高海拔礦區(qū)地應力測量和巖爆傾向性評價

劉建東，于世波(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102600；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102600)

巖爆是在地下工程開挖過程中，因開挖卸荷導致儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，使巖體產(chǎn)生爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲的一種動力失穩(wěn)現(xiàn)象[1]，是高應力環(huán)境中巖石工程的主要動力災害之一。巖爆發(fā)生時往往伴隨破碎巖塊的大量彈射或崩出，產(chǎn)生強烈的沖擊波和氣浪，嚴重時造成巷道設(shè)備損毀及人員傷亡，是高應力地下礦山開采過程中不可忽視的地壓災害。甲瑪?shù)V區(qū)地處海拔4 600 m的青藏高原，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造運動強烈，地應力成因復雜[2]，通過現(xiàn)場地應力測量，掌握礦區(qū)地應力的空間分布規(guī)律和構(gòu)造應力場特征，根據(jù)地應力實測數(shù)據(jù)，對圍巖巖爆傾向性進行分析和評價，為井巷工程支護和巖爆災害防治提供重要支撐，對于提升礦山地壓災害防控與管理、保障井下作業(yè)安全具有重要意義[3]。

1 礦區(qū)地應力測量

采用套孔應力解除法和國產(chǎn)KX-81型空心包體式三軸應變計[4-5]，選擇甲瑪?shù)V區(qū)在4 450 m、4 475 m、 4 478 m、 4 650 m水平礦巖完整地段共布置4個測點，每個測點位置打1個鉆孔，每個鉆孔套孔取芯2次，其中4 450 m水平第一次測試的應力解除曲線如圖1所示。通過測量共獲得8組解除應變值，根據(jù)各測點應變值，計算獲得甲瑪?shù)V區(qū)4個水平的地應力實測數(shù)據(jù)，見表1。由表1可知，每個測點均有2個主應力接近于水平方向，與水平面夾角一般不大于10°，最大不超過17°；另有1個主應力接近于垂直方向，與垂直方向夾角不大于18°。8次測試最大主應力方向與水平面的夾角均小于8°，接近于水平方向。

圖1 4 450 m水平第一次測試應力解除曲線Fig.1 First test stress release curve in 4 450 m

表1 各測點實測主應力Table 1 Real principal stress of each measuring point

2 地應力測量數(shù)據(jù)分析

2.1 地應力場分布特征

整理現(xiàn)場地應力測量數(shù)據(jù)，見表2。由表2可知，甲瑪?shù)V區(qū)地應力場分布存在如下特征。

1) 礦區(qū)地應力場類型。所有測點最大主應力和最小主應力均為水平應力，多數(shù)測點中間主應力為垂直應力，僅有2個測點的最小主應力為垂直應力?？傮w來看，甲瑪?shù)V區(qū)地應力以水平應力為主導，構(gòu)造應力占據(jù)絕對優(yōu)勢，構(gòu)造應力場特征明顯，因此甲瑪?shù)V區(qū)地應力場屬于構(gòu)造應力場類型。

2) 礦區(qū)地應力量級。本次測試測點埋深較淺，最大埋深310 m，最小埋深80 m。8次測試中，最大主應力值超過15 MPa的測點有2個，最大主應力值為10～15 MPa的測點有4個，最大主應力值小于10 MPa的測點有2個。根據(jù)相關(guān)判定標準：0～10 MPa為低應力區(qū)；10～18 MPa為中等應力區(qū)；18～30 MPa為高應力區(qū)；大于30 MPa為超高應力區(qū)[6]。總體來看，甲瑪?shù)V區(qū)屬于中等地應力礦區(qū)。

3) 最大水平主應力方向和最小水平主應力方向。最大水平主應力方向全部位于NE～SW方向，走向范圍在N15.37°E～N55.8°E之間。最小水平主應力全部位于NW～SE方向，走向范圍在N35.6°W～N76.28°W之間。實測結(jié)果表明，兩個水平方向的主應力均顯示較強的方向一致性。

4) 三個方向主應力與自重應力大小關(guān)系。最大水平主應力(σh.max)與自重應力(γH)比值：8個測點中，有5個測點比值小于2，有3個測點比值大于2，最大為2.69，最小為1.75，平均為2.08。由此可以看出，甲瑪?shù)V區(qū)最大水平主應力約為自重應力的2倍。垂直主應力值(σv)與自重應力(γH)比值：8個測點中，有6個測點比值大于1，有2個測點比值小于1，最大為1.13，最小為0.89，平均為1.02。總體上看，甲瑪?shù)V區(qū)垂直主應力與自重應力的大小很接近，垂直應力基本上等于上覆巖層自重應力。垂直主應力(σv)與最小水平主應力(σh.min)比值：8個測點中，有6個測點比值大于1，有2個測點比值小于1，最大為1.29，最小為0.92，平均比值1.06。通過分析可知，甲瑪?shù)V區(qū)垂直主應力略大于最小水平主應力。

本次地應力測試主要位于甲瑪?shù)V區(qū)淺部地層，通過分析可知，甲瑪?shù)V區(qū)淺部地應力場基本特征為σh.max>σv≈γH>σh.min。

5) 側(cè)壓比隨埋深的變化規(guī)律。最大水平主應力(σh.max)與垂直主應力(σv)的比值稱為側(cè)壓比。8個測點中，有4個測點比值大于2，另外4個測點比值小于2，最大為2.60，最小為1.78，平均為2.03。從數(shù)據(jù)變化規(guī)律來看，側(cè)壓比隨埋深的增加有逐漸減小的趨勢，這與構(gòu)造應力場的基本特征一致。

表2 最大水平主應力與垂直主應力和自重應力的比值Table 2 Ratio of the maximum horizontal principal stress to vertical principal stress and gravity stress

2.2 地應力隨埋深變化規(guī)律

基于最小二乘法原理，采用線性回歸分析方法，對8個測點的應力值進行回歸分析，得出了最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力隨深度變化的回歸方程分別見式(1)～式(3)。甲瑪?shù)V區(qū)地應力場隨深度變化的回歸曲線如圖2所示。

σh.max=2.36+0.04H

(1)

σh.min=0.38+0.03H

(2)

σv=0.66+0.03H

(3)

式中：σh.max、σh.min、σv分別為最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力，MPa；H為測點埋深，m。

圖2 σh.max、σh.min和σv值隨深度變化的回歸曲線Fig.2 Regression curve with depth of σh.max，σh.min and σv

3 礦巖巖爆傾向性評價

3.1 巖石物理力學性質(zhì)試驗

巖石物理力學參數(shù)是研究地下開采及工程穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)。依據(jù)《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)，對甲瑪?shù)V區(qū)矽卡巖、角巖、花崗斑巖、大理巖等4種巖石現(xiàn)場取樣，并加工成標準試件，分組開展巖石密度、巖石劈裂、巖石單軸壓縮、巖石三軸壓縮等試驗，結(jié)果見表3。

3.2 基于多重判據(jù)的巖爆傾向性評價

巖爆的發(fā)生巖取決于兩個必要條件：一個是巖體要具備存儲高應變能的能力，且發(fā)生破壞能量釋放時能夠產(chǎn)生較強的沖擊性；另一個是圍巖中具備高應變能積聚的條件，即具備巖爆發(fā)生所需能量來源。兩個條件同時具備時才會發(fā)生巖爆，前一個條件由巖石自身固有屬性決定，可從能量角度和巖石脆性角度進行評判；后一個條件與巖石賦存環(huán)境有關(guān)，如圍巖地質(zhì)條件、地應力場等，其中地應力是最主要的影響因素[7]。

3.2.1 基于圍巖固有屬性的巖爆傾向性評價

3.2.1.1 脆性系數(shù)判據(jù)

該方法將巖石單軸抗壓強度與抗拉強度的比值(Rc/Rt)作為巖爆傾向性評價的依據(jù)，其中，B≥18為強烈?guī)r爆傾向；14≤B<18為中等巖爆傾向；10≤B<14為弱巖爆傾向；B<10為無巖爆傾向[8]。據(jù)此判據(jù)可得：大理巖、花崗斑巖、角巖、矽卡巖四種圍巖的脆性系數(shù)B值分別為7.1、9.1、10.7、15.7。由此可以看出，矽卡巖為中等巖爆傾向，角巖為弱巖爆傾向，大理巖和花崗斑巖無巖爆傾向。

表3 巖石物理力學性質(zhì)試驗結(jié)果Table 3 Test results of rock physical and mechanical properties

3.2.1.2 能量指標判據(jù)

能量指標主要從巖石存儲和釋放能量的能力方面評價巖爆傾向，常用的方法包括巖爆傾向性指數(shù)法、沖擊能量指數(shù)法、能量儲耗指數(shù)法等。通過巖石單軸壓力試驗獲得大理巖、花崗斑巖、角巖、矽卡巖等4種圍巖全應力應變曲線，如圖3所示。

圖3 圍巖全應力應變曲線Fig.3 Total stress-strain curve of surrounding rock

1) 沖擊能量指數(shù)判據(jù)。在巖石全力應力應變試驗中，達到峰值強度前儲存的變形能(E1)與破壞過程中損耗的應變能(E2)的比值反映巖石破壞過程中剩余能量的大小，將其作為評價巖爆傾向性的依據(jù)。在全應力應變曲線中，前者為峰值左側(cè)曲線與橫坐標軸圍成的面積，后者為峰值右側(cè)曲線與橫坐標軸圍成的面積。判斷依據(jù)為：E1/E2<2時無巖爆傾向；2≤E1/E2<3時弱沖擊傾向；E1/E2≥3時強巖爆傾向[9]。經(jīng)計算，大理巖、花崗斑巖、角巖、矽卡巖的沖擊能量指數(shù)分別為1.2、3.8、2.2、1.4。由此可見，花崗斑巖為強巖爆傾向，角巖弱巖爆傾向，大理巖和矽卡巖無巖爆傾向。

3) 能量儲耗指數(shù)判據(jù)。唐立忠等[10]將巖石單軸抗壓強度與抗拉強度的比值和巖石在峰值前總應變量與峰值后總應變量的比值相乘，將其乘積作為評價巖爆傾向性指標，即k=Rc×εf/(Rt×εb)，并在總結(jié)和調(diào)查冬瓜山銅礦深部巖爆記錄的基礎(chǔ)上，提出能量儲耗指數(shù)巖爆判據(jù)為：k<20無巖爆傾向，20130強巖爆傾向。 四種圍巖的能量儲耗指數(shù)分別為11.05、48.26、29.32、23.88。因此，大理巖無巖爆傾向，花崗斑巖、角巖和矽卡巖均為中等巖爆傾向。

3.2.2 考慮地應力環(huán)境的巖爆傾向性評價

1) 陶振宇判據(jù)法。陶振宇在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗，提出將巖石單軸抗壓強度和圍巖最大主應力的比值(Rc/σ1)作為巖爆傾向性評價的依據(jù)，認為：Rc/σ1≥14.5時無巖爆傾向；5.5≤Rc/σ1<14.5時低等巖爆傾向；2.5≤Rc/σ1<5.5時中等巖爆傾向；Rc/σ1<2.5時強烈?guī)r爆傾向[11]。根據(jù)地應力測量結(jié)果，在4 450 m中段最大主應力為15.7 MPa，以此計算大理巖、花崗斑巖、角巖、矽卡巖四種圍巖的指標分別為3.6、9.5、6.5、6.0。由此可見，礦山開采至4 450 m中段時，除大理巖中等巖爆傾向外，其他圍巖均為弱巖爆傾向。從式(1)可以得出，當?shù)V山開采至深部4 250 m中段時最大水平主應力為26.06 MPa，以此計算4種圍巖均為中等巖爆傾向。

2) 二郎山公路隧道判據(jù)法。徐林生等[12]通過對二郎山公路隧道施工中的200多次巖爆資料進行分析和總結(jié)，提出將硐室最大切向應力與圍巖單軸抗壓強度的比值(σθ/Rc)作為巖爆傾向性評價的依據(jù)，認為：σθ/Rc小于0.3為無巖爆傾向；σθ/Rc介于0.3～0.5之間為輕微巖爆傾向；σθ/Rc介于0.5～0.7之間為中等巖爆傾向；σθ/Rc大于0.7為強烈?guī)r爆傾向。

甲瑪?shù)V4 450 m中段，在平行最大水平主應力方向和垂直最大水平主應力方向均有巷道布置。當巷道垂直于最大水平主應力方向時，巷道斷面的切向應力最大，其斷面切向應力值可按式(4)估算。

(4)

式中：σθ為巷道斷面最大切向應力；θ和r為極坐標下待求測點的極角和極徑；λ為側(cè)壓系數(shù)；P0為巷道斷面上方的垂直應力；R0為巷道半徑。根據(jù)地應力測量結(jié)果，取λ=2.08，P0=8.49 MPa，則垂直于最大水平主應力方向巷道斷面的最大切向應力為：σθmax=44.49 MPa，以此計算大理巖、花崗斑巖、角巖、矽卡巖的σθ/Rc值分別為0.79、0.30、0.44、0.47，可見在4 450 m中段大理巖為強烈?guī)r爆傾向，其他圍巖為弱巖爆傾向。 當?shù)V山開采至深部4 250 m中段時，按最大主應力26.06 MPa估算，則大理巖為強烈?guī)r爆傾向，其他圍巖為中等巖爆傾向。

3.3 巖爆傾向性評價結(jié)果

從應變能儲存能力方面來看，大理巖無巖爆傾向，花崗斑巖中等～強巖爆傾向，角巖弱～中等巖爆傾向，矽卡巖弱～中等巖爆傾向；從應變能積聚條件來看，大理巖中等～強巖爆傾向，花崗斑巖、角巖、矽卡巖均為弱巖爆傾向。盡管大理巖應變能積聚條件較好，但其自身存儲和釋放應變能的能力較弱，發(fā)生巖爆的可能性不大；其他三種圍巖應變能集聚條件和應變能存儲與釋放能力均一般。因此，甲瑪?shù)V區(qū)4 450 m及以上淺部開采時，大理巖、花崗斑巖、角巖和矽卡巖均為弱巖爆傾向；當?shù)V山開采向下推進至4 250 m中段時，地應力值升高，圍巖巖爆傾向性增加，達到中等巖爆傾向。綜合判斷，甲瑪?shù)V區(qū)圍巖巖爆傾向性為弱～中等。

4 結(jié) 論

1) 利用鉆孔套芯應力解除法獲得了甲瑪?shù)V區(qū)地應力數(shù)據(jù)，測試結(jié)果表明：①甲瑪?shù)V區(qū)地應力場以水平構(gòu)造應力為主導，最大水平主應力約為自重應力2倍；②甲瑪?shù)V區(qū)屬于中等地應力區(qū)，淺部地應力場基本特征為σh.max>σv≈γH>σh.min；③甲瑪?shù)V區(qū)最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力隨埋深的增加而增加，且基本呈近似線性增長關(guān)系。

2) 根據(jù)實測地應力數(shù)據(jù)，結(jié)合甲瑪?shù)V區(qū)圍巖特性，從圍巖屬性和地應力環(huán)境兩方面出發(fā)，多角度對圍巖巖爆傾向性進行評價，分析表明：甲瑪?shù)V區(qū)4 450 m及以上淺部開采時，圍巖為弱巖爆傾向；當?shù)V山開采推進至深部4 250 m中段時，圍巖為中等巖爆傾向。

3) 依據(jù)地應力實測數(shù)據(jù)，通過多角度、多重判據(jù)對甲瑪?shù)V區(qū)圍巖巖爆傾向性進行評價，不同評價結(jié)果之間相互驗證、互為補充，提高了評價結(jié)果的準確度和可靠性。