6.11 3.67 2.14 1.72 N38°W⑥ 18404运输巷细砂岩12462.92 3.10 8.84 4.99 2.85 2.23 N16°E⑦ 28303回风巷细砂岩17362.92 4.32 8.56 4.51 1.98 1.51 N43°E① 28117轨道巷1 930 m砂质泥岩38544.45 9.30 11.34 6.22 1.22 0.94 N14°W② 22603轨道巷200 m粉砂岩40766.22 9.73 10.58 5.44 1.09 0.82 N67°W③ 22608运输巷粉砂岩31948.86 7.51 9.05 5.39 1.21 0.96 N12°W镇城底④ 下组煤运输巷10 m细砂岩43862.74 10.45 14.58 7.89 1.40 1.08 N36°E⑤ 下组煤轨道巷细砂岩45662.74 11.07 11.30 6.00 1.02 0.78 N15°E⑥ 22618运输巷细砂岩36562.74 8.70 9.42 4.85 1.08 0.82 N38°W① 36803开切眼粉砂岩33253.19 8.29 8.69 4.65 1.05 0.80 N20° E白家庄② 36803运输巷粉砂岩32353.19 8.07 8.61 5.40 1.07 0.87 N33° E③ 39801运输巷70 m处砂质泥岩25039.98 6.25 8.56 4.63 1.37 1.06 N44° E④ 39801运输巷200 m处石灰岩23897.92 5.94 11.55 6.86 1.94 1.55 N39° E① 3号煤集中轨道巷640 m细砂岩30575.49 7.63 8.11 4.87 1.06 0.85 N54° W② 49409转运巷230 m石灰岩32197.92 8.04 17.20 8.89 2.14 1.62 N56° E西铭③ 49409转运巷150 m细砂岩32275.75 8.07 17.43 8.99 2.16 1.64 N63° E④ 49409转运巷60 m细砂岩34283.51 8.55 15.73 8.97 1.84 1.44 N51° E⑤ 西十二集中胶轮车巷170 m砂质泥岩36760.20 9.19 11.65 6.40 1.27 0.98 N56°W⑥ 西十二集中胶轮车巷70 m砂质泥岩32960.20 8.23 10.89 5.85 1.32 1.02 N53°W
注:H为埋深;σC为岩体强度;σV为根据上覆岩石埋深计算的垂直应力(岩石密度取2.50 g/cm3);σH为水平最大主应力;σh为水平最小主应力;kHV为最大侧压比;kaV为平均侧压比。
2 西山矿区地应力场分布规律
2.1 地应力场类型分析
原岩应力场主要由自重应力场和构造应力场组成[13]。由表1可知，垂直主应力大于水平最大主应力的测点仅有3个，埋深分别为622，630，636 m，占59个总测点数的5.1%，如图2所示，分布于杜儿坪和官地等2个煤矿，为自重应力场。水平最大主应力大于垂直主应力的测点有56个，占94.9%，埋深为84～608 m，为构造应力场。西山矿区地应力测量结果表明，构造应力场所占比重远远大于自重应力场，后者恰好为前者的17倍，表明西山煤矿区地应力场主要以水平应力为主，构造应力场占绝对主导地位。
构造应力场又细分为两类，中间主应力以垂直应力为主的应力场，56个测点中有40个，占总测点数的67.8%(图2)，埋深为246～608 m;中间主应力以水平最小主应力为主的应力场，56个测点中有16个，占总测点数的27.1%，如图2所示，埋深为84～415 m，其中有4个测点深度为321～415 m，水平最小主应力值略大于垂直主应力值，主要由于西铭矿分布的②,③,④号等3测点位置临近玉门沟正断层导致水平应力值有所增加所致[14]，剩余12个测点埋深均小于250 m。
图2 西山矿区地应力场类型
Fig.2 Type of in-situ stress field in Xishan coal mine area
综上分析，埋深小于250 m，构造应力场为σH>σh>σV型;埋深250～600 m，构造应力场为σH>σV>σh型，与山西省其他煤矿区地应力场分布特征非常相似[6]。
2.2 地应力值与埋深关系
已有研究[4-10]均表明地应力值随埋深增加而增大，但也受到地质构造、地形地貌等因素影响，针对西山煤矿区复杂地质条件进行详细分类研究。根据相关判定标准[15]，0～10 MPa为低地应力，10～20 MPa为中等地应力，20～40 MPa为高地应力，大于40 MPa为超高地应力。由表1可知，主应力最大值小于10 MPa的测点有22个，占59个总测点数的37.3%，为低地应力，分布于官地、屯兰、东曲、西曲、镇城底、白家庄及西铭等7个煤矿，测点埋深为84～384 m，如图3所示;主应力最大值位于10～20 MPa的测点有35个，占59.3%，为中等地应力，9个煤矿均有分布，测试位置埋藏深度为132～636 m，如图3所示;主应力最大值大于20 MPa的测点仅有2个，分别为22.55和 23.72 MPa，分布于杜儿坪矿，占3.4%，为高地应力，但无超高地应力，如图3所示。低地应力测点埋深普遍偏小，中等地应力测点深度总体相对较大，但2个高地应力测点埋深却相对偏小，如分布于杜儿坪矿的⑤和⑥号2个测点垂深为463和415 m，发现测站布置于靠近落差为30 m的杜儿坪矿中部正断层，由于正断层产生的张性拉伸断裂构造运动导致地应力值出现异常。康红普等[16]在山西晋城矿区逆断层附近地应力测试结果表明水平应力呈减小变化特征，认为由于断裂构造运动释放应力所致。而西山矿区临近正断层带地应力测试结果却显示应力值呈增大变化趋势，这主要由于正逆断层导致岩层应力作用机制不同所致。地应力实测数据表明，西山煤矿区以中等地应力为主，低地应力次之，正断层等特殊地质构造带存在高地应力。
图3 西山矿区地应力量级
Fig.3 In-situ stress magnitude in Xishan coal mine field
西山煤矿区所有测点中埋深最浅的仅为84 m，最深的为 636 m，地处古交地界的屯兰、东曲和西曲等3个煤矿开采煤层赋存较浅，埋深大致在84～332 m，所测地应力值相对偏小;位于太原西山边缘的杜儿坪、官地、西铭和白家庄等4个煤矿，以及所处古交地界的镇城底、马兰等2个煤矿开采煤层赋存较深，埋深大致为250～636 m，所测地应力值相对偏大。将西山煤矿区9个煤矿59个测点的地应力测试数据绘成散点图，由图4总体来看，西山煤矿矿区所测地应力值大小随测点埋深增加而增大，但离散性显著，主要由于矿区密集分布大量的断层等断裂构造，且多个测点位于特大型正断层带附近导致地应力值出现异常所致。除杜儿坪矿⑤和⑥号测点外，还有东曲矿④～⑥号测点靠近落差为50 m的羊圈港正断层，⑦～⑨号测点接近落差为33 m的王龙正断层，西铭矿②～④号测点临近落差为30 m的玉门沟正断层，水平最大、最小主应力相比其他测点明显呈增大变化特征，见表1。
图4 地应力与埋深关系
Fig.4 Relation between in-situ stress and buried depth
埋深不仅影响地应力值的大小，也决定地应力场的类型。西山矿区地应力测量测点基本覆盖了9个煤矿主要采区开采煤层，相对准确地反映出西山矿区煤矿开采煤层赋存深度，将埋深位于0～200 m归类为浅埋深矿井，仅西曲1个煤矿，7个测点中埋深最小84 m，最大195 m，原岩应力以构造应力为主，且水平最小主应力大于垂直主应力，形成σH>σh>σV型地应力场，水平应力占绝对主导地位。
埋深位于200～500 m归类为中深部矿井，分布于西山矿区其余8个煤矿，有47个测点，约占59个总测点的80%，最小埋深220 m，最大埋深497 m，表明西山矿区煤矿主要为中深部矿井，原岩应力量级以中等水平为主，局部测点呈高应力水平，与所测区域分布特大型正断层等地质构造有直接关系，地应力场类型呈多样化，但仍以σH>σV>σh型为主。
埋深超过500 m的归类为深部矿井，仅有5个测点，约占59个总测点的8.5%，分布于杜儿坪矿的北五三采区和官地矿的中六采区，埋藏深度绝大多数超过600 m，随埋深增加由构造应力场转变为自重应力场，但地应力量级仍属于中等水平。
2.3 水平主应力方向特征
确定水平最大主应力方向对煤矿布置采区巷道掘进方位具有重要指导作用。根据表1测试数据，绘制西山矿区煤矿地应力分布情况，如图5所示，图中红色和蓝色箭头分别代表水平最大和最小主应力。由图5可知，西山矿区以东曲煤矿为中心，划分成西山和古交两大区域，王龙—赛庄断层以南，碾底—瓦窑村断层以北为界，由北到南包围着西铭、杜儿坪、官地及白家庄等4个煤矿，布置26个测点，有16个测点水平最大主应力方向呈NW向，主要为N20°W～N90°W，有10测点最大水平主应力方向呈NE向，主要为N9°E～N63°E，其中杜儿坪矿⑤,⑥号和西铭矿②,③,④号等共5个测点不仅水平主应力值呈增大趋势，而且水平最大主应力方向也发生了转向，见表1。古交区域西北部以红崖子断层为界，西南部以白岸—兆峰茆断层，中部以王芝茂—羊圈港断层为界，包括西曲、镇城底、屯兰、马兰和东曲等5个煤矿，部署33个测点，有15个测点水平最大主应力方向呈NW，主要为N5°W～N85°W，而东曲矿分布的④～⑨号等6个测点位于羊圈港和王龙正断层包裹区，同样不仅水平主应力值呈现增大趋势，而且水平最大主应力方向也发生转向;有18个测点水平最大主应力方向呈NE向，主要为N6°E～N87°E，见表1。总体来看，西山矿区水平最大主应力方向为NW向和NE向，约各占50%，位于兆峰峁—白岸断层西北区域的马兰矿，以及被赛庄—碾底断层包裹的位于西山地界的西铭、杜儿坪、官地、白家庄等4个煤矿，最大水平主应力方向以NW向为主，主要为N5°W～N90°W;被红崖子—后风坪岭—王封断层包裹的位于古交地域的西曲、镇城底、屯兰及东曲等4个煤矿，水平最大主应力方向以NE向为主，主要为N6°E～N87°E，但在断层密集区水平最大主应力方向表现出明显的转向特征[14,16]。由此可见，特大型断层等地质构造显著影响矿区地应力场分布规律，正断层地质构造区水平主应力值不仅呈增大变化特征，而且水平最大主应力方向也发生转向。
图5 西山矿区地应力分布
Fig.5 In-situ stress distribution map in Xishan coal mine field
2.4 侧压比变化规律
最大侧压比为最大水平主应力与垂直主应力的比值。根据西山矿区9个煤矿59个地应力实测数据，将最大侧压比与埋深对应数据绘成散点图，如图6所示，大致划分为3个区间，其中有3个测点位于(0，1]，大小为0.80～0.90，主要分布于杜儿坪等2个煤矿，以垂直应力为主，为自重应力场。
图6 侧压比与埋深关系
Fig.6 Relationship between lateral pressure ratio and depth
有46个测点分布于(1，2]，大小为1.01～1.95，9个煤矿均有分布，其中40个测点形成σH>σV>σh型构造应力场，其中有37个测点侧压比都小于1.8，占比为92.5%，其余3个测点侧压比大于1.8但小于2.0，为杜儿坪矿⑤号和东曲矿⑧，⑨号测点，主要由于测点位于正断层带附近引起水平主应力增大导致侧压比增加，也从侧面反映出特大型断层等地质构造区地应力呈现异常变化特征。而仅有6个测点形成σH>σh>σV型构造应力场，侧压比接近2。
有10个测点侧压比大于2，大小为2.03～4.23，主要分布于杜儿坪、东曲、西曲和西铭等4个煤矿，均形成σH>σh>σV型构造应力场，说明侧压比大于2，水平最小主应力将大于垂直主应力，成为中间主应力，水平应力完全占主导地位。由此可见，最大侧压比与地应力场类型紧密相关，小于1为自重应力场，大于1为构造应力场，超过2时水平应力将完全占主导地位。
平均水平主应力为最大水平主应力与最小水平主应力之和的平均值，而平均侧压比为平均水平主应力与垂直主应力的比值，其大小为0.61～3.19，其中位于(0，1]有27个测点，占比为44.1%，有27个测点位于(1，2]，占比为45.8%，大于2的测站有5个，仅占8.5%。针对平均侧压比与埋深的变化规律，国内外学者进行了深入研究,HAIMSON B C[17]采用回归分析方法研究了美国水平应力和垂向应力与深度的关系,WOROTNIKI G等[18]建立了澳大利亚平均水平主应力值和垂向主应力值与埋深的回归关系式,STACEY T R等[19]研究南非矿区平均水平主应力与垂直主应力的比值和采深的变化规律。李鹏等[20]收集国内主要煤矿区219组地应力测量数据，分析了平均侧压比与深度的变化关系，康红普等[21]基于国内煤矿1 357条有效地应力实测数据，拟合分析了平均水平主应力和垂向主应力比值与测点深度的变化规律。笔者结合西山矿区9个煤矿59条地应力测试数据，将平均侧压比与埋深对应数据绘制散点图，如图6所示，并根据霍克-布朗(Hoek-Brown)世界范围内地应力分布规律的研究成果及分析方法[22]，回归拟合得到西山煤矿区平均水平主应力与垂直主应力比值与测点深度变化关系:
kaV=316/H+0.05
(1)
而霍克-布朗总结世界范围内有关地应力的测量数据，提出了kaV的表达式[22]，即
kaV=800/H+0.40
(2)
对比式(1)和(2)不难看出，西山煤矿区平均侧压比与深度的关系，同霍克-布朗总结的关系曲线大体上相似，但数值上存在差异。霍克-布朗拟合曲线包括世界范围三大类岩石地应力测试数据，由于世界地域不同，故经受历史及现今构造运动影响则不同，而且岩石成因不同，构造应力场亦不同。本文测试数据来源于西山煤矿煤系沉积岩地层，与岩浆岩、变质岩成因机制有本质区别，另外西山煤矿区地质复杂，特大型断层密集分布。因此，尽管平均侧压比拟合曲线与霍克-布朗提出曲线类似，但数值上却存在明显差异。
3 岩性对地应力场分布规律的影响
构造应力场难以用统一的函数关系表示非稳定应力场，主要受到埋深与地质构造等因素影响，但岩体岩性或强度也是重要的影响因素，陶振宇等[23]曾指出岩性及其强度可能会显著影响地应力分布状态，同样岩体岩性也是影响侧压比的基本因素之一。朱焕春等[24]研究全球范围不同岩性岩体垂直和水平应力分布规律，发现岩石成因不同则地应力分布具有明显差别，但针对煤系沉积岩地层岩性或强度对地应力分布规律的影响研究甚少，仅康红普等[21]初步探究了国内煤矿区4类不同岩性岩体地应力与埋深的关系，但未见专门针对特定煤矿区开展不同岩性岩体对地应力分布规律影响的研究，故本文专门针对西山煤矿区开展煤系沉积岩地层不同岩体岩性对地应力场分布规律影响的研究。由表1统计出西山煤矿区59个地应力测量测点测试段岩体岩性，包括4种类型:细砂岩(23个)、砂质泥岩(18个)、粉砂岩(13个)以及石灰岩(5个)，如图7所示，对测试段岩体强度进行了现场测试[25]，细砂岩、砂质泥岩、粉砂岩及石灰岩强度的平均值
分别为68.63，47.60，60.49，104.14 MPa，见表2。
3.1 不同岩性岩体水平主应力与埋深关系
不同岩性岩体地应力测量结果见表3。由表2和表3可知，细砂岩强度为62.42～83.50 MPa，测点埋藏深度为114～636 m，水平最大、最小主应力分别为5.11～17.43 MPa和2.67～8.99 MPa，回归拟合水平最大、最小主应力系数分别为0.008 8和0.004 2;粉砂岩强度为48.86～76.43 MPa，测点埋深为105～508 m，水平最大、最小主应力分别为5.04～23.72 MPa和3.24～12.38 MPa，回归拟合水平最大、最小主应力系数分别为0.036 0和0.018 3;砂质泥岩强度为27.83～67.43 MPa，测点深度为84～622 m，水平最大、最小主应力分别为6.36～18.68 MPa和3.47～10.30 MPa，回归拟合水平最大、最小主应力系数分别为0.009 4和0.007 0。
图7 不同岩性测点数
Fig.7 Mumber of different lithology survey points
表2 不同岩性岩体强度
Table 2 Strength of rock mass with different lithology
岩性σC/MPaσC/MPa细砂岩62.42～83.5068.63粉砂岩48.86～76.4360.49砂质泥岩27.83～67.4347.60石灰岩88.25～123.10104.14
表3 不同岩性岩体地应力测试结果
Table 3 In-situ stress test results of rock mass with different lithology
岩性H/mσC/MPaσH/MPaσh/MPakHVkaV细砂岩114～63662.42～83.505.11～17.432.67～8.990.80～3.210.61～2.46粉砂岩105～50848.86～76.435.04～23.723.24～12.380.62～3.090.80～2.36砂质泥岩84～62227.83～67.366.36～18.683.47～10.300.90～4.230.68～3.19
图8为不同岩性岩体水平主应力与埋深的散点图，地应力回归公式见表4。除石灰岩因测点少无法反映地应力真实变化特征外，其他3类不同岩性岩体水平主应力值均随埋深增加而增大，但离散性也非常显著。
有关岩性对地应力分布规律的影响，国内外学者也开展了相关研究，AMADEI等[26]研究发现岩性不同岩层地应力相差很大，不同岩性岩层的交界面处地应力会发生突变;白世伟等[27]在二滩电站坝址地区进行了不同岩性岩体的地应力测量，发现地应力值有明显变化;陶振宇等[28]认为，构造应力场随岩体应变能的积聚和释放而变化，而岩体物理特性和强度特性与这种变化密切相关。弹性模量高，强度大的岩体所积聚的应变能高，应力量级也大。由表2可知，3类岩性岩体强度平均值大小为细砂岩(68.63 MPa)>粉砂岩(60.49 MPa)>砂质泥岩(47.60 MPa)，正常情况下，岩体强度越高，存储的应力也越大，则应力增长梯度理应为细砂岩>粉砂岩>砂质泥岩，但拟合结果却显示应力增加幅度为粉砂岩>砂质泥岩>细砂岩，细砂岩强度最大，但应力增长系数却最小，见表4，表明西山矿区煤系沉积岩地层构造应力实属复杂应力场，岩性仅为影响其量值变化的因素之一，无法凭借单因素准确确定构造应力场的变化规律。3类岩性拟合结果都有常数项，说明西山矿区煤系沉积岩地表浅表层同样存在较大的构造应力，与测试段岩体岩性无关。
图8 不同岩性岩体水平主应力随埋深变化规律
Fig.8 Variation of horizontal principal stress to different
lithology rock mass with burial depth
表4 不同岩性岩体地应力回归公式
Table 4 Regression equations of in-situ stresses to
rock mass with various lithology
岩性σH,σh kHV,kaV细砂岩σH=0.008 8H+7.940σh=0.004 2H+4.482kHV=340/H+0.63kaV=280/H+0.27粉砂岩σH=0.036 0H-0.426 2σh=0.018 3H+0.095kHV=330/H+0.97kaV=300/H+0.88砂质泥岩σH=0.009 4H+9.833σh=0.007 0H+4.504kHV=480/H+0.43kaV=220/H+0.54
3.2 不同岩性岩体侧压比与埋深关系
景锋等[29-31]收集了国内三大类岩石地应力测量数据，分析了岩浆岩、变质岩及沉积岩等三大类岩石侧压比与埋深的变化规律，但少见专门针对煤系沉积岩地层开展不同岩性岩体侧压比与埋深的关系研究，尤其鲜有专门针对特定煤矿区进行不同岩性岩体侧压比与埋深相互关系研究的报道。笔者针对西山特定煤矿区，将矿区煤系沉积岩细分为细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩等3类不同岩性，仍然采用霍克-布朗分析方法[22]，开展了最大侧压比和平均侧压比等两类侧压比与埋深的关系研究。由表3,4可知，细砂岩kHV为0.80～3.21，kaV为0.61～2.46，拟合结果kHV系数为340，kaV系数为280;粉砂岩kHV为0.62～3.09，kaV为0.80～2.36，拟合结果kHV系数为330，kaV系数为300;砂质泥岩kHV为0.90～4.23，kaV为0.68～3.19，拟合结果kHV系数为480，kaV系数为220。
图9 不同岩性岩体侧压比随埋深变化规律
Fig.9 Variation of lateral pressure ratio to different lithology
rock mass with burial depth
图9为3类不同岩性岩体侧压比与埋深散点图，回归公式见表4，尽管岩性不同，但两类侧压比变化规律相似，均随着测点埋深增大而趋向于定值，最大侧压比趋于定值大小为粉砂岩(0.97)>细砂岩(0.63)>砂质泥岩(0.43)，而平均侧压比趋向定值大小为粉砂岩(0.88)>砂质泥岩(0.54)>细砂岩(0.27)。侧压比实为构造应力与自重应力的比值，由3.1节可知，岩体强度越大，则构造应力也越大，在自重应力保持不变的前提下，强度大的岩体侧压比也越大，由表2知，3类岩性岩体强度大小为细砂岩>粉砂岩>砂质泥岩，则两类侧压比曲率大小也理应为细砂岩>粉砂岩>砂质泥岩，但拟合结果最大侧压比曲率大小为砂质泥岩(480)>细砂岩(340)>粉砂岩(330)，平均侧压比曲率大小为粉砂岩(300)>细砂岩(280)>砂质泥岩(220)，由于岩性不同，两类侧压比随埋深变化特征具有明显差异性。
西山矿区煤系沉积岩地层3类不同岩性岩体两类侧压比随埋深变化关系表明，岩性仅为影响矿区构造应力的因素之一，构造应力场复杂多变，影响因素众多，很难依据单一因素来精确判定其变化规律。
4 结 论
(1)西山矿区主要为中等深度埋深矿井，井下地应力场以水平应力为主，构造应力场占绝对优势，地应力量级以中等水平为主，低应力水平次之，地应力值总体上随埋深增加而增大，但离散性显著，埋深决定应力场类型并影响地应力量级，正断层等地质构造为导致矿区地应力值异常和离散的主要影响因素。
(2)最大水平主应力方向呈NW的测点有31个，主要为N5°W～N90°W，有28个测点呈NE向，主要为N6°E～N87°E，特大型正断层等地质构造区附近水平主应力呈增大变化特征，且水平最大主应力方向也发生转向。
(3)最大侧压比为0.80～4.23，其大小决定地应力场类型，小于1为自重应力场，大于1为构造应力场，超过2水平应力完全占主导地位;平均侧压比为0.61～3.19，与埋深拟合结果类似于霍克-布朗关系曲线，但西山矿区煤系沉积岩地层岩体相比世界范围三大类岩体在数值上存在明显差异。
(4)岩性不同岩体地应力值均随埋深增加而增大，但应力增长幅度为粉砂岩>砂质泥岩>细砂岩，并未体现出岩体强度越高，应力增加梯度越大的变化规律，而岩性不同岩体两类侧压比均随采深增加而趋向于定值，但最大侧压比曲率为砂质泥岩>细砂岩>粉砂岩，平均侧压比曲率为粉砂岩>细砂岩>砂质泥岩，不同岩性岩体侧压比显现出明显的差异化特征，表明西山矿区煤系沉积岩地层构造应力分布复杂多变，非单因素稳定应力场。
(5)研究成果为西山矿区采掘等工程设计提供了基础数据，实测资料填补了该地区地应力数据的空白，为山西省煤矿区地应力场分布规律的研究提供了重要补充资料。
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