[科普中国]-原岩应力场

简介

矿山开挖以后，岩体初始应力场受到扰动而发生变化，导致应力重新分布和局部应力集中。由此产生巷道变形、采场顶板下沉、矿柱受压，甚至引起片帮、冒顶、矿柱倒塌等地压活动，给矿山安全生产带来严重威胁。因此，通过测量研究岩体的原始应力状态，掌握它随采矿工程进展而变化的规律，对于矿山工程的设计、施工、生产等都是十分重要的1。

岩体原岩应力测量方法国内外岩体原岩应力测量方法从50年代发展至今，已有数十种之多，其分类方法也多种多样。但就普通采用的方法来看，按其测量原理可分为套芯应力解除法、水压致裂法和声发射法三大类型。在地下矿山岩体原岩应力测量中，主要采用的是套芯应力解除法。测量仪器多种多样，如孔底“门塞”式应变计、孔壁三轴应变计、钻孔变形计、压磁应力计、空心包体三轴应力计等都得到广泛应用。

套芯应力解除法具有测量灵敏度高、测量结果可靠、在深孔中进行测量时可以确定测点的三维应力状态等特点2。

矿山岩体原岩应力场特征三向挤压状态的地下矿山岩体原岩应力场实测数据表明，测点三个主应力均为压应力。只有在开挖以后，改变了开挖空间周围岩体原有的三轴压缩应力状态，应力重新分布并产生应力集中，导致岩体变形，在开挖空区的临空面的一定范围内出现张应力，这就是造成岩体破坏、引起各种地压活动的重要原因之一。

资料所列的最大测量深度为1000m。在该深度范围内，岩体仍处于不等压状态。最大主应力与其它二个主应力平均值之比大部分在1. 5-3. 0之间，仅个别测点超过3. 0 。

占有主导地位的近水平构造应力场在研究地下矿山岩体原岩应力时，通常把它简化成水平向构造应力场与铅垂向重力应力场的叠加，而忽略其它因素的影响。据19个测点所得最大主应力方向统计资料来看，其倾角近水平。实测水平向最大主应力的方位与全国构造应力的方位基本是一致的。

大于自重应力的垂直方向应力分量绝大部分测点垂直应力分量均大于理论计算的岩体自重应力，垂直应力分量不单纯是岩体自重应力，并包含有水平构造应力在垂直方向的分量叠加的因素。从实测资料可知，凡属垂直应力分量与自重应力比值大的测点如盘古山、画眉坳、金川等矿山，均存在较大的水平构造应力。通过测量结果认为岩体中既存在着水平构造应力场，而且最大主应力为水平应力，于是得出垂直应力分量等于或小于岩体自重应力的规律。这在某些特殊条件下，受构造等地质条件的影响是有可能产生的，但作为普遍规律却值得商榷1。

矿山岩体原岩应力场与工程设计的关系岩体原岩应力状态是矿山工程设计必须予以考虑的原始资料之一。只有这样，才能使工程设计建立在科学的、合理的基础之上，达到既经济又安全的目的。这一点已被人们普遍接受。在生产矿山通过实测，可获得测点的原岩应力状态，为矿山工程的扩建和改造、采矿方法的选择、安全生产及地压预报等提供了重要依据。

下面列举几个实例，以阐述原岩应力场与工程实践的关系。

高水平应力场中巷道断面设计与支护金川二矿区岩体应力测量结果得出，最大主应力轴接受水平，量级高达51MPa，而且水平应力与垂直应力比值较大。根据这一测量结果，可以较好地解释该矿巷道边墙鼓出、底板隆起、断面缩小、甚至由于巷道边墙受压不对称而出现歪桃状变形等地压现象，为巷道返修、设计和维护提供了依据。根据所测原岩应力状态和分布规律，提出在现场条件许可的情况下，巷道走向应尽量平行于最大主应力方向的观点，以减少巷道变形。

原设计直墙拱形断面，掘进困难，片冒严重。根据侧压大的情况改为近似椭圆形断面，并相应采取喷锚支护等措施，较好地解决了该巷道的掘进和支护问题。

自然崩落法中的原岩应力场某矿用套芯应力解除法测得该矿区原岩应力场是一个以构造应力为主的应力场，最大主应力为10-14M Pa，两个优势节理组的代表走向与矿区原岩最大主应力方向近似平行或成小角度相交。根据这一结果，使拉底巷道的方向接近原岩最大主应力方向和两组优势节理的方向，同时将初始崩落区或拉底工作面的开凿位置选在节理裂隙发育的区段，也就是低应力区。生产实践证明，这种设计对促进矿岩崩落和改善矿石块度组成起到了较好的作用。通过RMPSDOF微机系统对不同应力状态下崩落矿石块度组成进行模拟研究提出，随着垂直应力的增大，大块率将会增加。垂直应力每增加1M Pa，大于0. 8m的大块率约增加1%，大于1. 2m的大块率约增加1% -3%，但是，当垂直应力大于第二主应力时，大块率又有减小的趋势。

根据原岩应力场确定地压控制方案岩体应力测量就是该研究课题的重要内容之一。针对岩体初始应力、岩爆区应力、采场开采过程中的围岩应力及大型结构面附近应力状态等情况，进行岩体应力测量工作。

岩体沿竖向和沿水平面的应力分布均呈现由上而下逐渐增大且东高西低的特征；在岩爆区，大型结构面弱面附近和老地压区底部存在较高的地应力;整个测试区域岩体应力值较高，70%的测试区域接近或超过30MPa, 20%的区域出现高应力状态下的岩芯饼化现象；矿区下部存在明显的水平应力，最大主应力方向与区域构造应力场方向一致。根据这一测量结果，配合地质调查、采场综合地压观测等手段，并以所测数据为原始资料，应用有限元、边界元对急倾斜脉状矿床开采时围岩及矿柱的应力与位移分布规律进行计算分析，掌握了矿区岩移及地压活动规律。同时，以改善应力分布状态，避免高应力的集中为出发点制定了地压控制方案。为从矿区全局上改善下部中段岩体应力的分布状态，改变矿区中部富矿段岩体应力集中的不合理局面，将现行后退式采矿顺序改为由矿脉密集区到稀疏区的前进式采矿顺序;为减小框架矿柱部分的应力高度集中，防止和避免岩爆，原则上不留房间矿柱;在矿脉密集段继续采用废石充填处理空区，减小岩移空间，避免地压灾害，在矿脉稀疏区段采用封闭法处理空区，以节省处理费用。该处理方案已在现场获得了较好的应用效果。

此外，大厂铜坑锡矿、三山岛金矿等矿山通过应力解除法测得原岩应力场，为采矿方法设计、采场结构参数优化提供了科学依据。金河磷矿在保安矿柱回采中运用所测得的原岩应力资料，保证了井下资源的充分回收。大同煤矿开展岩体应力测量工作，以研究矿山地震活动规律和机理，并进行相应的预测和预报。这些矿山在原岩应力场测量方面均取得了良好的效果3。

总结矿山岩体原岩应力场在矿山生产与安全中有着不可忽视的影响。随着采矿工业的发展，我国矿山岩体原岩应力场的研究应该进一步深入，加强测试手段，提高计算与分析的精确度，把矿区原岩应力场的测试与研究纳入规范化的矿山设计之中。在矿山设计、建设和生产的全过程中，均要掌握原岩应力场所处的状态，以便采取相应的措施和对策，防止地压事故的发生，确保矿山的安全生产1。