高海拔矿区地应力测量和岩爆倾向性评价

刘建东，于世波(1.矿冶科技集团有限公司，北京 102600；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102600)

岩爆是在地下工程开挖过程中，因开挖卸荷导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，使岩体产生爆裂、松脱、剥落、弹射甚至抛掷的一种动力失稳现象[1]，是高应力环境中岩石工程的主要动力灾害之一。岩爆发生时往往伴随破碎岩块的大量弹射或崩出，产生强烈的冲击波和气浪，严重时造成巷道设备损毁及人员伤亡，是高应力地下矿山开采过程中不可忽视的地压灾害。甲玛矿区地处海拔4 600 m的青藏高原，区域内地质构造运动强烈，地应力成因复杂[2]，通过现场地应力测量，掌握矿区地应力的空间分布规律和构造应力场特征，根据地应力实测数据，对围岩岩爆倾向性进行分析和评价，为井巷工程支护和岩爆灾害防治提供重要支撑，对于提升矿山地压灾害防控与管理、保障井下作业安全具有重要意义[3]。

1 矿区地应力测量

采用套孔应力解除法和国产KX-81型空心包体式三轴应变计[4-5]，选择甲玛矿区在4 450 m、4 475 m、 4 478 m、 4 650 m水平矿岩完整地段共布置4个测点，每个测点位置打1个钻孔，每个钻孔套孔取芯2次，其中4 450 m水平第一次测试的应力解除曲线如图1所示。通过测量共获得8组解除应变值，根据各测点应变值，计算获得甲玛矿区4个水平的地应力实测数据，见表1。由表1可知，每个测点均有2个主应力接近于水平方向，与水平面夹角一般不大于10°，最大不超过17°；另有1个主应力接近于垂直方向，与垂直方向夹角不大于18°。8次测试最大主应力方向与水平面的夹角均小于8°，接近于水平方向。

图1 4 450 m水平第一次测试应力解除曲线Fig.1 First test stress release curve in 4 450 m

表1 各测点实测主应力Table 1 Real principal stress of each measuring point

2 地应力测量数据分析

2.1 地应力场分布特征

整理现场地应力测量数据，见表2。由表2可知，甲玛矿区地应力场分布存在如下特征。

1) 矿区地应力场类型。所有测点最大主应力和最小主应力均为水平应力，多数测点中间主应力为垂直应力，仅有2个测点的最小主应力为垂直应力。总体来看，甲玛矿区地应力以水平应力为主导，构造应力占据绝对优势，构造应力场特征明显，因此甲玛矿区地应力场属于构造应力场类型。

2) 矿区地应力量级。本次测试测点埋深较浅，最大埋深310 m，最小埋深80 m。8次测试中，最大主应力值超过15 MPa的测点有2个，最大主应力值为10～15 MPa的测点有4个，最大主应力值小于10 MPa的测点有2个。根据相关判定标准：0～10 MPa为低应力区；10～18 MPa为中等应力区；18～30 MPa为高应力区；大于30 MPa为超高应力区[6]。总体来看，甲玛矿区属于中等地应力矿区。

3) 最大水平主应力方向和最小水平主应力方向。最大水平主应力方向全部位于NE～SW方向，走向范围在N15.37°E～N55.8°E之间。最小水平主应力全部位于NW～SE方向，走向范围在N35.6°W～N76.28°W之间。实测结果表明，两个水平方向的主应力均显示较强的方向一致性。

4) 三个方向主应力与自重应力大小关系。最大水平主应力(σh.max)与自重应力(γH)比值：8个测点中，有5个测点比值小于2，有3个测点比值大于2，最大为2.69，最小为1.75，平均为2.08。由此可以看出，甲玛矿区最大水平主应力约为自重应力的2倍。垂直主应力值(σv)与自重应力(γH)比值：8个测点中，有6个测点比值大于1，有2个测点比值小于1，最大为1.13，最小为0.89，平均为1.02。总体上看，甲玛矿区垂直主应力与自重应力的大小很接近，垂直应力基本上等于上覆岩层自重应力。垂直主应力(σv)与最小水平主应力(σh.min)比值：8个测点中，有6个测点比值大于1，有2个测点比值小于1，最大为1.29，最小为0.92，平均比值1.06。通过分析可知，甲玛矿区垂直主应力略大于最小水平主应力。

本次地应力测试主要位于甲玛矿区浅部地层，通过分析可知，甲玛矿区浅部地应力场基本特征为σh.max>σv≈γH>σh.min。

5) 侧压比随埋深的变化规律。最大水平主应力(σh.max)与垂直主应力(σv)的比值称为侧压比。8个测点中，有4个测点比值大于2，另外4个测点比值小于2，最大为2.60，最小为1.78，平均为2.03。从数据变化规律来看，侧压比随埋深的增加有逐渐减小的趋势，这与构造应力场的基本特征一致。

表2 最大水平主应力与垂直主应力和自重应力的比值Table 2 Ratio of the maximum horizontal principal stress to vertical principal stress and gravity stress

2.2 地应力随埋深变化规律

基于最小二乘法原理，采用线性回归分析方法，对8个测点的应力值进行回归分析，得出了最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力随深度变化的回归方程分别见式(1)～式(3)。甲玛矿区地应力场随深度变化的回归曲线如图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分别为最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力，MPa；H为测点埋深，m。

图2 σh.max、σh.min和σv值随深度变化的回归曲线Fig.2 Regression curve with depth of σh.max，σh.min and σv

3 矿岩岩爆倾向性评价

3.1 岩石物理力学性质试验

岩石物理力学参数是研究地下开采及工程稳定性的前提和基础。依据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)，对甲玛矿区矽卡岩、角岩、花岗斑岩、大理岩等4种岩石现场取样，并加工成标准试件，分组开展岩石密度、岩石劈裂、岩石单轴压缩、岩石三轴压缩等试验，结果见表3。

3.2 基于多重判据的岩爆倾向性评价

岩爆的发生岩取决于两个必要条件：一个是岩体要具备存储高应变能的能力，且发生破坏能量释放时能够产生较强的冲击性；另一个是围岩中具备高应变能积聚的条件，即具备岩爆发生所需能量来源。两个条件同时具备时才会发生岩爆，前一个条件由岩石自身固有属性决定，可从能量角度和岩石脆性角度进行评判；后一个条件与岩石赋存环境有关，如围岩地质条件、地应力场等，其中地应力是最主要的影响因素[7]。

3.2.1 基于围岩固有属性的岩爆倾向性评价

3.2.1.1 脆性系数判据

该方法将岩石单轴抗压强度与抗拉强度的比值(Rc/Rt)作为岩爆倾向性评价的依据，其中，B≥18为强烈岩爆倾向；14≤B<18为中等岩爆倾向；10≤B<14为弱岩爆倾向；B<10为无岩爆倾向[8]。据此判据可得：大理岩、花岗斑岩、角岩、矽卡岩四种围岩的脆性系数B值分别为7.1、9.1、10.7、15.7。由此可以看出，矽卡岩为中等岩爆倾向，角岩为弱岩爆倾向，大理岩和花岗斑岩无岩爆倾向。

表3 岩石物理力学性质试验结果Table 3 Test results of rock physical and mechanical properties

3.2.1.2 能量指标判据

能量指标主要从岩石存储和释放能量的能力方面评价岩爆倾向，常用的方法包括岩爆倾向性指数法、冲击能量指数法、能量储耗指数法等。通过岩石单轴压力试验获得大理岩、花岗斑岩、角岩、矽卡岩等4种围岩全应力应变曲线，如图3所示。

图3 围岩全应力应变曲线Fig.3 Total stress-strain curve of surrounding rock

1) 冲击能量指数判据。在岩石全力应力应变试验中，达到峰值强度前储存的变形能(E1)与破坏过程中损耗的应变能(E2)的比值反映岩石破坏过程中剩余能量的大小，将其作为评价岩爆倾向性的依据。在全应力应变曲线中，前者为峰值左侧曲线与横坐标轴围成的面积，后者为峰值右侧曲线与横坐标轴围成的面积。判断依据为：E1/E2<2时无岩爆倾向；2≤E1/E2<3时弱冲击倾向；E1/E2≥3时强岩爆倾向[9]。经计算，大理岩、花岗斑岩、角岩、矽卡岩的冲击能量指数分别为1.2、3.8、2.2、1.4。由此可见，花岗斑岩为强岩爆倾向，角岩弱岩爆倾向，大理岩和矽卡岩无岩爆倾向。

3) 能量储耗指数判据。唐立忠等[10]将岩石单轴抗压强度与抗拉强度的比值和岩石在峰值前总应变量与峰值后总应变量的比值相乘，将其乘积作为评价岩爆倾向性指标，即k=Rc×εf/(Rt×εb)，并在总结和调查冬瓜山铜矿深部岩爆记录的基础上，提出能量储耗指数岩爆判据为：k<20无岩爆倾向，20130强岩爆倾向。 四种围岩的能量储耗指数分别为11.05、48.26、29.32、23.88。因此，大理岩无岩爆倾向，花岗斑岩、角岩和矽卡岩均为中等岩爆倾向。

3.2.2 考虑地应力环境的岩爆倾向性评价

1) 陶振宇判据法。陶振宇在前人研究基础上，结合国内工程经验，提出将岩石单轴抗压强度和围岩最大主应力的比值(Rc/σ1)作为岩爆倾向性评价的依据，认为：Rc/σ1≥14.5时无岩爆倾向；5.5≤Rc/σ1<14.5时低等岩爆倾向；2.5≤Rc/σ1<5.5时中等岩爆倾向；Rc/σ1<2.5时强烈岩爆倾向[11]。根据地应力测量结果，在4 450 m中段最大主应力为15.7 MPa，以此计算大理岩、花岗斑岩、角岩、矽卡岩四种围岩的指标分别为3.6、9.5、6.5、6.0。由此可见，矿山开采至4 450 m中段时，除大理岩中等岩爆倾向外，其他围岩均为弱岩爆倾向。从式(1)可以得出，当矿山开采至深部4 250 m中段时最大水平主应力为26.06 MPa，以此计算4种围岩均为中等岩爆倾向。

2) 二郎山公路隧道判据法。徐林生等[12]通过对二郎山公路隧道施工中的200多次岩爆资料进行分析和总结，提出将硐室最大切向应力与围岩单轴抗压强度的比值(σθ/Rc)作为岩爆倾向性评价的依据，认为：σθ/Rc小于0.3为无岩爆倾向；σθ/Rc介于0.3～0.5之间为轻微岩爆倾向；σθ/Rc介于0.5～0.7之间为中等岩爆倾向；σθ/Rc大于0.7为强烈岩爆倾向。

甲玛矿4 450 m中段，在平行最大水平主应力方向和垂直最大水平主应力方向均有巷道布置。当巷道垂直于最大水平主应力方向时，巷道断面的切向应力最大，其断面切向应力值可按式(4)估算。

(4)

式中：σθ为巷道断面最大切向应力；θ和r为极坐标下待求测点的极角和极径；λ为侧压系数；P0为巷道断面上方的垂直应力；R0为巷道半径。根据地应力测量结果，取λ=2.08，P0=8.49 MPa，则垂直于最大水平主应力方向巷道断面的最大切向应力为：σθmax=44.49 MPa，以此计算大理岩、花岗斑岩、角岩、矽卡岩的σθ/Rc值分别为0.79、0.30、0.44、0.47，可见在4 450 m中段大理岩为强烈岩爆倾向，其他围岩为弱岩爆倾向。 当矿山开采至深部4 250 m中段时，按最大主应力26.06 MPa估算，则大理岩为强烈岩爆倾向，其他围岩为中等岩爆倾向。

3.3 岩爆倾向性评价结果

从应变能储存能力方面来看，大理岩无岩爆倾向，花岗斑岩中等～强岩爆倾向，角岩弱～中等岩爆倾向，矽卡岩弱～中等岩爆倾向；从应变能积聚条件来看，大理岩中等～强岩爆倾向，花岗斑岩、角岩、矽卡岩均为弱岩爆倾向。尽管大理岩应变能积聚条件较好，但其自身存储和释放应变能的能力较弱，发生岩爆的可能性不大；其他三种围岩应变能集聚条件和应变能存储与释放能力均一般。因此，甲玛矿区4 450 m及以上浅部开采时，大理岩、花岗斑岩、角岩和矽卡岩均为弱岩爆倾向；当矿山开采向下推进至4 250 m中段时，地应力值升高，围岩岩爆倾向性增加，达到中等岩爆倾向。综合判断，甲玛矿区围岩岩爆倾向性为弱～中等。

4 结 论

1) 利用钻孔套芯应力解除法获得了甲玛矿区地应力数据，测试结果表明：①甲玛矿区地应力场以水平构造应力为主导，最大水平主应力约为自重应力2倍；②甲玛矿区属于中等地应力区，浅部地应力场基本特征为σh.max>σv≈γH>σh.min；③甲玛矿区最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力随埋深的增加而增加，且基本呈近似线性增长关系。

2) 根据实测地应力数据，结合甲玛矿区围岩特性，从围岩属性和地应力环境两方面出发，多角度对围岩岩爆倾向性进行评价，分析表明：甲玛矿区4 450 m及以上浅部开采时，围岩为弱岩爆倾向；当矿山开采推进至深部4 250 m中段时，围岩为中等岩爆倾向。

3) 依据地应力实测数据，通过多角度、多重判据对甲玛矿区围岩岩爆倾向性进行评价，不同评价结果之间相互验证、互为补充，提高了评价结果的准确度和可靠性。