地应力在采矿工程中的应用_

摘要：

地应力是引发采矿工程灾害的根本因素，尤其是矿井进入深部开采以后，地应力的作用更加凸显。概述了地应力测量方法、分布规律及矿山井下地应力场类型，系统分析了地应力在采矿工程优化设计、岩爆预测、煤与瓦斯突出预测、诱导致裂非爆连续开采及断层滑动失稳评价5个方面的应用，为矿井安全高效生产提供指导。

关键词：

地应力;测量方法;分布规律;地应力场类型;采矿工程应用

地应力是客观存在于地层中的天然应力，它是引起采矿等地下工程变形与破坏的根本驱动力[1]，对地下工程的安全稳定起着决定性作用。对于采矿工程而言，地应力状态是矿井设计的基本参数，直接影响工程岩体的力学行为。合理的巷道布置、开采方法的选择、巷道断面形状及尺寸的确定以及支护形式的选择等都需要了解具体矿区所处的地应力状态，这对优化采矿方法、提高资源回收率及预防灾害发生等具有重要意义。经过多年开采，浅部资源逐渐枯竭，我国采矿工程正在不断向深部延伸。煤矿方面，我国煤炭开采深度以每年10~25m的速度延伸，目前有50对矿井深度超过1000m，华东地区的一些煤矿采深已经达到1400m，山东新汶矿区孙村煤矿采深超过了1500m[2]。金属矿方面，我国金属矿山的开采深度也在不断深入，其中云南会泽铅锌矿开采深度超过1300m，红透山铜矿开采深度也达到了1300m，吉林夹皮沟金矿采深已达到1600m[3]。可见，我国煤矿及金属矿深部开采已进入常态化阶段。采矿工程中各类地质灾害多发，尤其是进入深部开采，往往会出现高地应力、高地温和高岩溶水压的情况，更容易引发冲击地压(岩爆)、煤与瓦斯突出、围岩大变形等工程地质灾害。这些灾害的发生只是表象，其本质控制因素还是地应力，应力水平的增加和应力状态的改变是灾害发生的根本原因。因此，地应力条件已成为矿山开采需要考虑的基本要素之一，在采矿工程中的应用范围也越来越广泛。

1地应力测量方法

获取地应力状态较直接的方式就是进行原位地应力测量。1932年，R.S.Lieurace在胡佛水坝下面的一个隧道中首次成功地进行了原岩应力的测量，开创了现场地应力测量的先河。地应力测量技术也随之发展，如今国内外已发展和应用了多种地应力测量方法，如声发射法、钻孔崩落法、扁千斤顶法、差应变曲线分析法、水压致裂法、应力解除法、地球物理探测法等。其中水压致裂法与应力解除法是比较成熟的地应力测量手段，测量精度较高，是目前普遍采用的方法。水压致裂法通常有平面和三维应力测量2种，目前使用较多的还是平面测量，广泛应用于深部测量。如蔡美峰等[4]利用单回路水压致裂法地应力测量系统在万福煤矿进行了深部地应力测量，较大测量深度达到了1105m。应力解除法可测定二维和三维地应力的大小和方向，在各种重大工程中的浅孔应力测量中应用较多。如李长洪等[5]采用改进型的空心包体应力解除法，测量了大同矿区的三维地应力。地应力测量理论与方法虽取得了长足发展，但也存在一些问题，这些问题主要体现在技术层面上，如测量精度、操作难易程度、适用条件等。另外，岩体这种材质及节理裂隙造成的测量困难，还有温度、地下水等对测量精度的影响，无论哪一种测量方法，相对于地应力真实值来说，测试的精度都存在一定问题，因此地应力测量技术仍需要进一步改进与完善。

2地应力分布规律

前人大量而系统的研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成及其特点影响较大，这一观点已得到地学界和工程学界的广泛认同。一般由自重应力引起的自重应力场相对简单，而构造应力场的成因则十分复杂。地应力场是一个相对稳定的非稳定应力场，虽然地应力场是复杂多变的，在各个区域也不尽相同，但其随深度的分布仍表现出一定的规律性。根据世界各地地应力测量结果可知，较大水平主应力和较小水平主应力随深度近似呈线性增加;地应力场中较大主应力的作用方向，一般为水平或接近水平方向;地表浅部水平应力普遍大于垂直应力;较大水平主应力与较小水平主应力之值一般相差较大，具有很强的方向性。另外，世界30多个国家的地应力分布特征表明[3]，当深度小于1500m时，较大水平主应力与垂直主应力之比KH大多大于2，构造应力占主导地位。当深度介于1500~3500m之间时，KH基本上为1.2~2.0，较小水平主应力与垂直主应力之比Kh基本上为0.5~1.0。当深度大于3500m时，KH和Kh都向1趋近。由此可见，浅部的地应力状态以构造应力为主，随深度的增加，深部的地应力状态逐渐变为静水压力状态，深部与浅部岩体应力状态出现了显著区别。

3矿山井下地应力场类型

井下岩体在未受采掘扰动前处于原岩应力状态，在采矿过程中，巷道、硐室等井巷工程的开挖将引起岩层移动与应力重新分布，形成采动应力场。而且在矿井服务期间，井下开挖扰动是一直进行的，因而采动应力场是不断变化的。井下一些巷道及硐室等不可避免地要对其进行支护，各种形式的支护与围岩相互作用，改变围岩应力状态，会在围岩中形成支护应力场，虽然这种应力场影响的范围相对较小，但也不容忽视。可见，矿井不只承受原岩应力场作用，还受到采动应力场与支护应力场的综合作用，3种应力场之间也会相互作用，形成了矿山井下的综合应力场，围岩要承受该综合应力场的叠加影响。综合应力场的叠加效应在浅部相对较弱，而在深部比较显著，这对深部矿产资源的开发带来严峻挑战。

4地应力在采矿工程的应用

4.1地应力在地下采矿工程设计优化中的应用

在采矿工程中，对巷道、采场等进行优化设计对保证矿山基本建设和随后采矿作业的安全与高效是极为关键的。掌握矿区的地应力分布特征，可用于指导矿井开拓、采区设计、巷道支护及开采设计等与地应力有关的工程实践。根据弹性力学理论，在进行巷道布置时，巷道的走向较好与较大主应力方向一致，这样有利于对巷道和采场的稳定，还可以降低支护成本。如果矿山工程地质条件和采矿生产作业要求不允许，也应尽可能使工程量大、服务时间长的巷道轴线方向与较大水平主应力方向呈较小角度。随着矿井开采深度不断增加，开采规模也在扩大，矿体赋存状况和工程地质条件等越来越复杂，深部高应力环境下的开采条件将变得更加困难。为了保证安全开采，必须进行采矿工程优化设计。在进行巷道支护设计、开采结构与开挖步骤的设计优化时，都需要了解具体的地应力状态，科学、合理的设计优化应建立在地应力及其他有关实测参数的基础上。将地应力状态作为计算的力学边界条件，通过定量的计算分析，可以了解地应力大小与方向对巷道围岩位移、应力分布、破坏范围及支护体受力的影响，并与其它方案进行综合比较，确定出较终比较合理的采矿设计优化方案。从而在保证巷道安全与支护效果的前提下，提高资源采出率，降低巷道支护成本，提高矿山企业经济效益。

4.2地应力在岩爆预测中的应用

高地应力诱发的岩爆(冲击地压)已成为目前深部采矿工程经常遇到的主要工程地质灾害之一，岩爆的有效预测一直是岩石力学界亟待解决的一大难题。岩爆的发生是一种复杂的非线性动力学现象，其控制和影响因素较多，成因机制复杂。大量研究表明，岩石的力学性质和围岩的应力状态对岩爆的发生起主要控制作用。蔡美峰等[6]认为岩爆发生的充分必要条件是，岩石本身必须具有储存高应变能的能力和高冲击倾向性且采场必须具备形成高应力或造成能量积累的环境。井下巷道开挖后，应力得到释放并重新分布，导致围岩变形破坏，岩石变形破坏后释放出来的能量都是前期受应力储存的弹性应变能，这些能量是岩爆发生的源动力。地应力在岩爆预测中扮演着重要角色。有研究认为，岩爆是应力达到岩石一定强度时产生的破坏。岩爆一般是坚硬、完整的岩体在高应力状态下应力突然释放所发生的动力失稳现象，因此根据地应力评估来预测岩爆是可能的。例如，可以根据工程区域实际地应力状态，采用数值模拟方法计算出围岩中的应力应变分布，从而可以采用式(1)求出每一个计算单元中的能量，然后根据式(2)累加求得储存于围岩中的能量。根据能量大小，可利用式(3)[6]计算出岩爆所对应的震级。式(3)在地震学领域应用较为普遍，常用于计算地震级别，将其应用于岩爆的预测，也取得了良好效果。经工程实践表明，利用地应力来预测岩爆是可行的，岩爆的有效预测可用于决策采矿设计和矿井安全生产等。

4.3地应力在煤与瓦斯突出预测中的应用

煤与瓦斯突出是煤体—围岩系统在开采扰动下发生的一种矿井动力灾害，对矿井安全生产构成了严重威胁。煤与瓦斯突出机理复杂，人们根据现场统计资料和实验研究提出了各种假说，如瓦斯作用说、地应力作用说、化学本质说和综合作用假说等。目前普遍认为煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤体结构等因素共同作用的结果，其中地应力是突出的主要动力来源。地应力对瓦斯压力、瓦斯含量具有显著的影响，也是影响煤体渗透率的主要因素。式(4)是渗透率与应力的关系[7]，由式(4)可知，应力与渗透率为负相关关系，对于含瓦斯煤这一多孔介质，渗透率的降低引起孔隙压力的升高。因此在高应力环境下，瓦斯压力将随地应力的增加而增大，增加突出危险。以地应力为基础的区域煤与瓦斯突出危险区预测方法，是根据地应力量值和煤岩体参数及瓦斯压力信息，利用数值模拟软件进行地应力场反演计算[8]。将计算得到的各单元的主应力值和试验得到的材料参数代入建立的稳定性系数判断准则，得到各点的稳定性系数R值，画出等值线，以此划分出煤层中的突出较危险区、危险区、威胁区和安全区。这种依据R值进行区域煤与瓦斯突出预测的判断标准为[8]：基于地应力的区域煤与瓦斯突出危险区预测方法可对未采区域的潜在危险区进行预测，并根据预测的突出危险程度的不同，有针对性地采取防治措施，降低煤与瓦斯突出灾害发生的几率。

4.4地应力在硬岩矿山诱导致裂非爆连续开采中的应用

地应力随着矿山开采深度增加而增大，深部岩体往往处于高地应力环境。深部高应力条件下的硬岩具有储能特性，岩体中储存有大量弹性能，岩体开挖卸荷引起能量的变化、转移和重新分布。高应力并非只有它易诱发岩爆等灾害的不利方面，它也有可利用的方面，如高应力可以加快岩体中裂纹的扩展和贯通以及在此条件下硬岩出现的“好凿好爆”现象，这给采场矿岩破碎带来了便利，高地应力环境反而成为非爆连续开采的一个有利因素[9]。岩体卸载开挖会引起地应力的调整，致使地应力重新分布，并在围岩周围一定范围形成应力集中。尤其是高地应力条件下，应力集中程度会加剧，对应的巷道松动圈范围将会增大，松动圈内岩体节理裂隙发育，有利于破岩。利用高地应力条件进行非爆连续开采时，可先利用钻爆法在待回采矿房开挖一条巷道(诱导巷道)，目的是引起高地应力集中作用于巷道围岩，诱导岩体裂纹扩展，形成松动圈，再采用掘进机连续回采矿石，从而实现多个自由面掘进机连续开采，提高作业效率，将有助于变革以爆破为主的传统采矿工艺。

4.5地应力在断层滑动失稳评价中的应用

活动断裂带附近的地应力场受到局部构造和应力变化的影响，表现出了不稳定性，断层是否发生滑动失稳主要受控于其所处的应力状态。在矿井实际生产中，往往会遇到不同类型的断层，不仅影响工作面的推进速度，断层受到扰动应力的影响，还会有活化致灾的危险，威胁矿井生产安全。Anderson根据断层类型，将地应力划分为正断层应力类型、逆断层应力类型和走滑断层应力类型3种。当较大水平主应力(σH)、较小水平主应力(σh)和垂直主应力(σv)的关系分别为σH>σh>σv、σH>σv>σh和σv>σH>σh时，地应力结构分别有利于逆断层、走滑断层和正断层的活动。基于地应力判断断层是否会滑动失稳时，为了可以采用实际的应力进行计算，在引入主应力和有效应力概念后，通常将库仑摩擦滑动准则[式(5)]改写成较大与较小主应力比与摩察系数μ的关系式[式(6)]，将式(6)与Anderson断层理论结合，可以得到逆断层、走滑断层和正断层的应力特征，见式(7)。选取合适的值(μ一般取0.6~1.0)，即可用式(7)来分析断层是否会滑动失稳。式(7)中方程左边小于右边，则断层稳定，若左边大于或等于右边，断层将沿较优断面滑动失稳[10]。利用地应力评价断层是否滑动失稳，进而可以根据断裂发生滑动失稳的条件估算更深处(几十千米深度)的应力范围，依靠估算结果推测更深处断层的稳定性，为分析地震的发生条件提供参考依据。

5结语

地应力一直是矿山岩石力学中研究的重点方向之一，随着矿井开采深度的增加，地应力的作用更加凸显。对地应力的研究，不仅有助于认识矿山井下的地应力场类型，而且可以借助于地应力进行采矿工程的优化设计与深井采矿工艺的变革，还可以对采矿工程井下地质灾害进行有效防控，有利于实现矿井的安全高效生产。

参考文献：

[1]袁亮.煤炭精准开采科学构想[J].煤炭学报，2017，42(1):1-7.

[2]谢和平，高峰，鞠杨.深部岩体力学研究与探索[J].岩石力学与工程学报，2015，34(11):2161-2178.

[3]蔡美峰，陈长臻，彭华，等.万福煤矿深部水压致裂地应力测量[J].岩石力学与工程学报，2006，25(5):1069-1074.

[4]李长洪，张吉良，蔡美峰，等.大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系[J].北京科技大学学报，2008，30(2):115-119.

[5]蔡美峰，冀东，郭奇峰.基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(10):1973−1980.

[6]韩军，张宏伟，宋卫华，等.煤与瓦斯突出矿区地应力场研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(2):3852-3859.

[7]孙东生，王连捷，赵卫华，等.地应力测量在煤与瓦斯突出灾害研究中的应用[J].中国地质，2010，37(1):223-228.

[8]李夕兵，姚金蕊，杜坤.高地应力硬岩矿山诱导致裂非爆连续开采初探——以开阳磷矿为例[J].岩石力学与工程学报，2013，32(6):1101-1111.

[9]李鹏，苗胜军.中国煤矿矿区地应力场特征与断层活动性分析[J].煤炭学报，2016，41(2):319-329.