井田的构造应力及影响

朱广轶，徐征慧，刘晓群，郭 影，朱慧颖

（沈阳大学a.建筑工程学院；b.辽宁省环境岩土工程重点实验室；c.旅游与地理科学学院，辽宁 沈阳 110044）

井田构造应力及影响是岩土工程的重要课题.地质动力区划方法由俄罗斯学者И·М·巴图金娜等首创［1］，是近年发展起来的集地貌学、板块学说、地质动力学、地球物理学、土木工程学等成果，分析区域内各种地质动力过程的方法.本研究以大隆井田为对象，通过地貌、构造物理、河流水系的综合分析，并同地球物理、地质、构造、地震、航片、卫星照片等资料作对比，分析了区域的各级活动性断裂及断块间的相互作用，获得井田的Ⅰ～Ⅴ级断裂和井田地质构造格架图，并通过平面应变的有限元计算，确定应力场的大小、方向.实践证明，用地质动力区划方法来探讨井田构造应力，其研究周期短、成本低、指导性强.

1 井田地质断块划分

划分地质断块依据两个原则：①地表的高地是侵蚀作用影响最小的地方，在区划时这个标高点常常被采用；②划分断块的边界可根据许许多多地形地貌标志进行判断.

划分各级断裂选用的各种比例地形图分别为：Ⅰ级断裂，1∶250万或1∶200万；Ⅱ级断裂，1∶100万或1∶50万；Ⅲ级断裂，1∶20万或1∶10万；Ⅳ级断裂，1∶5万；Ⅴ级断裂，1∶1万.构造断块划分的两种方法为绘图法和趋势面法.

1.1 绘图法

绘图法：不同年代、不同深度的断块垂直运动强度不同；断块水平位移将在垂直位移上有所反映.

若将两个相邻地段划分为不同断块，应该分析其高差：年轻山系，高度差200m；被侵蚀山系、中等高度山，高差100m；被侵蚀中等高度山、背斜隆起区或年轻凹陷区高差50m；被侵蚀过程覆盖的构造形式凹陷区，高差20～25m.

各区域，最小高度差计算公式：

式中，Hmax为峰顶表面最大绝对高度，m；Hmin为峰顶表面最小绝对高度，m.

1.2 趋势面法

各种数学地质方法中，趋势面分析是应用最早、颇为广泛、成效突出的方法.趋势面分析是把空间分布的某曲面分解为：由变化较为缓慢，其影响范围是整个研究区域有规律的区域分量——趋势分量；变化较快，影响在区内不是全区可见的随机分量——局部分量.这可在计算机上实现.

模拟地形高程的 DTM［2］模型［3］：

式中，x，y，H为大地坐标；a0，a1，…，am为DTM数字模型常数.

按数学面和顶点面间距离平方和为最小值，按最小二乘法原则确定DTM数字模型常数：

N 为观测点个数；n为多项式次数.

按从整体到局部的原则逐级划分各级断块，每次都把矿区所在断块作为基本断块.获得大隆井田的基本断块如图1.

图1 大隆井田地质构造格架和有限元剖分单元Fig.1 The geological tectonic framework and finite element subdivision units in Dalong mine field

2 构造应力场数值模拟

构造应力［4］是地层中由于过去地质构造运动产生的和现在正在活动与变化的应力.有限单元法已广泛应用在固体力学和结构分析领域内.本次分析是以弹性力学理论为基础，在弹性力学平面问题中基本物理量是应力σij应变εij和位移uij.其基本方程的张量形式为：

模型计算时对岩体释放弹性变形能处理原则是不考虑自重应力引起的弹性变形能（视为完全不能释放），考虑构造应力引起的弹性变形能.在计算区域内（7.0km×7.0km），略去采动影响.

大隆矿未来生产水平-600m.用地质动力区划查明的Ⅰ～Ⅴ级断块图，构成了该矿区现代构造运动的格架，如图1.它反映了现今构造运动所引起的并正在起作用的岩体应力状态.

模型将大隆矿井田视为由14条活动断裂组成的构造骨架，在-600m水平分别按照平面应变问题的理想弹性体处理.

将计算区域划分为三角单元.岩体断块被断层切割成不规则形状，三角形单元对含有断裂的复杂区域具有较强的适应性.

对断裂带的处理上，采用弱化断裂内介质方法处理了断裂带.模型剖分采用三角单元，如图1所示.

为避免计算的边缘（边界）效应［5］，选定较大的研究区域进行分析.在井田内进行了9个钻孔的水压致裂法地应力测量实验.-600m水平最大主应力25MPa，方向86°；最小主应力6.93 MPa.以这些参数作为有限元计算模型的边界条件进行计算.区域内Ⅲ～Ⅴ断裂带和断块力学参数为实地岩样的实验室实测后，转化为岩体力学参数，见表1.

表1 各种岩体力学参数Table 1 Parameters of rock mechanics

采用的弹性有限元法计算软件是具有稳固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具.对-600m水平应力场计算结果，运用朱广轶ZMS7.8软件［6］绘图，获得相应最大主应力和最小主应力等值线图，如图2、图3.上述软件在岩体力学分析中得到广泛应用，计算结果与钻孔地应力测量实验相吻合，高应力区、应力陡变区发生工程事故概率大与理论实际均符合，说明软件适应性较好.

图2 -600m水平最大主应力等值线图Fig.2 The maximum principal stress contour of-600mlevel

图3 -600m水平最小主应力等值线图Fig.3 The minimum principal stress contour of-600mlevel

3 构造应力场影响

地下巷道稳定性主要取决于原始地应力状态、岩石力学参数、开挖体的几何断面特征及支护参数的设计.其中，原始地应力是引起采矿和各种地下工程围岩支护变形和破坏的根本作用力.准确地应力资料是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析和计算、合理确定矿山主体布置、正确设计采矿方法、确定巷道和采场几何形状和尺寸、确定开采顺序和开挖步骤、有效控制地压活动的必要前提条件.

原始地应力数据中，自然应力比值系数不同，井巷围岩会显现出各异的规律和支护效果.例如，对直墙拱形巷道，当岩体初始应力以垂直应力为主，而水平应力很小时，岩体按线弹性介质考虑，巷道开挖后，将在拱顶和洞底产生拉应力，边墙部位则受拉应力作用.由于岩体抗压强度很低，一般情况下，可能在拱顶发生破坏，而边墙则处于稳定状态.当自然应力比值系数增大到0.25以上时，除洞底存在拉应力区外，其他部位则都受压应力作用，并且压应力随着自然应力比值参数的增大而增大.当原始应力场中水平应力大于垂直应力，并达到一定的程度时，即会在边墙产生拉应力区.此时，即使强度很高的岩体，也会在边墙发生破坏现象使围岩失稳.

大隆矿下水平（-600m）的最大主应力、最小主应力对矿井设计、开采、支护及开拓延伸具有指导意义.从应力分布规律看，-600m水平最大主应力为16～30MPa，应力变化较大.根据大隆矿原岩应力分布状况，开拓巷道及采准巷道方向应尽量沿最大主应力方向布置.在选择巷道形状时，选用的巷道断面的宽高比应接近自然应力方向布置.从降低支护成本及提高施工速度考虑，应全面推广锚喷支护.

4 结 语

（1）现构造应力场分析手段尚不完善，国内规范在土木工程规划设计时，对构造应力影响分析存在不足.然而，用地质动力区划方法研究岩体断块结构，采用有限元法进行分析可获得井田现今构造应力场分布形态.

（2）引进创新地质动力区划这一新方法，首次获得整个大隆井田未来开采水平的地应力等值线图.由此，对井田巷道规划设计提出了创新性的优化措施：开拓巷道及采矿准备巷道方向应尽量沿最大主应力方向布置；在选择巷道形状时，选用的巷道断面的宽高比应接近自然应力方向布置；巷道位置应避开应力集中区，从降低支护成本及提高施工速度考虑，应全面推广锚喷支护与锚索联合支护.此成果已得到煤矿的肯定和应用.

［1］ БаТУГИНа ИМ，Петухοв ИМ . Геοдинамическ ое райοнирование Mесторождений при проектировании и эксдуатаниирудников［M］.Москва：Недра，1988.

［2］ 蒋辉，潘庆林，刘三枝.数字化测图技术及应用［M］.北京：国防工业出版社，2006：16.（Jiang Hui，Pan Qinglin，Liu Sanzhi.Digital Mapping Technology and Application［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006.1：16.）

［3］ 李起彤.活断层及其工程评价［M］.北京：地震出版社，1991.（Li Qitong.Active fault and its Engineering Evaluation［M］.Beijing：Earthquake Publishing House，1991.）

［4］ 蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2009：131-137.（Cai Meifeng.Rock Mechanics and Engineering ［M］.Beijing：Science Press，2009：131-137.）

［5］ 杨桂通.弹塑性力学［M］.北京：人民教育出版社，1981：108-109.（Yang Guitong.Elastic-plastic Mechanical［M］.Beijing：People’s Education Press，1981：108-109.）

［6］ 朱广轶，王立国，李伟，等.工程测量数字化绘图软件设计［J］.沈阳大学学报，2011，23（2）：1-3.（Zhu Guangyi， Wang Liguo，Li Wei，et al.Digital Mapping Software Design for Engineering Survey［J］.Journal of Shenyang University，2011，23（2）：1-3.）