高海拔礦區(qū)地應(yīng)力測量和巖爆傾向性評(píng)價(jià)

劉建東，于世波(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102600；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600)

巖爆是在地下工程開挖過程中，因開挖卸荷導(dǎo)致儲(chǔ)存于巖體中的彈性應(yīng)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(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象[1]，是高應(yīng)力環(huán)境中巖石工程的主要?jiǎng)恿?zāi)害之一。巖爆發(fā)生時(shí)往往伴隨破碎巖塊的大量彈射或崩出，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和氣浪，嚴(yán)重時(shí)造成巷道設(shè)備損毀及人員傷亡，是高應(yīng)力地下礦山開采過程中不可忽視的地壓災(zāi)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地應(yīng)力成因復(fù)雜[2]，通過現(xiàn)場地應(yīng)力測量，掌握礦區(qū)地應(yīng)力的空間分布規(guī)律和構(gòu)造應(yīng)力場特征，根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖巖爆傾向性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為井巷工程支護(hù)和巖爆災(zāi)害防治提供重要支撐，對(duì)于提升礦山地壓災(zāi)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(yīng)力測量

采用套孔應(yīng)力解除法和國產(chǎn)KX-81型空心包體式三軸應(yīng)變計(jì)[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(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)位置打1個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔套孔取芯2次，其中4 450 m水平第一次測試的應(yīng)力解除曲線如圖1所示。通過測量共獲得8組解除應(yīng)變值，根據(jù)各測點(diǎn)應(yīng)變值，計(jì)算獲得甲瑪?shù)V區(qū)4個(gè)水平的地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，見表1。由表1可知，每個(gè)測點(diǎn)均有2個(gè)主應(yīng)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(gè)主應(yīng)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(yīng)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(yīng)力解除曲線Fig.1 First test stress release curve in 4 450 m

表1 各測點(diǎn)實(shí)測主應(yīng)力Table 1 Real principal stress of each measuring point

2 地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)分析

2.1 地應(yīng)力場分布特征

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

1) 礦區(qū)地應(yīng)力場類型。所有測點(diǎn)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，多數(shù)測點(diǎn)中間主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，僅有2個(gè)測點(diǎn)的最小主應(yīng)力為垂直應(yīng)力。總體來看，甲瑪?shù)V區(qū)地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，構(gòu)造應(yīng)力占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢，構(gòu)造應(yīng)力場特征明顯，因此甲瑪?shù)V區(qū)地應(yīng)力場屬于構(gòu)造應(yīng)力場類型。

2) 礦區(qū)地應(yīng)力量級(jí)。本次測試測點(diǎn)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(yīng)力值超過15 MPa的測點(diǎn)有2個(gè)，最大主應(yīng)力值為10～15 MPa的測點(diǎn)有4個(gè)，最大主應(yīng)力值小于10 MPa的測點(diǎn)有2個(gè)。根據(jù)相關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn)：0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)；10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)；18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)；大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)[6]?？傮w來看，甲瑪?shù)V區(qū)屬于中等地應(yīng)力礦區(qū)。

3) 最大水平主應(yīng)力方向和最小水平主應(yīng)力方向。最大水平主應(yīng)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(yīng)力全部位于NW～SE方向，走向范圍在N35.6°W～N76.28°W之間。實(shí)測結(jié)果表明，兩個(gè)水平方向的主應(yīng)力均顯示較強(qiáng)的方向一致性。

4) 三個(gè)方向主應(yīng)力與自重應(yīng)力大小關(guān)系。最大水平主應(yīng)力(σh.max)與自重應(yīng)力(γH)比值：8個(gè)測點(diǎn)中，有5個(gè)測點(diǎn)比值小于2，有3個(gè)測點(diǎn)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(yīng)力約為自重應(yīng)力的2倍。垂直主應(yīng)力值(σv)與自重應(yīng)力(γH)比值：8個(gè)測點(diǎn)中，有6個(gè)測點(diǎn)比值大于1，有2個(gè)測點(diǎn)比值小于1，最大為1.13，最小為0.89，平均為1.02?？傮w上看，甲瑪?shù)V區(qū)垂直主應(yīng)力與自重應(yīng)力的大小很接近，垂直應(yīng)力基本上等于上覆巖層自重應(yīng)力。垂直主應(yīng)力(σv)與最小水平主應(yīng)力(σh.min)比值：8個(gè)測點(diǎn)中，有6個(gè)測點(diǎn)比值大于1，有2個(gè)測點(diǎn)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(yīng)力略大于最小水平主應(yīng)力。

本次地應(yīng)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(yīng)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(yīng)力(σh.max)與垂直主應(yīng)力(σv)的比值稱為側(cè)壓比。8個(gè)測點(diǎn)中，有4個(gè)測點(diǎn)比值大于2，另外4個(gè)測點(diǎn)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(yīng)力場的基本特征一致。

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

2.2 地應(yīng)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(duì)8個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行回歸分析，得出了最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)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(yīng)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(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力，MPa；H為測點(diǎn)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(píng)價(jià)

3.1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

巖石物理力學(xué)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)，結(jié)果見表3。

3.2 基于多重判據(jù)的巖爆傾向性評(píng)價(jià)

巖爆的發(fā)生巖取決于兩個(gè)必要條件：一個(gè)是巖體要具備存儲(chǔ)高應(yīng)變能的能力，且發(fā)生破壞能量釋放時(shí)能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊性；另一個(gè)是圍巖中具備高應(yīng)變能積聚的條件，即具備巖爆發(fā)生所需能量來源。兩個(gè)條件同時(shí)具備時(shí)才會(huì)發(fā)生巖爆，前一個(gè)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(jìn)行評(píng)判；后一個(gè)條件與巖石賦存環(huán)境有關(guān)，如圍巖地質(zhì)條件、地應(yīng)力場等，其中地應(yīng)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(píng)價(jià)

3.2.1.1 脆性系數(shù)判據(jù)

該方法將巖石單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值(Rc/Rt)作為巖爆傾向性評(píng)價(jià)的依據(jù)，其中，B≥18為強(qiáng)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(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of rock physical and mechanical properties

3.2.1.2 能量指標(biāo)判據(jù)

能量指標(biāo)主要從巖石存儲(chǔ)和釋放能量的能力方面評(píng)價(jià)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(chǔ)耗指數(shù)法等。通過巖石單軸壓力試驗(yàn)獲得大理巖、花崗斑巖、角巖、矽卡巖等4種圍巖全應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 圍巖全應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)中，達(dá)到峰值強(qiáng)度前儲(chǔ)存的變形能(E1)與破壞過程中損耗的應(yīng)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(píng)價(jià)巖爆傾向性的依據(jù)。在全應(yīng)力應(yīng)變曲線中，前者為峰值左側(cè)曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積，后者為峰值右側(cè)曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積。判斷依據(jù)為：E1/E2<2時(shí)無巖爆傾向；2≤E1/E2<3時(shí)弱沖擊傾向；E1/E2≥3時(shí)強(qiáng)巖爆傾向[9]。經(jīng)計(jì)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(qiáng)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(chǔ)耗指數(shù)判據(jù)。唐立忠等[10]將巖石單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值和巖石在峰值前總應(yīng)變量與峰值后總應(yīng)變量的比值相乘，將其乘積作為評(píng)價(jià)巖爆傾向性指標(biāo)，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(chǔ)耗指數(shù)巖爆判據(jù)為：k<20無巖爆傾向，20130強(qiáng)巖爆傾向。 四種圍巖的能量儲(chǔ)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(yīng)力環(huán)境的巖爆傾向性評(píng)價(jià)

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(yàn)，提出將巖石單軸抗壓強(qiáng)度和圍巖最大主應(yīng)力的比值(Rc/σ1)作為巖爆傾向性評(píng)價(jià)的依據(jù)，認(rèn)為：Rc/σ1≥14.5時(shí)無巖爆傾向；5.5≤Rc/σ1<14.5時(shí)低等巖爆傾向；2.5≤Rc/σ1<5.5時(shí)中等巖爆傾向；Rc/σ1<2.5時(shí)強(qiáng)烈?guī)r爆傾向[11]。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，在4 450 m中段最大主應(yīng)力為15.7 MPa，以此計(jì)算大理巖、花崗斑巖、角巖、矽卡巖四種圍巖的指標(biāo)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(shí)，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(dāng)?shù)V山開采至深部4 250 m中段時(shí)最大水平主應(yīng)力為26.06 MPa，以此計(jì)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(duì)二郎山公路隧道施工中的200多次巖爆資料進(jìn)行分析和總結(jié)，提出將硐室最大切向應(yīng)力與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度的比值(σθ/Rc)作為巖爆傾向性評(píng)價(jià)的依據(jù)，認(rèn)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(qiáng)烈?guī)r爆傾向。

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

(4)

式中：σθ為巷道斷面最大切向應(yīng)力；θ和r為極坐標(biāo)下待求測點(diǎn)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(yīng)力；R0為巷道半徑。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，取λ=2.08，P0=8.49 MPa，則垂直于最大水平主應(yīng)力方向巷道斷面的最大切向應(yīng)力為：σθmax=44.49 MPa，以此計(jì)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(qiáng)烈?guī)r爆傾向，其他圍巖為弱巖爆傾向。 當(dāng)?shù)V山開采至深部4 250 m中段時(shí)，按最大主應(yīng)力26.06 MPa估算，則大理巖為強(qiáng)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(píng)價(jià)結(jié)果

從應(yīng)變能儲(chǔ)存能力方面來看，大理巖無巖爆傾向，花崗斑巖中等～強(qiáng)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(yīng)變能積聚條件來看，大理巖中等～強(qiáng)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(yīng)變能積聚條件較好，但其自身存儲(chǔ)和釋放應(yīng)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(yīng)變能集聚條件和應(yīng)變能存儲(chǔ)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(shí)，大理巖、花崗斑巖、角巖和矽卡巖均為弱巖爆傾向；當(dāng)?shù)V山開采向下推進(jìn)至4 250 m中段時(shí)，地應(yīng)力值升高，圍巖巖爆傾向性增加，達(dá)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(yīng)力解除法獲得了甲瑪?shù)V區(qū)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，測試結(jié)果表明：①甲瑪?shù)V區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力約為自重應(yīng)力2倍；②甲瑪?shù)V區(qū)屬于中等地應(yīng)力區(qū)，淺部地應(yīng)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(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)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(shí)測地應(yīng)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(yīng)力環(huán)境兩方面出發(fā)，多角度對(duì)圍巖巖爆傾向性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析表明：甲瑪?shù)V區(qū)4 450 m及以上淺部開采時(shí)，圍巖為弱巖爆傾向；當(dāng)?shù)V山開采推進(jìn)至深部4 250 m中段時(shí)，圍巖為中等巖爆傾向。

3) 依據(jù)地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，通過多角度、多重判據(jù)對(duì)甲瑪?shù)V區(qū)圍巖巖爆傾向性進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同評(píng)價(jià)結(jié)果之間相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性。