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摘要：
地應力是引發采礦工程災害的根本因素，尤其是礦井進入深部開采以后，地應力的作用更加凸顯。概述了地應力測量方法、分布規律及礦山井下地應力場類型，系統分析了地應力在采礦工程優化設計、巖爆預測、煤與瓦斯突出預測、誘導致裂非爆連續開采及斷層滑動失穩評價5個方面的應用，為礦井安全高效生產提供指導。
關鍵詞：
地應力；測量方法；分布規律；地應力場類型；采礦工程應用
地應力是客觀存在于地層中的天然應力，它是引起采礦等地下工程變形與破壞的根本驅動力[1]，對地下工程的安全穩定起著決定性作用。對于采礦工程而言，地應力狀態是礦井設計的基本參數，直接影響工程巖體的力學行為。合理的巷道布置、開采方法的選擇、巷道斷面形狀及尺寸的確定以及支護形式的選擇等都需要了解具體礦區所處的地應力狀態，這對優化采礦方法、提高資源回收率及預防災害發生等具有重要意義。經過多年開采，淺部資源逐漸枯竭，我國采礦工程正在不斷向深部延伸。煤礦方面，我國煤炭開采深度以每年10~25m的速度延伸，目前有50對礦井深度超過1000m，華東地區的一些煤礦采深已經達到1400m，山東新汶礦區孫村煤礦采深超過了1500m[2]。金屬礦方面，我國金屬礦山的開采深度也在不斷深入，其中云南會澤鉛鋅礦開采深度超過1300m，紅透山銅礦開采深度也達到了1300m，吉林夾皮溝金礦采深已達到1600m[3]?？梢?，我國煤礦及金屬礦深部開采已進入常態化階段。采礦工程中各類地質災害多發，尤其是進入深部開采，往往會出現高地應力、高地溫和高巖溶水壓的情況，更容易引發沖擊地壓（巖爆）、煤與瓦斯突出、圍巖大變形等工程地質災害。這些災害的發生只是表象，其本質控制因素還是地應力，應力水平的增加和應力狀態的改變是災害發生的根本原因。因此，地應力條件已成為礦山開采需要考慮的基本要素之一，在采礦工程中的應用范圍也越來越廣泛。
1地應力測量方法
獲取地應力狀態最直接的方式就是進行原位地應力測量。1932年，R.S.Lieurace在胡佛水壩下面的一個隧道中首次成功地進行了原巖應力的測量，開創了現場地應力測量的先河。地應力測量技術也隨之發展，如今國內外已發展和應用了多種地應力測量方法，如聲發射法、鉆孔崩落法、扁千斤頂法、差應變曲線分析法、水壓致裂法、應力解除法、地球物理探測法等。其中水壓致裂法與應力解除法是比較成熟的地應力測量手段，測量精度較高，是目前普遍采用的方法。水壓致裂法通常有平面和三維應力測量2種，目前使用較多的還是平面測量，廣泛應用于深部測量。如蔡美峰等[4]利用單回路水壓致裂法地應力測量系統在萬福煤礦進行了深部地應力測量，最大測量深度達到了1105m。應力解除法可測定二維和三維地應力的大小和方向，在各種重大工程中的淺孔應力測量中應用較多。如李長洪等[5]采用改進型的空心包體應力解除法，測量了大同礦區的三維地應力。地應力測量理論與方法雖取得了長足發展，但也存在一些問題，這些問題主要體現在技術層面上，如測量精度、操作難易程度、適用條件等。另外，巖體這種材質及節理裂隙造成的測量困難，還有溫度、地下水等對測量精度的影響，無論哪一種測量方法，相對于地應力真實值來說，測試的精度都存在一定問題，因此地應力測量技術仍需要進一步改進與完善。
2地應力分布規律
前人大量而系統的研究表明，重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形成及其特點影響最大，這一觀點已得到地學界和工程學界的廣泛認同。一般由自重應力引起的自重應力場相對簡單，而構造應力場的成因則十分復雜。地應力場是一個相對穩定的非穩定應力場，雖然地應力場是復雜多變的，在各個區域也不盡相同，但其隨深度的分布仍表現出一定的規律性。根據世界各地地應力測量結果可知，最大水平主應力和最小水平主應力隨深度近似呈線性增加；地應力場中最大主應力的作用方向，一般為水平或接近水平方向；地表淺部水平應力普遍大于垂直應力；最大水平主應力與最小水平主應力之值一般相差較大，具有很強的方向性。另外，世界30多個國家的地應力分布特征表明[3]，當深度小于1500m時，最大水平主應力與垂直主應力之比KH大多大于2，構造應力占主導地位。當深度介于1500~3500m之間時，KH基本上為1.2~2.0，最小水平主應力與垂直主應力之比Kh基本上為0.5~1.0。當深度大于3500m時，KH和Kh都向1趨近。由此可見，淺部的地應力狀態以構造應力為主，隨深度的增加，深部的地應力狀態逐漸變為靜水壓力狀態，深部與淺部巖體應力狀態出現了顯著區別。
3礦山井下地應力場類型
井下巖體在未受采掘擾動前處于原巖應力狀態，在采礦過程中，巷道、硐室等井巷工程的開挖將引起巖層移動與應力重新分布，形成采動應力場。而且在礦井服務期間，井下開挖擾動是一直進行的，因而采動應力場是不斷變化的。井下一些巷道及硐室等不可避免地要對其進行支護，各種形式的支護與圍巖相互作用，改變圍巖應力狀態，會在圍巖中形成支護應力場，雖然這種應力場影響的范圍相對較小，但也不容忽視?？梢?，礦井不只承受原巖應力場作用，還受到采動應力場與支護應力場的綜合作用，3種應力場之間也會相互作用，形成了礦山井下的綜合應力場，圍巖要承受該綜合應力場的疊加影響。綜合應力場的疊加效應在淺部相對較弱，而在深部比較顯著，這對深部礦產資源的開發帶來嚴峻挑戰。
4地應力在采礦工程的應用
4.1地應力在地下采礦工程設計優化中的應用
在采礦工程中，對巷道、采場等進行優化設計對保證礦山基本建設和隨后采礦作業的安全與高效是極為關鍵的。掌握礦區的地應力分布特征，可用于指導礦井開拓、采區設計、巷道支護及開采設計等與地應力有關的工程實踐。根據彈性力學理論，在進行巷道布置時，巷道的走向最好與最大主應力方向一致，這樣有利于對巷道和采場的穩定，還可以降低支護成本。如果礦山工程地質條件和采礦生產作業要求不允許，也應盡可能使工程量大、服務時間長的巷道軸線方向與最大水平主應力方向呈較小角度。隨著礦井開采深度不斷增加，開采規模也在擴大，礦體賦存狀況和工程地質條件等越來越復雜，深部高應力環境下的開采條件將變得更加困難。為了保證安全開采，必須進行采礦工程優化設計。在進行巷道支護設計、開采結構與開挖步驟的設計優化時，都需要了解具體的地應力狀態，科學、合理的設計優化應建立在地應力及其他有關實測參數的基礎上。將地應力狀態作為計算的力學邊界條件，通過定量的計算分析，可以了解地應力大小與方向對巷道圍巖位移、應力分布、破壞范圍及支護體受力的影響，并與其它方案進行綜合比較，確定出最終比較合理的采礦設計優化方案。從而在保證巷道安全與支護效果的前提下，提高資源采出率，降低巷道支護成本，提高礦山企業經濟效益。
4.2地應力在巖爆預測中的應用
高地應力誘發的巖爆（沖擊地壓）已成為目前深部采礦工程經常遇到的主要工程地質災害之一，巖爆的有效預測一直是巖石力學界亟待解決的一大難題。巖爆的發生是一種復雜的非線性動力學現象，其控制和影響因素較多，成因機制復雜。大量研究表明，巖石的力學性質和圍巖的應力狀態對巖爆的發生起主要控制作用。蔡美峰等[6]認為巖爆發生的充分必要條件是，巖石本身必須具有儲存高應變能的能力和高沖擊傾向性且采場必須具備形成高應力或造成能量積累的環境。井下巷道開挖后，應力得到釋放并重新分布，導致圍巖變形破壞，巖石變形破壞后釋放出來的能量都是前期受應力儲存的彈性應變能，這些能量是巖爆發生的源動力。地應力在巖爆預測中扮演著重要角色。有研究認為，巖爆是應力達到巖石一定強度時產生的破壞。巖爆一般是堅硬、完整的巖體在高應力狀態下應力突然釋放所發生的動力失穩現象，因此根據地應力評估來預測巖爆是可能的。例如，可以根據工程區域實際地應力狀態，采用數值模擬方法計算出圍巖中的應力應變分布，從而可以采用式（1）求出每一個計算單元中的能量，然后根據式（2）累加求得儲存于圍巖中的能量。根據能量大小，可利用式（3）[6]計算出巖爆所對應的震級。式（3）在地震學領域應用較為普遍，常用于計算地震級別，將其應用于巖爆的預測，也取得了良好效果。經工程實踐表明，利用地應力來預測巖爆是可行的，巖爆的有效預測可用于決策采礦設計和礦井安全生產等。
4.3地應力在煤與瓦斯突出預測中的應用
煤與瓦斯突出是煤體—圍巖系統在開采擾動下發生的一種礦井動力災害，對礦井安全生產構成了嚴重威脅。煤與瓦斯突出機理復雜，人們根據現場統計資料和實驗研究提出了各種假說，如瓦斯作用說、地應力作用說、化學本質說和綜合作用假說等。目前普遍認為煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯、煤體結構等因素共同作用的結果，其中地應力是突出的主要動力來源。地應力對瓦斯壓力、瓦斯含量具有顯著的影響，也是影響煤體滲透率的主要因素。式(4)是滲透率與應力的關系[7]，由式(4)可知，應力與滲透率為負相關關系，對于含瓦斯煤這一多孔介質，滲透率的降低引起孔隙壓力的升高。因此在高應力環境下，瓦斯壓力將隨地應力的增加而增大，增加突出危險。以地應力為基礎的區域煤與瓦斯突出危險區預測方法，是根據地應力量值和煤巖體參數及瓦斯壓力信息，利用數值模擬軟件進行地應力場反演計算[8]。將計算得到的各單元的主應力值和試驗得到的材料參數代入建立的穩定性系數判斷準則，得到各點的穩定性系數R值，畫出等值線，以此劃分出煤層中的突出最危險區、危險區、威脅區和安全區。這種依據R值進行區域煤與瓦斯突出預測的判斷標準為[8]：基于地應力的區域煤與瓦斯突出危險區預測方法可對未采區域的潛在危險區進行預測，并根據預測的突出危險程度的不同，有針對性地采取防治措施，降低煤與瓦斯突出災害發生的幾率。
4.4地應力在硬巖礦山誘導致裂非爆連續開采中的應用
地應力隨著礦山開采深度增加而增大，深部巖體往往處于高地應力環境。深部高應力條件下的硬巖具有儲能特性，巖體中儲存有大量彈性能，巖體開挖卸荷引起能量的變化、轉移和重新分布。高應力并非只有它易誘發巖爆等災害的不利方面，它也有可利用的方面，如高應力可以加快巖體中裂紋的擴展和貫通以及在此條件下硬巖出現的“好鑿好爆”現象，這給采場礦巖破碎帶來了便利，高地應力環境反而成為非爆連續開采的一個有利因素[9]。巖體卸載開挖會引起地應力的調整，致使地應力重新分布，并在圍巖周圍一定范圍形成應力集中。尤其是高地應力條件下，應力集中程度會加劇，對應的巷道松動圈范圍將會增大，松動圈內巖體節理裂隙發育，有利于破巖。利用高地應力條件進行非爆連續開采時，可先利用鉆爆法在待回采礦房開挖一條巷道（誘導巷道），目的是引起高地應力集中作用于巷道圍巖，誘導巖體裂紋擴展，形成松動圈，再采用掘進機連續回采礦石，從而實現多個自由面掘進機連續開采，提高作業效率，將有助于變革以爆破為主的傳統采礦工藝。
4.5地應力在斷層滑動失穩評價中的應用
活動斷裂帶附近的地應力場受到局部構造和應力變化的影響，表現出了不穩定性，斷層是否發生滑動失穩主要受控于其所處的應力狀態。在礦井實際生產中，往往會遇到不同類型的斷層，不僅影響工作面的推進速度，斷層受到擾動應力的影響，還會有活化致災的危險，威脅礦井生產安全。Anderson根據斷層類型，將地應力劃分為正斷層應力類型、逆斷層應力類型和走滑斷層應力類型3種。當最大水平主應力（σH）、最小水平主應力（σh）和垂直主應力（σv）的關系分別為σH>σh>σv、σH>σv>σh和σv>σH>σh時，地應力結構分別有利于逆斷層、走滑斷層和正斷層的活動?；诘貞ε袛鄶鄬邮欠駮瑒邮Х€時，為了可以采用實際的應力進行計算，在引入主應力和有效應力概念后，通常將庫侖摩擦滑動準則[式(5)]改寫成最大與最小主應力比與摩察系數μ的關系式[式(6)]，將式(6)與Anderson斷層理論結合，可以得到逆斷層、走滑斷層和正斷層的應力特征，見式(7)。選取合適的值（μ一般取0.6~1.0），即可用式(7)來分析斷層是否會滑動失穩。式(7)中方程左邊小于右邊，則斷層穩定，若左邊大于或等于右邊，斷層將沿最優斷面滑動失穩[10]。利用地應力評價斷層是否滑動失穩，進而可以根據斷裂發生滑動失穩的條件估算更深處（幾十千米深度）的應力范圍，依靠估算結果推測更深處斷層的穩定性，為分析地震的發生條件提供參考依據。
5結語
地應力一直是礦山巖石力學中研究的重點方向之一，隨著礦井開采深度的增加，地應力的作用更加凸顯。對地應力的研究，不僅有助于認識礦山井下的地應力場類型，而且可以借助于地應力進行采礦工程的優化設計與深井采礦工藝的變革，還可以對采礦工程井下地質災害進行有效防控，有利于實現礦井的安全高效生產。
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作者:孫義 單位:畢節職業技術學院工礦建筑系