初始應(yīng)力場巖體穩(wěn)定性與沖擊地壓動力災(zāi)害相關(guān)性研究

張?jiān)抡?紀(jì)洪廣 宋朝陽

(金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

地下工程巖體在開挖擾動后發(fā)生的動力破壞與其開挖前的初始穩(wěn)定性相關(guān)，巖體的初始穩(wěn)定狀態(tài)是由巖體自身材料屬性和初始地應(yīng)力場共同決定的。初始地應(yīng)力場由巖體自重和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動所引起，與巖體特性、歷史構(gòu)造現(xiàn)象、正在發(fā)生的構(gòu)造運(yùn)動密切相關(guān)，是塑造地質(zhì)構(gòu)造、誘發(fā)地震的動力源泉，同時也嚴(yán)重影響著人類活動進(jìn)行的地下工程的穩(wěn)定性，在高地應(yīng)力地區(qū)巖體開挖后常會出現(xiàn)巖爆、沖擊地壓、鉆孔縮徑等地質(zhì)災(zāi)害［1-2］。對于巖石材料而言，當(dāng)其受力狀態(tài)達(dá)到某種極限狀態(tài)時才會發(fā)生破壞，受自身材料屬性、應(yīng)力狀態(tài)、加載方式等影響會產(chǎn)生脆性斷裂、脆性剪切、延性、弱面剪切等破壞方式，應(yīng)力是造成巖石破裂的最主要因素。無論何種破壞方式應(yīng)力狀態(tài)都決定著巖石是否接近破壞失穩(wěn)極限，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)越接近破壞極限時，破壞失穩(wěn)危險(xiǎn)程度越高。張鏡劍等［3］在研究分析巖爆判據(jù)中歸納出了8 種判據(jù)，其中國外學(xué)者提出了E.Hoek 方法(最大主應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度之比σmax/Rc)和Russense 判據(jù)方法(硐室最大切向應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度之比σθ/Rc)。徐林生等［4］在二郎山隧道巖爆研究實(shí)踐中提出了改進(jìn)的“σθ/Rc判據(jù)法”及分級標(biāo)準(zhǔn)。谷明成建立的綜合巖爆判據(jù)中也提到了應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)(σθ/Rc≥0.3 )，張宏偉等［3-4］則采用應(yīng)力集中系數(shù)來描述地質(zhì)動力特征。應(yīng)力場是影響巖體初始穩(wěn)定性的主要的影響因素，因此，量化分析評價(jià)巖體初始穩(wěn)定性需要從其所處應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，建立評價(jià)指標(biāo)，分析巖體初始穩(wěn)定性與動力災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性，進(jìn)而為災(zāi)害發(fā)生提供危險(xiǎn)性預(yù)測。

本研究從強(qiáng)度理論和初始應(yīng)力場出發(fā)，采用莫爾－庫倫原理推導(dǎo)出了基于應(yīng)力狀態(tài)分析的巖石初始穩(wěn)定性描述方法和評價(jià)指標(biāo)——“莫－庫應(yīng)力”，并采用該指標(biāo)對地下開采前的巖體三維初始地應(yīng)力場狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，統(tǒng)計(jì)分析巖體初始穩(wěn)定性與沖擊地壓動力災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性，進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分級，為地下工程災(zāi)害的防治提供參考。

1 巖體初始應(yīng)力場分析方法

1.1 地球重力場形成的應(yīng)力場

巖體初始應(yīng)力狀態(tài)由自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場疊加而成［5］。由地球重力場引起巖體內(nèi)部垂直應(yīng)力分量，形成巖體單元的自重應(yīng)力狀態(tài)，見式(1):

式中，γ 為上覆巖體重度;H 為巖體單元深度。

構(gòu)造應(yīng)力場由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生，水平方向構(gòu)造運(yùn)動如板塊移動碰撞，對巖體構(gòu)造應(yīng)力的形成起控制作用，構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，早期學(xué)者認(rèn)為水平應(yīng)力只與垂直應(yīng)力有關(guān)，見式(2):

式中，λ 為側(cè)壓力系數(shù);μ 為泊松比。

隨著試驗(yàn)儀器的發(fā)展，目前可通過現(xiàn)場測量方法獲得地層巖體中較為準(zhǔn)確的地應(yīng)力分布。

1.2 構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方向

斷層、褶皺這些保留在巖體中的地質(zhì)構(gòu)造與其形成時的應(yīng)力又密切關(guān)系，構(gòu)造應(yīng)力場方向可根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的方法加以判斷［6］。如圖1:正斷層的自重應(yīng)力為最大主應(yīng)力，最小主應(yīng)力與斷層走向正交;對于逆斷層，最大主應(yīng)力與斷層走向正交;對于平移斷層，自重應(yīng)力是中間主應(yīng)力，最大主應(yīng)力與斷層走向呈30°～45°夾角，最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力均為水平方向;褶皺的最大主應(yīng)力方向正交于褶皺軸部走向。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造與主應(yīng)力方向Fig.1 Geological structure and the main stress direction

1.3 巖體應(yīng)力場動力特征分析

在地應(yīng)力場動力特征研究方面，張宏偉等［7-9］以板塊構(gòu)造學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)地形地貌的基本形態(tài)決定地質(zhì)構(gòu)造形式原理，發(fā)展了地質(zhì)動力區(qū)劃學(xué)說，并將其引入到礦井沖擊地壓、瓦斯突出等動力災(zāi)害的危險(xiǎn)預(yù)測當(dāng)中。采用應(yīng)力集中系數(shù)K 來劃分高應(yīng)力區(qū)(K＞1.2 )、應(yīng)力梯度區(qū)(0.8 ≤K ≤1.2 )、低應(yīng)力區(qū)(K ＜0.8 )，確定可能發(fā)生礦井動力現(xiàn)象的危險(xiǎn)區(qū)域，評估沖擊危險(xiǎn)程度，對斷層構(gòu)造發(fā)育的地區(qū)的動力災(zāi)害防治起到了重要的作用。K 的計(jì)算公式為

1.4 現(xiàn)有巖體應(yīng)力場分析評價(jià)方法存在的不足

地下工程中巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)是巖體在開挖后發(fā)生失穩(wěn)破壞的重要影響因素，一般以最大主應(yīng)力、主應(yīng)力方向、應(yīng)力集中程度描述地應(yīng)力場狀態(tài)，判斷可能發(fā)生破壞的危險(xiǎn)區(qū)域。但了解這些因素還不能夠完全確定危險(xiǎn)區(qū)域是否容易發(fā)生破壞，例如，在高應(yīng)力區(qū)，如果巖體處于三向受壓狀態(tài)未必產(chǎn)生破壞，而在低應(yīng)力區(qū)，如果應(yīng)力處在最不利的拉壓組合狀態(tài)下也可能易發(fā)生破壞。因此，需要一種方法或指標(biāo)來描述某一應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的組合方式，量化評價(jià)巖石在初始應(yīng)力場狀態(tài)下的穩(wěn)定性，進(jìn)而確定巖體接近破壞極限的程度。

2 巖石穩(wěn)定性評價(jià)方法

2.1 莫爾－庫倫應(yīng)力Wσ

對于單軸受力情況，巖石的受力狀態(tài)可根據(jù)相對應(yīng)力，即巖石所承受應(yīng)力與峰值強(qiáng)度應(yīng)力之比予以評價(jià)，而對于三軸受力狀態(tài)下巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)評價(jià)還需要綜合考慮多個應(yīng)力的影響。而巖石強(qiáng)度理論中以巖石所處應(yīng)力狀態(tài)為參量研究其與巖石破壞的關(guān)系，當(dāng)其所處應(yīng)力狀態(tài)越接近極限應(yīng)力狀態(tài)，則其發(fā)生破壞的可能性越高，巖石的穩(wěn)定性也就越差，發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性也就越高。經(jīng)典的莫爾－庫倫強(qiáng)度理論為三維應(yīng)力狀態(tài)的評價(jià)提供了基礎(chǔ)依據(jù)，該理論體系認(rèn)為巖石是在不同的正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合作用下喪失承載能力，巖石的強(qiáng)度值與中間主應(yīng)力的大小無關(guān)，如圖2 所示。

圖2 莫爾應(yīng)力圓與應(yīng)力狀態(tài)Fig.2 Mohr stress circle and the stress state

莫爾－庫倫強(qiáng)度理論數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，τ 為正應(yīng)力σ 作用下的極限剪應(yīng)力，MPa;c 為巖石的內(nèi)聚力，MPa;θ 為巖石的內(nèi)摩擦角，(°)。

從圖2 中可知，當(dāng)最小主應(yīng)力σ3確定的時候，依據(jù)幾何關(guān)系可得出必存在唯一的最大主應(yīng)力峰值σ峰值與最小主應(yīng)力σ3所組成的極限應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切。在此，設(shè)巖石處在某一應(yīng)力狀態(tài)(σ1，σ3)下，定義一參數(shù)Wσ來表征應(yīng)力狀態(tài)與極限應(yīng)力狀態(tài)在圖2 中的幾何關(guān)系:

式中，Wσ為某一應(yīng)力狀態(tài)下莫爾應(yīng)力圓與極限狀態(tài)下應(yīng)力圓的半徑之比，在此定義其為莫爾－庫倫應(yīng)力;r0為與直線相切極限狀態(tài)的莫爾應(yīng)力圓半徑;r'為某一應(yīng)力狀態(tài)下的莫爾應(yīng)力圓半徑。

由圖2 幾何關(guān)系可知，Wσ越小，莫爾圓越偏離強(qiáng)度線，巖石發(fā)生破壞所需的擾動越小;Wσ的物理意義反映的是一種相對應(yīng)力狀態(tài)，即應(yīng)力狀態(tài)與極限應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系。Wσ值越大，越接近極限狀態(tài)，穩(wěn)定性越差。

為量化這一參數(shù)，作者在文獻(xiàn)［10］中做了詳細(xì)的推導(dǎo)，得出了Wσ數(shù)學(xué)計(jì)算式［10］為

式中，σ1為最大主應(yīng)力;σ3為最小主應(yīng)力;c 為內(nèi)聚力;θ 為內(nèi)摩擦角;ξ 為σ峰值系數(shù)，ξ = σ峰值/σ理論峰值。

2.2 不同應(yīng)力組合方式下Wσ 的意義

從解析推導(dǎo)過程中發(fā)現(xiàn)，基于莫爾－庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則建立的參量Wσ表征了某一應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力之間的組合方式以及這種組合方式下其應(yīng)力狀態(tài)接近極限狀態(tài)的強(qiáng)度。

(1)單軸壓縮。當(dāng)σ3= σ2= 0 ，σ1＞0 時，巖石處在單軸壓縮情況下，

式中，σ壓峰值等于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。

(2)單軸拉伸。當(dāng)σ3= σ2= 0 ，σ1＜0 時，巖石處在單軸拉伸情況下，

式中，σ拉峰值等于巖石的單軸抗拉強(qiáng)度。

(3)三向受壓。當(dāng)σ1＞σ2＞σ3＞0 時，巖石處在三向受壓情況下，0 ≤Wσ≤1 ，當(dāng)Wσ為0 時說明巖石處在三向等力壓縮情況，無論應(yīng)力值有多高，其狀態(tài)是穩(wěn)定的;當(dāng)Wσ為1 時，應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限狀態(tài)，這種情況下主應(yīng)力組合最不利，巖石發(fā)生破壞;當(dāng)Wσ從0 向1 變化時，巖石從穩(wěn)定狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)過渡，這期間巖石經(jīng)歷彈性階段、塑性階段、破壞階段，由于巖石材料的脆性性質(zhì)，當(dāng)其越接近1 時，同樣擾動條件下，其發(fā)生破壞的可能性越大。

(4)受壓與拉伸組合。當(dāng)σ1＞σ2＞σ3，σ3＜0，σ1＞0 時，在受壓與拉伸應(yīng)力組合下，巖石材料最容易破壞。

無論是單軸壓縮、單軸拉伸、三向受壓、受壓與拉伸組合下的應(yīng)力組合，Wσ都能表現(xiàn)出其接近極限的程度，當(dāng)Wσ越接近1，巖石越接近破壞極限，穩(wěn)定性越差。由莫爾－庫倫強(qiáng)度理論衍生而來的參量Wσ能夠描述巖石材料在各種應(yīng)力組合狀態(tài)下其接近破壞極限的程度。

2.3 基于Wσ 的巖石穩(wěn)定性等級劃分

大量試驗(yàn)資料研究表明，巖石受力破壞過程中一般經(jīng)歷彈性階段—塑性階段—破壞階段，一般情況下材料在應(yīng)力平均達(dá)到70%左右的時候開始產(chǎn)生擴(kuò)容現(xiàn)象，即巖石內(nèi)部損傷裂紋開始發(fā)展，材料進(jìn)入塑性發(fā)展階段時期，內(nèi)部裂紋進(jìn)一步貫通，最終導(dǎo)致巖石整體破壞失穩(wěn)［11-13］。遵循巖石破壞這一物理過程，根據(jù)Wσ將巖體穩(wěn)定性劃分為5 個等級，劃分依據(jù)見表1。

表1 基于Wσ 的巖石穩(wěn)定性等級Table 1 the Level of rock stability based on Wσ

穩(wěn)定:巖石處于受力初級階段和變形彈性階段前期，破壞還需要大的外力作用，安全，穩(wěn)定級別最高。

較穩(wěn)定:巖石處于變形彈性階段后期，破壞需要較大的外力作用，偏安全，穩(wěn)定級別較高。

中等穩(wěn)定:巖石處于變形彈性與塑性過渡階段，內(nèi)部損傷裂紋開始產(chǎn)生，偏危險(xiǎn)，穩(wěn)定級別中等。

較低穩(wěn)定:巖石處于變形塑性發(fā)展階段，內(nèi)部裂紋發(fā)育速度加快，破壞需要較小的外力作用，偏高危險(xiǎn)，穩(wěn)定性較低。

低穩(wěn)定:巖石處于變形塑性發(fā)展和臨界破壞階段，內(nèi)部裂紋快速發(fā)育貫通，破壞需要較小的外力作用，高危險(xiǎn)，穩(wěn)定性最差。

3 巖體初始穩(wěn)定性狀態(tài)研究

深部巖體在開挖前受賦存條件限制完整性良好，巖體初始穩(wěn)定性主要由地應(yīng)力場控制。Wσ越高的巖體，其達(dá)到失穩(wěn)破壞所需要的外部擾動門檻值越小，也就是說其受到外部擾動因素發(fā)生后越容易達(dá)到極限破壞狀態(tài)，進(jìn)而越容易引發(fā)相應(yīng)的地下工程動力災(zāi)害?；诖耍蓪σ這一新參量引入到初始地應(yīng)力場巖體穩(wěn)定性的評價(jià)當(dāng)中，表征基于應(yīng)力狀態(tài)評價(jià)的穩(wěn)定性等級的分布情況，進(jìn)而為人類工程活動提供必要的地質(zhì)環(huán)境信息并預(yù)測工程活動可能產(chǎn)生的地質(zhì)動力效應(yīng)。本研究選取典型褶皺構(gòu)造發(fā)育的甘肅省華亭煤田區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力場進(jìn)行評價(jià)分析，劃分巖體穩(wěn)定分級區(qū)，通過沖擊地壓事件的統(tǒng)計(jì)分析，研究巖體初始穩(wěn)定性與沖擊地壓發(fā)生的相關(guān)性。

3.1 華亭煤田區(qū)域數(shù)值計(jì)算模型

如圖3 所示，華亭煤田區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，主要受褶曲地質(zhì)構(gòu)造控制，向斜呈北北西—南南東向展布的“S”型構(gòu)造形態(tài)，東緩西陡，中間寬緩，南北兩段收斂，形似紡綞形的復(fù)式不對稱向斜構(gòu)造，受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的扭動作用形成。區(qū)域內(nèi)煤層厚，煤層厚度變化大，受構(gòu)造影響，煤層起伏，無斷層，呈多個向斜、背斜相互交替連接的空間形態(tài)，整個煤田位于構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，煤層底板和頂板皆為砂巖。

該區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力測試結(jié)果表明，華亭煤田受水平構(gòu)造應(yīng)力控制為主，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力與深度成線性比例關(guān)系，深度越深其值變化越大，最大主應(yīng)力值受深度影響最大，地應(yīng)力與深度的關(guān)系:

建模過程中，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)地形高程、地層、走向、煤巖層分布、鉆孔、勘探線等多種地質(zhì)信息，采用Surpac 軟件將這些地質(zhì)信息數(shù)字化，建立起三維地質(zhì)模型，見圖4。以地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立了數(shù)值計(jì)算模型，并根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果和巖石物理力學(xué)參數(shù)，見表2，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行了地應(yīng)力場反演，獲取了該區(qū)域內(nèi)三維地應(yīng)力分布圖，見圖5。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters

圖3 計(jì)算模型區(qū)域(單位:m)Fig.3 The area of calculation model

圖4 基于Surpac 軟件建立的地質(zhì)模型Fig.4 The geological model based on software Surpac

3.2 華亭煤田底板內(nèi)巖體初始穩(wěn)定性分析

圖5 基于FLAC3D軟件建立的反演模型(垂直應(yīng)力場)Fig.5 The inversion model based on FLAC3D software (vertical stress field)

華亭煤田區(qū)域內(nèi)有華亭、硯北、陳家溝、山寨4個礦井同時進(jìn)行開采工作，受地質(zhì)條件和開采條件等眾多因素的影響，2008 年以來，隨著開采量和開采深度的增加礦井內(nèi)多次出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象，尤其以華亭、硯北兩礦井最為嚴(yán)重，最大級別沖擊事件誘發(fā)當(dāng)?shù)?.9 級地震。通過對來壓事件的數(shù)據(jù)分析，區(qū)域內(nèi)的沖擊地壓多顯現(xiàn)為底板來壓型，能量級別高，破壞嚴(yán)重，因此，提取了煤層底板巖層的地應(yīng)力信息進(jìn)行分析，繪制了最大主應(yīng)力場和巖體彈性能分布圖，見圖6 和圖7。

圖6 最大主應(yīng)力分布Fig.6 The maximum principal stress

圖7 巖體彈性能分布Fig.7 The elastic energy distribution of rock mass

(1)巖體最大主應(yīng)力與彈性能特征。區(qū)域最大主應(yīng)力與巖體彈性能分布規(guī)律類似，兩者分布與底板構(gòu)造形態(tài)及埋深密切相關(guān)，向斜軸內(nèi)最大主應(yīng)力和能量富集程度高，背斜軸附近富集程度低，在褶皺翼部呈過渡趨勢;埋深大的地區(qū)最大主應(yīng)力富集程度低，埋深小的地區(qū)富集程度低。

(2)Wσ分布。根據(jù)式(6)，計(jì)算獲得了底板莫－庫應(yīng)力分布情況，見圖8。莫－庫應(yīng)力與底板巖層構(gòu)造形態(tài)密切相關(guān)，在向斜軸和背斜軸附近莫－庫應(yīng)力值最高，褶皺翼部莫－庫應(yīng)力值稍低，在地層平緩地區(qū)莫－庫應(yīng)力值最低。

對比圖6、圖7、圖8，在最大主應(yīng)力或巖體賦存能量富集程度高的區(qū)域其應(yīng)力狀態(tài)未必是危險(xiǎn)程度最高的，同樣最大主應(yīng)力或巖體賦存能量富集程度低的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)未必危險(xiǎn)程度最低。從理論上講，應(yīng)力狀態(tài)的危險(xiǎn)程度由應(yīng)力大小和組合方式兩者共同決定;如果巖石處在三向等力壓縮時，無論力有多大，積聚能量有多高，其應(yīng)力狀態(tài)都是穩(wěn)定安全的;如果巖石處在最不利的壓縮拉伸組合狀態(tài)時，則無需太大的力和太高的能量即可破壞，應(yīng)力狀態(tài)是最不穩(wěn)定不安全的。因此單獨(dú)靠最大主應(yīng)力、能量單個參量的變化來判斷危險(xiǎn)程度是不夠完備的，而莫－庫應(yīng)力考慮了應(yīng)力組合方式在里面，則能夠彌補(bǔ)這一不足。

3.3 統(tǒng)計(jì)分析沖擊地壓事件與巖石初始穩(wěn)定性關(guān)系

為獲取巖石初始穩(wěn)定性與沖擊地壓類動力災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系，選取2011 年4 月至2012 年12 月發(fā)生在硯北煤礦和華亭煤礦的沖擊事件進(jìn)行分析，利用GIS 軟件，將沖擊事件以圓點(diǎn)形式投影至華亭煤田巷道模型內(nèi)，對其發(fā)生特征與基于Wσ劃分的應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)的關(guān)系進(jìn)行分析。如圖9 所示，圖中圓點(diǎn)大小代表沖擊地壓級別大小，圓點(diǎn)越大沖擊級別越高。

硯北煤礦:這段時間內(nèi)該礦的工作狀態(tài)為250204 工作面回采工作和250203 工作面巷道掘進(jìn)工作，期間受回采影響250204 工作面內(nèi)共發(fā)生42 次沖擊事件，受掘進(jìn)影響250203 工作面內(nèi)共發(fā)生40 次沖擊事件。

華亭煤礦:工作狀態(tài)為250104 工作面回采工作和250105 工作面巷道掘進(jìn)工作，期間受回采影響250104 工作面內(nèi)共發(fā)生9 次沖擊事件，受掘進(jìn)影響250105 工作面內(nèi)共發(fā)生31 次沖擊事件。

圖9 和表3 數(shù)據(jù)表明，大部分沖擊事件發(fā)生在低穩(wěn)定區(qū)和較低穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)，其中硯北煤礦25204 工作面靠近背斜軸附近的沖擊事件分布位置與低穩(wěn)定區(qū)分布走向高度保持一致。這說明沖擊地壓事件的空間分布與基于Wσ劃分的巖石初始穩(wěn)定性密切相關(guān)，呈現(xiàn)以下特征:①沖擊事件多分布在低穩(wěn)定區(qū)和較低穩(wěn)定區(qū);②沖擊事件分布趨勢與穩(wěn)定性低的區(qū)域分布及走向趨勢相一致;③巖石穩(wěn)定性越差的地區(qū)，發(fā)生沖擊地壓事件的概率越大，沖擊事件的級別也越高。

表3 來壓事件統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical analysis on rock burst

3.4 采用Wσ 進(jìn)行巖石初始穩(wěn)定性分區(qū)的討論

如圖10 所示，基于莫爾－庫倫準(zhǔn)則的動力災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)劃分方法在分析過程中，蘊(yùn)含了巖石材料信息(強(qiáng)度、泊松比、彈性模量)、空間地質(zhì)信息(地形地貌、地層、地質(zhì)構(gòu)造等)、實(shí)測地應(yīng)力等多維信息;在此應(yīng)力場基礎(chǔ)上建立的Wσ則綜合考慮了內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力之間的綜合關(guān)系。

圖10 基于莫－庫準(zhǔn)則的巖體初始穩(wěn)定性分析技術(shù)路線Fig.10 Technical roadmap of the initial stability of rocks based on Wσ

通過對采用Wσ劃分巖體初始穩(wěn)定區(qū)及對沖擊地壓事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，采用該方法能夠?yàn)闆_擊地壓這一類地下工程動力災(zāi)害提供合理的前瞻性預(yù)測，莫－庫應(yīng)力越高的地區(qū)，在開采過程中巖體發(fā)生動力失穩(wěn)引發(fā)災(zāi)害的可能性越高，因此根據(jù)基于莫爾庫倫準(zhǔn)則建立的Wσ進(jìn)行深部巖體初始穩(wěn)定性劃分并進(jìn)行動力危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測是合理有效可行的。

4 結(jié) 論

(1)基于莫爾－庫倫強(qiáng)度理論建立了評價(jià)應(yīng)力狀態(tài)危險(xiǎn)性的Wσ指標(biāo)，物理本質(zhì)上反映的是巖石破壞前彈塑性階段某一應(yīng)力狀態(tài)下巖石材料體接近極限破壞強(qiáng)度的程度。

(2)Wσ可以表達(dá)單軸壓縮、單軸拉伸、三向受壓、壓縮－拉伸等模式下的巖石應(yīng)力狀態(tài)接近極限狀態(tài)的程度，Wσ越接近1，巖石越接近破壞極限，巖體的穩(wěn)定性越差。

(3)運(yùn)用Wσ評價(jià)巖體初始地應(yīng)力場狀態(tài)，能夠表達(dá)出巖體所處應(yīng)力狀態(tài)與極限狀態(tài)的接近程度，尤其是地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域復(fù)雜應(yīng)力場的狀態(tài)，有助于判斷初始應(yīng)力場下的巖體穩(wěn)定性。

(4)Wσ越高的巖體，其達(dá)到失穩(wěn)破壞所需要的外部擾動值越小?？梢罁?jù)Wσ劃分穩(wěn)定、較穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、較低穩(wěn)定、低穩(wěn)定5 級穩(wěn)定區(qū)，巖體初始穩(wěn)定性越差的區(qū)域發(fā)生沖擊地壓動力災(zāi)害的概率越高。據(jù)此可基于地質(zhì)環(huán)境應(yīng)力信息對巖體動力危險(xiǎn)程度進(jìn)行評價(jià)，為預(yù)測工程活動所引發(fā)的沖擊地壓等地質(zhì)動力效應(yīng)提供參考。

(5)運(yùn)用Wσ進(jìn)行原巖穩(wěn)定區(qū)劃分具有實(shí)用意義，然而沖擊地壓發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，誘發(fā)與地質(zhì)環(huán)境、開采活動等多種因素有關(guān)，沖擊地壓的精確預(yù)測還需與其他影響因素綜合分析。

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