井田的構造應力及影響

朱廣軼，徐征慧，劉曉群，郭 影，朱慧穎

（沈陽大學a.建筑工程學院；b.遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室；c.旅游與地理科學學院，遼寧 沈陽 110044）

井田構造應力及影響是巖土工程的重要課題.地質動力區(qū)劃方法由俄羅斯學者И·М·巴圖金娜等首創(chuàng)［1］，是近年發(fā)展起來的集地貌學、板塊學說、地質動力學、地球物理學、土木工程學等成果，分析區(qū)域內各種地質動力過程的方法.本研究以大隆井田為對象，通過地貌、構造物理、河流水系的綜合分析，并同地球物理、地質、構造、地震、航片、衛(wèi)星照片等資料作對比，分析了區(qū)域的各級活動性斷裂及斷塊間的相互作用，獲得井田的Ⅰ～Ⅴ級斷裂和井田地質構造格架圖，并通過平面應變的有限元計算，確定應力場的大小、方向.實踐證明，用地質動力區(qū)劃方法來探討井田構造應力，其研究周期短、成本低、指導性強.

1 井田地質斷塊劃分

劃分地質斷塊依據兩個原則：①地表的高地是侵蝕作用影響最小的地方，在區(qū)劃時這個標高點常常被采用；②劃分斷塊的邊界可根據許許多多地形地貌標志進行判斷.

劃分各級斷裂選用的各種比例地形圖分別為：Ⅰ級斷裂，1∶250萬或1∶200萬；Ⅱ級斷裂，1∶100萬或1∶50萬；Ⅲ級斷裂，1∶20萬或1∶10萬；Ⅳ級斷裂，1∶5萬；Ⅴ級斷裂，1∶1萬.構造斷塊劃分的兩種方法為繪圖法和趨勢面法.

1.1 繪圖法

繪圖法：不同年代、不同深度的斷塊垂直運動強度不同；斷塊水平位移將在垂直位移上有所反映.

若將兩個相鄰地段劃分為不同斷塊，應該分析其高差：年輕山系，高度差200m；被侵蝕山系、中等高度山，高差100m；被侵蝕中等高度山、背斜隆起區(qū)或年輕凹陷區(qū)高差50m；被侵蝕過程覆蓋的構造形式凹陷區(qū)，高差20～25m.

各區(qū)域，最小高度差計算公式：

式中，Hmax為峰頂表面最大絕對高度，m；Hmin為峰頂表面最小絕對高度，m.

1.2 趨勢面法

各種數學地質方法中，趨勢面分析是應用最早、頗為廣泛、成效突出的方法.趨勢面分析是把空間分布的某曲面分解為：由變化較為緩慢，其影響范圍是整個研究區(qū)域有規(guī)律的區(qū)域分量——趨勢分量；變化較快，影響在區(qū)內不是全區(qū)可見的隨機分量——局部分量.這可在計算機上實現.

模擬地形高程的 DTM［2］模型［3］：

式中，x，y，H為大地坐標；a0，a1，…，am為DTM數字模型常數.

按數學面和頂點面間距離平方和為最小值，按最小二乘法原則確定DTM數字模型常數：

N 為觀測點個數；n為多項式次數.

按從整體到局部的原則逐級劃分各級斷塊，每次都把礦區(qū)所在斷塊作為基本斷塊.獲得大隆井田的基本斷塊如圖1.

圖1 大隆井田地質構造格架和有限元剖分單元Fig.1 The geological tectonic framework and finite element subdivision units in Dalong mine field

2 構造應力場數值模擬

構造應力［4］是地層中由于過去地質構造運動產生的和現在正在活動與變化的應力.有限單元法已廣泛應用在固體力學和結構分析領域內.本次分析是以彈性力學理論為基礎，在彈性力學平面問題中基本物理量是應力σij應變εij和位移uij.其基本方程的張量形式為：

模型計算時對巖體釋放彈性變形能處理原則是不考慮自重應力引起的彈性變形能（視為完全不能釋放），考慮構造應力引起的彈性變形能.在計算區(qū)域內（7.0km×7.0km），略去采動影響.

大隆礦未來生產水平-600m.用地質動力區(qū)劃查明的Ⅰ～Ⅴ級斷塊圖，構成了該礦區(qū)現代構造運動的格架，如圖1.它反映了現今構造運動所引起的并正在起作用的巖體應力狀態(tài).

模型將大隆礦井田視為由14條活動斷裂組成的構造骨架，在-600m水平分別按照平面應變問題的理想彈性體處理.

將計算區(qū)域劃分為三角單元.巖體斷塊被斷層切割成不規(guī)則形狀，三角形單元對含有斷裂的復雜區(qū)域具有較強的適應性.

對斷裂帶的處理上，采用弱化斷裂內介質方法處理了斷裂帶.模型剖分采用三角單元，如圖1所示.

為避免計算的邊緣（邊界）效應［5］，選定較大的研究區(qū)域進行分析.在井田內進行了9個鉆孔的水壓致裂法地應力測量實驗.-600m水平最大主應力25MPa，方向86°；最小主應力6.93 MPa.以這些參數作為有限元計算模型的邊界條件進行計算.區(qū)域內Ⅲ～Ⅴ斷裂帶和斷塊力學參數為實地巖樣的實驗室實測后，轉化為巖體力學參數，見表1.

表1 各種巖體力學參數Table 1 Parameters of rock mechanics

采用的彈性有限元法計算軟件是具有穩(wěn)固理論基礎和廣泛應用效力的數值分析工具.對-600m水平應力場計算結果，運用朱廣軼ZMS7.8軟件［6］繪圖，獲得相應最大主應力和最小主應力等值線圖，如圖2、圖3.上述軟件在巖體力學分析中得到廣泛應用，計算結果與鉆孔地應力測量實驗相吻合，高應力區(qū)、應力陡變區(qū)發(fā)生工程事故概率大與理論實際均符合，說明軟件適應性較好.

圖2 -600m水平最大主應力等值線圖Fig.2 The maximum principal stress contour of-600mlevel

圖3 -600m水平最小主應力等值線圖Fig.3 The minimum principal stress contour of-600mlevel

3 構造應力場影響

地下巷道穩(wěn)定性主要取決于原始地應力狀態(tài)、巖石力學參數、開挖體的幾何斷面特征及支護參數的設計.其中，原始地應力是引起采礦和各種地下工程圍巖支護變形和破壞的根本作用力.準確地應力資料是確定工程巖體力學屬性、進行圍巖穩(wěn)定性分析和計算、合理確定礦山主體布置、正確設計采礦方法、確定巷道和采場幾何形狀和尺寸、確定開采順序和開挖步驟、有效控制地壓活動的必要前提條件.

原始地應力數據中，自然應力比值系數不同，井巷圍巖會顯現出各異的規(guī)律和支護效果.例如，對直墻拱形巷道，當巖體初始應力以垂直應力為主，而水平應力很小時，巖體按線彈性介質考慮，巷道開挖后，將在拱頂和洞底產生拉應力，邊墻部位則受拉應力作用.由于巖體抗壓強度很低，一般情況下，可能在拱頂發(fā)生破壞，而邊墻則處于穩(wěn)定狀態(tài).當自然應力比值系數增大到0.25以上時，除洞底存在拉應力區(qū)外，其他部位則都受壓應力作用，并且壓應力隨著自然應力比值參數的增大而增大.當原始應力場中水平應力大于垂直應力，并達到一定的程度時，即會在邊墻產生拉應力區(qū).此時，即使強度很高的巖體，也會在邊墻發(fā)生破壞現象使圍巖失穩(wěn).

大隆礦下水平（-600m）的最大主應力、最小主應力對礦井設計、開采、支護及開拓延伸具有指導意義.從應力分布規(guī)律看，-600m水平最大主應力為16～30MPa，應力變化較大.根據大隆礦原巖應力分布狀況，開拓巷道及采準巷道方向應盡量沿最大主應力方向布置.在選擇巷道形狀時，選用的巷道斷面的寬高比應接近自然應力方向布置.從降低支護成本及提高施工速度考慮，應全面推廣錨噴支護.

4 結 語

（1）現構造應力場分析手段尚不完善，國內規(guī)范在土木工程規(guī)劃設計時，對構造應力影響分析存在不足.然而，用地質動力區(qū)劃方法研究巖體斷塊結構，采用有限元法進行分析可獲得井田現今構造應力場分布形態(tài).

（2）引進創(chuàng)新地質動力區(qū)劃這一新方法，首次獲得整個大隆井田未來開采水平的地應力等值線圖.由此，對井田巷道規(guī)劃設計提出了創(chuàng)新性的優(yōu)化措施：開拓巷道及采礦準備巷道方向應盡量沿最大主應力方向布置；在選擇巷道形狀時，選用的巷道斷面的寬高比應接近自然應力方向布置；巷道位置應避開應力集中區(qū)，從降低支護成本及提高施工速度考慮，應全面推廣錨噴支護與錨索聯合支護.此成果已得到煤礦的肯定和應用.

［1］ БаТУГИНа ИМ，Петухοв ИМ . Геοдинамическ ое райοнирование Mесторождений при проектировании и эксдуатаниирудников［M］.Москва：Недра，1988.

［2］ 蔣輝，潘慶林，劉三枝.數字化測圖技術及應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006：16.（Jiang Hui，Pan Qinglin，Liu Sanzhi.Digital Mapping Technology and Application［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006.1：16.）

［3］ 李起彤.活斷層及其工程評價［M］.北京：地震出版社，1991.（Li Qitong.Active fault and its Engineering Evaluation［M］.Beijing：Earthquake Publishing House，1991.）

［4］ 蔡美峰.巖石力學與工程［M］.北京：科學出版社，2009：131-137.（Cai Meifeng.Rock Mechanics and Engineering ［M］.Beijing：Science Press，2009：131-137.）

［5］ 楊桂通.彈塑性力學［M］.北京：人民教育出版社，1981：108-109.（Yang Guitong.Elastic-plastic Mechanical［M］.Beijing：People’s Education Press，1981：108-109.）

［6］ 朱廣軼，王立國，李偉，等.工程測量數字化繪圖軟件設計［J］.沈陽大學學報，2011，23（2）：1-3.（Zhu Guangyi， Wang Liguo，Li Wei，et al.Digital Mapping Software Design for Engineering Survey［J］.Journal of Shenyang University，2011，23（2）：1-3.）