復(fù)雜地質(zhì)條件下礦區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

褚吉祥　于慶磊　勒治華　鄭浩田　孫鵬

摘要：初始地應(yīng)力場(chǎng)是地下工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)。前常鐵礦礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巷道圍巖破壞嚴(yán)重，掌握礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律對(duì)了解巷道破壞、進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件（Flac3D），建立了考慮礦區(qū)主要斷層、巖層等的三維數(shù)值模型，進(jìn)行礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的模擬，分析了礦區(qū)整體、地質(zhì)構(gòu)造處和-480 m中段地應(yīng)力場(chǎng)特征。結(jié)果表明：礦區(qū)地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，分層現(xiàn)象明顯，應(yīng)力值隨埋深增加而逐漸增大，地質(zhì)構(gòu)造和巖性交接帶對(duì)地應(yīng)力的影響十分顯著，出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象;F1斷層形成的構(gòu)造應(yīng)力對(duì)-480 m中段主運(yùn)輸巷道影響相對(duì)較大;-480 m中段主運(yùn)輸巷道側(cè)壓力系數(shù)為0.46～0.58，最大水平主應(yīng)力與巷道走向的夾角為2.60°～47.75°，對(duì)維持其穩(wěn)定性不利。為減小地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，建議礦區(qū)地下巷道的布置遵循巷道走向與最大水平主應(yīng)力方向平行的原則。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造;地應(yīng)力場(chǎng);數(shù)值計(jì)算;反演分析;主應(yīng)力方向

中圖分類(lèi)號(hào)：TD325文章編號(hào)：1001-1277（2022）01-0054-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20220109

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52074060）;國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目（U21A20106）

引言

在進(jìn)行巖體工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析時(shí)，初始地應(yīng)力的分布特征是重要的影響因素之一[1]，尤其是在地形、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和賦存高度等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境影響下，巖土工程所處區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng)是地下工程變形破壞的重要力源之一[2-3]。利用儀器設(shè)備進(jìn)行原位測(cè)試是獲取精確地應(yīng)力場(chǎng)最直接和最有效的方法，但受到現(xiàn)場(chǎng)條件和經(jīng)費(fèi)等諸多因素的影響而不能進(jìn)行大量的實(shí)測(cè)，而且地應(yīng)力場(chǎng)成因復(fù)雜，影響因素眾多，測(cè)量結(jié)果會(huì)有一定程度的離散性，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果可能會(huì)誤差較大，在某種程度上僅能反映局部應(yīng)力場(chǎng)[3-4]。因此，為較好滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)和施工需要，一般都是在工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)值模擬對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析，以獲得更為合理、適用范圍更廣的初始地應(yīng)力場(chǎng)[5-7]。例如：在水電站地下廠(chǎng)房建設(shè)中，考慮復(fù)雜的地形地貌條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性，采用數(shù)值計(jì)算方法反演分析地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，以及給出地下硐室布置建議[8-11];在地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋隧道建設(shè)中，進(jìn)行隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的三維數(shù)值反演分析，了解巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的長(zhǎng)大深埋隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)深埋隧道設(shè)計(jì)和巖爆預(yù)測(cè)、防控具有顯著的借鑒意義[12-14];在礦山工程建設(shè)中，掌握初始地應(yīng)力的大小和方向?qū)τ谂卸ㄏ锏篱_(kāi)挖后巷道圍巖穩(wěn)定性情況有著重要作用。張宜虎等[15]基于三維數(shù)值模擬技術(shù)，給出巷道圍巖由拉張裂紋延伸方向確定初始地應(yīng)力方向的方法;王興旭等[16]對(duì)小莊煤礦采用三維應(yīng)力場(chǎng)反演驗(yàn)證其實(shí)測(cè)結(jié)果，得到的應(yīng)力分布規(guī)律為礦井動(dòng)力現(xiàn)象的預(yù)測(cè)預(yù)防奠定了一定基礎(chǔ)。

安徽太平礦業(yè)有限公司前常鐵礦（下稱(chēng)“前常鐵礦”）礦區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隨著礦山開(kāi)采，現(xiàn)已探明其中深部賦存豐富的礦石資源，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，礦山進(jìn)行了深部開(kāi)采設(shè)計(jì)，深部延伸工程采用盲豎井，即淺部明豎井和深部盲豎井聯(lián)合開(kāi)拓方式，在-480 m中段布置主運(yùn)輸巷道連接明豎井和盲豎井。基建期間，在-480 m中段主運(yùn)輸巷道施工過(guò)程中，支護(hù)后巷道兩幫、底部發(fā)生較大膨出變形和不同程度的冒頂。-480 m中段主運(yùn)輸巷道埋深約500 m，并未達(dá)到深部開(kāi)采水平，但礦區(qū)斷層較多，可能受斷層影響地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了變化。基于此，本文考慮礦區(qū)復(fù)雜地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體自重等多重因素，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件（Flac3D），建立礦區(qū)數(shù)值模型，分析礦區(qū)初始地應(yīng)力分布規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)-480 m中段主運(yùn)輸巷道和礦區(qū)井下其他工程布置具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

1.1地層巖性

前常鐵礦礦區(qū)內(nèi)鉆孔揭露地層主要為上寒武統(tǒng)，次為中寒武統(tǒng)，少量下奧陶統(tǒng)，地表全部為第四系覆蓋，無(wú)巖石出露。上寒武統(tǒng)崮山組、上寒武統(tǒng)長(zhǎng)山組和上寒武統(tǒng)鳳山組，均分布在背斜兩翼，與下覆地層為整合接觸;3組地層的厚度分別為60 m、60 m和130 m，且上寒武統(tǒng)鳳山組為最主要的控礦層位;3組地層的巖性主要為鮞狀白云質(zhì)（白云石）大理巖、條帶狀白云質(zhì)（白云石）大理巖，以及蝕變后局部的尖晶石、鎂桿石大理巖。中寒武統(tǒng)徐莊組和中寒武統(tǒng)張夏組分別分布在F1斷層下盤(pán)和背斜的西翼，地層厚度分別為63 m和73 m，主要為大理巖類(lèi)，中寒武統(tǒng)徐莊組的下部為薄層狀灰綠色、暗紫色粉砂質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖、大理巖化鮞狀灰?guī)r互層。下奧陶統(tǒng)蕭縣組多呈捕虜體產(chǎn)出，主要為大理巖類(lèi)。第四系覆蓋層主要為黏土、砂土、細(xì)砂、砂礫石，其中黏土層最厚10.27 m，砂層最厚38 m。礦區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組可分為巖漿巖類(lèi)地質(zhì)巖組、矽卡巖類(lèi)地質(zhì)巖組、大理巖類(lèi)地質(zhì)巖組和新生界松散巖類(lèi)地質(zhì)巖組，巖體完整性差。

1.2地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)三維地質(zhì)圖如圖1所示。礦區(qū)內(nèi)有2個(gè)向斜，即李莊向斜和前常向斜，它們同屬于皇藏峪復(fù)背斜南部?jī)A沒(méi)端東翼的次一級(jí)向斜構(gòu)造。李莊向斜為一似盆狀稍向東傾伏的向斜，長(zhǎng)900 m，寬550 m，面積約0.5 km2，軸向呈北東—南西，傾角一般在10°～20°，僅邊緣局部較陡，約30°～40°。前常向斜位于李莊向斜的東南側(cè)，長(zhǎng)400 m，寬250 m，面積約0.1 km2，軸向呈北西—南東，傾角平緩，10°左右。由于巖漿巖侵入，吞蝕破壞，使組成向斜的巖層支離破碎，殘缺不全，也造成向斜不完整。

礦區(qū)內(nèi)斷層活動(dòng)主要表現(xiàn)為成礦前的擠壓破碎作用及成礦后的斷層，主要有9條斷層。其中，F(xiàn)、F和F均為正斷層，裂隙微發(fā)育、膠結(jié)較好，巖石較為完整;F、F和F均為逆斷層，F(xiàn)和F斷層寬1～8 m，膠結(jié)差，多被方解石充填或半充填，斷層上下巖溶發(fā)育，多為溶孔、溶蝕裂隙，斷面有鐵染，F(xiàn)斷層沒(méi)有明顯的破碎帶，裂隙微發(fā)育，巖石完整;F和F斷層寬75～250 m，巖石呈松、軟、碎特征;F9斷層破碎帶被方解石脈充填膠結(jié)，上部膠結(jié)較密實(shí)，下部巖心呈松散狀。對(duì)采礦作業(yè)有影響的主要是工程地質(zhì)條件相對(duì)較差的F、F、F和F斷層（如圖1所示）。因此，本文在分析前常鐵礦礦區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)反演時(shí)僅考慮上述4條斷層的影響，各個(gè)斷層主要產(chǎn)狀如表1所示。

2 初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

2.1數(shù)值模型與巖體力學(xué)參數(shù)

1）模型建立：根據(jù)礦體向下延伸可達(dá)-900 m和地表水平29 m，設(shè)定的鉛直方向高度為-1 100～29 m。考慮正斷層F和F、逆斷層F和F的影響，將建立好的斷層曲面模型導(dǎo)入Rhino內(nèi)，首先建立三維實(shí)體模型;然后運(yùn)用“布爾運(yùn)算分割”命令，用斷層曲面分割三維空間實(shí)體，生成如圖2所示的礦區(qū)主要地層三維計(jì)算模型（已隱藏第四系）。模型長(zhǎng)×寬=1 743 m×1 400 m，地表高程為29 m，底面高程為-1 100 m;y軸正方向?yàn)檎狈较颉?/p>

2）計(jì)算方法與網(wǎng)格劃分：采用三維有限差分計(jì)算方法和各向同性材料的Mohr-Coulomb模型進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)模擬計(jì)算;整個(gè)模型采用四面體單元，共618 487個(gè)單元，110 051個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3）邊界條件：模型邊界條件設(shè)置為上表面自由，其他各面約束，僅考慮重力作用，重力加速度為-9.8 m/s2，模型巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.2地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果

2.2.1初始地應(yīng)力大小

本文給出了礦區(qū)三維整體應(yīng)力場(chǎng)、沿F1斷層剖面應(yīng)力場(chǎng)、-480 m中段應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果。礦區(qū)三維整體應(yīng)力場(chǎng)如圖3所示，整個(gè)礦區(qū)最大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，大小為0.07～52.13 MPa，地應(yīng)力分層現(xiàn)象明顯，應(yīng)力值隨埋深增加而逐漸增大，且斷層和巖性交接對(duì)地應(yīng)力的影響十分顯著，在斷層的兩端和不同巖性接觸面附近主應(yīng)力出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中，即地質(zhì)構(gòu)造明顯影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的分布，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖性差別大的部位，地應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)也比較復(fù)雜。

F斷層剖面應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示，相比較于上述其他位置處的應(yīng)力值較高，表明斷層處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。-480 m中段應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示，其最大主應(yīng)力為7.4～15.3 MPa，最小主應(yīng)力為2.5～6.8 MPa，同一水平應(yīng)力變化值較大;且-480 m中段應(yīng)力場(chǎng)受F、F和F斷層影響，斷層附近應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，表明斷層和巖性對(duì)地應(yīng)力影響較大;同時(shí)-480 m中段主運(yùn)輸巷道穿過(guò)F斷層，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)主運(yùn)輸巷道影響相對(duì)較大。

2.2.2初始地應(yīng)力方向

礦區(qū)地應(yīng)力方向?qū)ο锏赖牟贾门c支護(hù)有重要影響。-480 m中段水平主應(yīng)力矢量圖如圖6所示，無(wú)法細(xì)致的掌握-480 m中段各位置處最大水平主應(yīng)力方向，以及其與-480 m中段主運(yùn)輸巷道走向的夾角。因此，沿-480 m中段主運(yùn)輸巷道選取-480 m中段主井、-480 m中段泄水硐室、-480 m中段主運(yùn)輸巷道與F1斷層交接處、-480 m中段主運(yùn)輸巷道新老巷道交接處、-480 m中段新掘巷道和-480 m中段新風(fēng)井位置共6處地應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示。將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)力分量組成3×3矩陣，利用MATLAB軟件計(jì)算矩陣的特征值和特征向量，特征值即為每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的主應(yīng)力值，特征向量為每個(gè)主應(yīng)力對(duì)應(yīng)的方向向量。

-480 m中段主運(yùn)輸巷道各測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果如表3所示。由表3可知：最大水平主應(yīng)力（σ）為 -6.3～-6.7 MPa，最小水平主應(yīng)力（σ）為-5.3～-5.6 MPa，垂直主應(yīng)力（σ）為-11.0～-14.5 MPa，且各個(gè)測(cè)點(diǎn)均滿(mǎn)足σ<σ，最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值為0.46～0.59，均小于1，說(shuō)明該區(qū)域受自重影響強(qiáng)烈，自重應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)起控制作用，地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，屬于自重應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。通過(guò)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力的方位角，得到的最大水平主應(yīng)力與-480 m中段主運(yùn)輸巷道走向夾角為2.60°～47.75°。

當(dāng)巷道走向與最大水平主應(yīng)力平行時(shí)，受水平應(yīng)力影響最小，對(duì)頂、底板和兩幫的穩(wěn)定最有利。當(dāng)巷道走向與最大水平主應(yīng)力垂直時(shí)，受水平應(yīng)力影響最大，對(duì)頂、底板和兩幫的穩(wěn)定最為不利。與最大水平主應(yīng)力以一定角度斜交的巷道，巷道一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中而另一側(cè)應(yīng)力釋放，因而頂、底板的變形破壞會(huì)偏向巷道的某一側(cè)。因此，巷道布置時(shí)要注意巷道走向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角，盡量使該夾角等于或接近0°，以減小最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。

3結(jié)論與建議

1）前常鐵礦礦區(qū)地應(yīng)力隨埋深增大而逐漸增大，地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型為自重應(yīng)力場(chǎng)，即垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力。

2）礦區(qū)地應(yīng)力在斷層和巖性交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，地應(yīng)力場(chǎng)分布較復(fù)雜。地質(zhì)構(gòu)造明顯影響巖體初始應(yīng)力的分布狀態(tài)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖性差別大的區(qū)域，地應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)也比較復(fù)雜。

3）-480 m中段主運(yùn)輸巷道側(cè)壓力系數(shù)為0.46～0.59，最大水平主應(yīng)力與-480 m中段主運(yùn)輸巷道走向夾角為2.60°～47.75°，對(duì)維持-480 m中段主運(yùn)輸巷道穩(wěn)定性較為不利，建議-480 m中段主運(yùn)輸巷道未貫穿部分及其他巷道的布置遵循巷道走向與最大水平主應(yīng)力方向平行，以減小最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。

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作者簡(jiǎn)介：褚吉祥（1987—），男，吉林敦化人，工程師，從事金屬礦山開(kāi)采技術(shù)和工藝優(yōu)化等工作;安徽省淮北市濉溪縣四鋪鎮(zhèn)三鋪村，安徽太平礦業(yè)有限公司，235115;E-mail：394860570@qq.com

褚吉祥，于慶磊，勒治華，鄭浩田，孫鵬（1.安徽太平礦業(yè)有限公司; 2.東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究所）

Back analysis of initial geostress field of mining areas under complex geological conditionsChu Jixiang，Yu Qinglei，Le Zhihua，Zheng Haotian，Sun Peng

（1.Anhui Taiping Mining Co.，Ltd.;

2.Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University）

Abstract：Initial geostress field is very important reference for engineering design and stability analysis of underground engineering.The geological structures are complex，and the roadway surrounding rocks are damaged seriously in Qianchang Iron Mine mining area.So，it is important to master the distribution rules of the geostress field in the mining area for better understanding of roadway failure and supporting design.3D numerical model taking into account the main fault and strata in the mining area is established by using the threedimensional finite difference numerical calculation software （Flac3D），and simulates the geostress field in the mining area，analyzes the geostress characteristics in the whole mining area，geotectonic locations and the -480 m level.The results show that the geostress in the mining area is dominated by gravity stress and the stratification phenomenon of geostress is obvious and the value gradually increases with depth，the geostress is affected so seriously at the junction of geological structures and lithology that stress concentration phenomena of different degrees occur;the tectonic stress of F1 fault has relatively great influence on -480 m level main haulage way;the lateral pressure coefficient of -480 m level main haulage way is 0.46-0.58，the angle between the maximum horizontal principal stress and the direction of the roadway is 2.60°-47.75°，which is unfavorable to maintain stability.In order to reduce the influence of geostress field on the stability of roadway，it is suggested that the layout of underground roadway should follow the principle that the direction of roadway is parallel to the direction of maximum horizontal principal stress.

Keywords：complex geological structure;geostress field;numerical calculation;back analysis;principal stress direction