基于地应力测量的深部矿区岩爆预测研究

熊泽华 林金山

（江西铜业集团银山矿业有限公司）

地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力。地应力影响着工程岩石的基本力学性质，是引发诸多岩体灾害的基础作用力，是进行围压稳定性分析的前提条件，因此对地下工程区地应力的测量与分析是保证地下工程科学作业的必要条件［1］。在深部矿山开采中，硬岩岩爆灾害现象尤为严重［2-3］，因忽视高地应力而导致的岩爆灾害事故层出不穷。因此，提前测试地应力并准确地预测岩爆灾害是地下施工安全进行的保证。

本文以江西省德兴市银山矿区深部铜铅锌矿为例，利用水压致裂法对该矿区银山区的地应力进行了测试。基于地应力的测量数据，对银山区矿井深部围岩应力场进行了综合评价，应用Russenes判别法和Turchaninov 判别法对岩爆倾向性进行了评估，为今后类似的工程提供一定的理论依据与指导。

1 地应力测试

1.1 测试钻孔简介

本次研究的地应力测试区在银山矿区银山区（SHZKY2309 孔、SHZKY604 孔、SHZK15B03 孔共3 个测孔中进行，银山区在该矿区的分布如图1所示。在3个测孔中岩石相对完整区间共获得30段实测资料，并对各孔中具有代表性压裂段进行了印模。具体测试情况见表1，各测孔在高程-330 m 的平面布置如图2所示。

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1.2 地应力测试结果

本次研究采用水压致裂法进行地应力测量［4-6］。根据地应力测试的结果，绘制了SHZKY2309 孔、SHZKY604孔、SHZK15B03孔主应力量值随深度的变化图，如图3 所示。可知，SHZKY2309 孔在344.1～455.0 m 测深范围的最大水平主应力为16.5～26.9 MPa，最小水平主应力为10.6～17.3 MPa，铅直应力σz为20.8～23.9 MPa。SHZKY604 孔在336.0～472.0m 测深范围的最大水平主应力为24.5～41.5MPa，最小水平主应力为14.4～25.1 MPa，铅直应力σz为19.0～24.4 MPa。SHZK15B03 孔在108.0～329.3m 测深范围的最大水平主应力为22.5～37.6MPa，最小水平主应力为14.7～21.3 MPa，铅直应力σz为16.0～22.2 MPa。银山区测孔在测深108.0～472.0m范围内，最大水平主应力范围总体为16.5～41.5MPa，最小水平主应力为10.6～25.1 MPa，铅直应力σz为16.0～24.4 MPa。结果表明，除了SHZK15B03 孔在180～250 m 范围内受局部构造挤压作用，量值偏大外，银山区测孔的水平主应力量值与深度总体上呈线性分布。

对测深范围的实测结果进行线性拟合，获得最大水平主应力σ1、最小水平主应力σ2随深度（H）变化关系，SHZKY2309 孔：σ1=0.091H-15.7，σ2=0.059H-10.3；SHZKY604 孔：σ1=0.070H+7.6，σ2=0.041H+5.1；SHZK15B03孔：σ1=0.048H+18.4，σ2=0.022H+12.0。

依据印模测试获得的3 个测孔最大水平主应力方向清晰，各孔结果较为一致。其中，SHZKY2309 孔最大水平主应力方向稳定在N23°E～N31°E；SHZKY604孔最大水平主应力方向稳定在N18°E～N26°E；SHZK15B03 孔最大水平主应力方向稳定在N19°E～N32°E，银山区的3 个测孔最大水平主应力方向稳定为NNE—NE 向，表明工程区现今构造应力场以NNE—NE 向挤压为主，与银山矿区处在赣东北韧性剪切蛇绿岩构造混杂带下的NE 向蛤蟆石走滑剪切带内、矿田内NE 向银山背斜-断裂带及火山口NE 向总体排列等地质构造特征相符。

3个测孔中，除了SHZKY2309孔在测深范围内最大水平主应力与自重量值相接近外，其余均大于1。其中，SHZKY2309 孔在测深范围内侧压系数（σ1/σz）范围为1.0～1.1，平均值1.0，测点应力量值主要呈σ1≈σz＞σ2特征；SHZKY604 孔侧压系数范围为1.3～1.7，平均值1.5，测点应力量值主要呈σ1＞σ2≈σz特征；SHZK15B03 孔侧压力系数范围为1.4～1.9，平均值1.6，测点应力量值主要呈σ1＞σ2≈σz特征。银山区3个测孔的测试结果表明，SHZKY2309 测孔最大水平向水平应力与自重应力相当，其余以水平应力为主导。

2 矿井深部围岩应力场评价

为进一步分析该矿区的应力情况，对深部围岩进行了应力场评价，上述3个测孔的地应力测试结果显示，最大水平主应力总体呈NNE—NE 向（平均NE27°），但地应力量值呈现不同分区现象。具体而言，SHZK2309 孔所测最大水平主应力量值与铅直应力相当（侧压力系数约1.0）；SHZKY604 孔和SHZK15B03 孔所测最大水平主应力量值明显高于铅直应力（侧压力系数高达1.5 以上）。因此，基于地应力实测结果的分区特征，拟给出不同测孔所在位置的局部应力场分布规律。

针对银山区SHZK2309 孔其邻区，建议如下地应力场表达式：

式中，H为围岩埋深，m；γ为容重，N/m³。

针对银山区SHZKY604孔和SHZK15B03孔，地应力场表达式：

根据上述地应力场的建议表达式，依据《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016）及完整硬岩（赋存高地应力的一般条件）抗压强度Rc=50 MPa，可以得出各钻孔附近高应力、极高应力的埋深分布范围，见表2。

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地应力量值高低呈现的分区特征与测孔区的矿脉赋存条件及工程地质条件有关。位于矿脉分布相对集中区的测孔（SHZKY2309）所测最大水平主应力与铅直应力相当，当埋深880～1 760 m 时即表现为高应力水平，埋深超过1 760 m时则为极高应力水平；远离矿脉集中分布区的测孔（SHZK15B03 和SHZKY604）所测得最大水平主应力大于铅直应力，与远离矿脉分布集中区测孔内较少揭露有矿脉，岩体完整性相对较好，测试所得应力量值相对较高，当埋深550～1 100 m 时即表现为高应力水平，埋深超过1 100 m时则为极高应力水平。

根据地应力测试结果，最大水平主应力方向相对集中，平均NE27°，即NNE 向，因此，建议矿井深部开采过程中按NE27°方向布置巷道，有利于洞室围岩的稳定。在后续分析过程中所得结论都是基于此假设而获得，倘若矿井实际巷道布置有所变动，相应结论也将随之改变。

为了预测矿井深部开采过程中巷道或硐室开挖后岩壁变形、岩爆等，计算了巷道横截面上的最大切向应力值的大小。通过计算得到的得各测孔最大埋深处围岩原地应力分量、横截面切向应力，见表3。

注：假设巷道按最利于围岩稳定的NE27°方向布置，即平行于最大水平主应力方向。

结合工程地质条件与岩石试验结果，银山区的SHZKY2309 孔底部石英闪长岩饱和单轴抗压强度Rc为44.0 MPa，σmax为24.2 MPa，Rc/σmax=1.8，依据《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014）、《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016），Rc/σm=1.7（其中σm为最大主应力，即最大水平主应力与自重两者间的较大值，下同），则该孔底部应力可综合评价为高-极高应力水平。

SHZKY604 孔底部绢云母千枚岩饱和单轴抗压强度Rc为7.0 MPa，σmax为25.0 MPa，Rc/σmax=0.3，Rc/σm=0.2，则孔底部应力综合评价为高-极高应力水平。

SHZK15B03 孔底部石英绢云母千枚岩饱和单轴抗压强度Rc为36.0 MPa，σmax为22.5 MPa，Rc/σmax=1.6，Rc/σm=1.0，则孔底部应力综合评价为高-极高应力水平。因此，综合上述3孔实测资料分析可知，银山区在测试范围内最大埋深处地应力为高-极高应力水平。

3 矿区岩爆预测分析

岩爆是采掘空间岩体在高地应力和开挖扰动作用下，积聚的弹性应变能突然释放，破碎岩体向采掘空间抛射的动力失稳地质灾害［7-8］，岩爆的预测与评价对安全开采至关重要，而高地应力是诱导岩爆发生的重要条件。

本次岩爆分析从地应力角度着手，采用《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）进行岩爆等级预测。同时，本研究采用强度理论中普遍应用的Russenes 判别法和Turchaninov 判别法进行定性或定量的综合评价［9］。

上述判别方法给出了已知应力状况和围岩力学参数推断围岩是否发生岩爆及岩爆级别的标准。本次研究中，先求得隧道围岩的切向应力和轴向应力，然后可求得在不同判别标准下不同等级岩爆下隧道埋深的范围。

针对接近最大水平主应力方向（约NE27°）的开采巷道，依据前对围压应力场的分析结果，主要针对可能发生岩爆的完整硬脆性围岩，参考试验结果并结合有关工程经验，综合取岩石饱和单轴抗压强度Rc=50.0 MPa，可分别获得矿井深部巷道施工开挖期岩爆预测评价结果，见表4和表5。

注：σθ为最大切向应力（下同）。

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针对接近最大水平主应力方向（约NE27°）的开采巷道，由表4 和表5 综合判别分析结果得到如下结论：在SHZK2309孔附近、但远离矿脉的完整硬脆性岩体中开挖巷道时，当埋深为440～880 m时，可能发生中等岩爆；当埋深为880～1 760 m 时，可能发生强岩爆；当埋深大于1 760 m 时，可能发生极强岩爆。对于在SHZKY604孔和SHZK15B03孔附近、远离矿脉的完整硬脆性岩体中开挖巷道时，当埋深为280～550 m时，可能发生中等岩爆；当埋深为550～1 100 m时，可能发生强岩爆；当埋深大于1 100 m时，可能发生极强岩爆。

对于明显偏离最大水平主应力方向（约NE27°）的开采巷道，施工期发生岩爆的可能性相对更大。因此，巷道开挖中应采取必要的安全防护措施。

4 结 论

（1）在银山区测孔的108.0～472.0 m 测深范围内，最大水平主应力范围总体为16.5～41.5 MPa，最小水平主应力为10.6～25.1 MPa，最大水平主应力方向稳定为NNE—NE向。

（2）SHZK2309 测深范围的最大水平主应力与自重应力相当（侧压力系数约1.0），埋深880 m 起属于高地应力区；SHZKY604、SHZK15B03 孔测深范围最大水平主应力明显增高（侧压力系数高达1.5 以上），埋深550 m 起属于高地应力区，即银山矿区地应力场呈现不同量值级别的分区现象。

（3）沿接近最大水平主应力方向（约NE27°）、远离矿脉构造的完整硬质岩体中开挖巷道时，在SHZK2309 孔周边，当埋深为440～880 m，可能发生中等岩爆；当埋深为880～1 760 m，可能发生强岩爆；在SHZKY604 孔和SHZK15B03 孔周边，当埋深为280～550 m，可能发生中等岩爆；当埋深为550～1 100 m，可能发生强岩爆；当埋深大于1 100 m，可能发生极强岩爆。另外，对明显偏离最大水平主应力方向（约NE27°）的开采巷道，施工期发生岩爆的可能性更大。