复杂地质条件下矿区初始地应力场反演分析

褚吉祥　于庆磊　勒治华　郑浩田　孙鹏

摘要：初始地应力场是地下工程设计和稳定性分析的重要依据。前常铁矿矿区地质构造复杂、巷道围岩破坏严重，掌握矿区地应力场的分布规律对了解巷道破坏、进行支护设计具有重要意义。采用三维有限差分数值计算软件（Flac3D），建立了考虑矿区主要断层、岩层等的三维数值模型，进行矿区地应力场的模拟，分析了矿区整体、地质构造处和-480 m中段地应力场特征。结果表明：矿区地应力以自重应力为主，分层现象明显，应力值随埋深增加而逐渐增大，地质构造和岩性交接带对地应力的影响十分显著，出现不同程度的应力集中现象;F1断层形成的构造应力对-480 m中段主运输巷道影响相对较大;-480 m中段主运输巷道侧压力系数为0.46～0.58，最大水平主应力与巷道走向的夹角为2.60°～47.75°，对维持其稳定性不利。为减小地应力场对巷道稳定性的影响，建议矿区地下巷道的布置遵循巷道走向与最大水平主应力方向平行的原则。

关键词：复杂地质构造;地应力场;数值计算;反演分析;主应力方向

中图分类号：TD325文章编号：1001-1277（2022）01-0054-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20220109

基金项目：国家自然科学基金面上项目（52074060）;国家自然科学基金联合基金项目（U21A20106）

引言

在进行岩体工程设计和稳定性分析时，初始地应力的分布特征是重要的影响因素之一[1]，尤其是在地形、岩体结构、地质构造、地下水和赋存高度等复杂地质环境影响下，岩土工程所处区域的初始地应力场是地下工程变形破坏的重要力源之一[2-3]。利用仪器设备进行原位测试是获取精确地应力场最直接和最有效的方法，但受到现场条件和经费等诸多因素的影响而不能进行大量的实测，而且地应力场成因复杂，影响因素众多，测量结果会有一定程度的离散性，对于地质条件复杂的现场，测点的实测结果可能会误差较大，在某种程度上仅能反映局部应力场[3-4]。因此，为较好满足工程设计和施工需要，一般都是在工程地质条件的基础上，通过相应的数值模拟对初始地应力场反演分析，以获得更为合理、适用范围更广的初始地应力场[5-7]。例如：在水电站地下厂房建设中，考虑复杂的地形地貌条件和地质结构特性，采用数值计算方法反演分析地应力场的分布特征，以及给出地下硐室布置建议[8-11];在地质条件复杂的深埋隧道建设中，进行隧址区地应力场的三维数值反演分析，了解岩性和地质结构复杂的长大深埋隧道初始地应力场分布规律，对深埋隧道设计和岩爆预测、防控具有显著的借鉴意义[12-14];在矿山工程建设中，掌握初始地应力的大小和方向对于判定巷道开挖后巷道围岩稳定性情况有着重要作用。张宜虎等[15]基于三维数值模拟技术，给出巷道围岩由拉张裂纹延伸方向确定初始地应力方向的方法;王兴旭等[16]对小庄煤矿采用三维应力场反演验证其实测结果，得到的应力分布规律为矿井动力现象的预测预防奠定了一定基础。

安徽太平矿业有限公司前常铁矿（下称“前常铁矿”）矿区地层岩性、地质构造复杂。随着矿山开采，现已探明其中深部赋存丰富的矿石资源，具有巨大的经济价值。因此，矿山进行了深部开采设计，深部延伸工程采用盲竖井，即浅部明竖井和深部盲竖井联合开拓方式，在-480 m中段布置主运输巷道连接明竖井和盲竖井。基建期间，在-480 m中段主运输巷道施工过程中，支护后巷道两帮、底部发生较大膨出变形和不同程度的冒顶。-480 m中段主运输巷道埋深约500 m，并未达到深部开采水平，但矿区断层较多，可能受断层影响地应力场发生了变化。基于此，本文考虑矿区复杂地层岩性、地质构造、岩体自重等多重因素，采用三维有限差分数值计算软件（Flac3D），建立矿区数值模型，分析矿区初始地应力分布规律，研究结果对-480 m中段主运输巷道和矿区井下其他工程布置具有重要的指导意义。

1 工程地质概况

1.1地层岩性

前常铁矿矿区内钻孔揭露地层主要为上寒武统，次为中寒武统，少量下奥陶统，地表全部为第四系覆盖，无岩石出露。上寒武统崮山组、上寒武统长山组和上寒武统凤山组，均分布在背斜两翼，与下覆地层为整合接触;3组地层的厚度分别为60 m、60 m和130 m，且上寒武统凤山组为最主要的控矿层位;3组地层的岩性主要为鲕状白云质（白云石）大理岩、条带状白云质（白云石）大理岩，以及蚀变后局部的尖晶石、镁杆石大理岩。中寒武统徐庄组和中寒武统张夏组分别分布在F1断层下盘和背斜的西翼，地层厚度分别为63 m和73 m，主要为大理岩类，中寒武统徐庄组的下部为薄层状灰绿色、暗紫色粉砂质页岩、钙质细砂岩、大理岩化鲕状灰岩互层。下奥陶统萧县组多呈捕虏体产出，主要为大理岩类。第四系覆盖层主要为黏土、砂土、细砂、砂砾石，其中黏土层最厚10.27 m，砂层最厚38 m。矿区内工程地质岩组可分为岩浆岩类地质岩组、矽卡岩类地质岩组、大理岩类地质岩组和新生界松散岩类地质岩组，岩体完整性差。

1.2地质构造

矿区三维地质图如图1所示。矿区内有2个向斜，即李庄向斜和前常向斜，它们同属于皇藏峪复背斜南部傾没端东翼的次一级向斜构造。李庄向斜为一似盆状稍向东倾伏的向斜，长900 m，宽550 m，面积约0.5 km2，轴向呈北东—南西，倾角一般在10°～20°，仅边缘局部较陡，约30°～40°。前常向斜位于李庄向斜的东南侧，长400 m，宽250 m，面积约0.1 km2，轴向呈北西—南东，倾角平缓，10°左右。由于岩浆岩侵入，吞蚀破坏，使组成向斜的岩层支离破碎，残缺不全，也造成向斜不完整。

矿区内断层活动主要表现为成矿前的挤压破碎作用及成矿后的断层，主要有9条断层。其中，F、F和F均为正断层，裂隙微发育、胶结较好，岩石较为完整;F、F和F均为逆断层，F和F断层宽1～8 m，胶结差，多被方解石充填或半充填，断层上下岩溶发育，多为溶孔、溶蚀裂隙，断面有铁染，F断层没有明显的破碎带，裂隙微发育，岩石完整;F和F断层宽75～250 m，岩石呈松、软、碎特征;F9断层破碎带被方解石脉充填胶结，上部胶结较密实，下部岩心呈松散状。对采矿作业有影响的主要是工程地质条件相对较差的F、F、F和F断层（如图1所示）。因此，本文在分析前常铁矿矿区初始地应力场反演时仅考虑上述4条断层的影响，各个断层主要产状如表1所示。

2 初始地应力场反演分析

2.1数值模型与岩体力学参数

1）模型建立：根据矿体向下延伸可达-900 m和地表水平29 m，设定的铅直方向高度为-1 100～29 m。考虑正断层F和F、逆断层F和F的影响，将建立好的断层曲面模型导入Rhino内，首先建立三维实体模型;然后运用“布尔运算分割”命令，用断层曲面分割三维空间实体，生成如图2所示的矿区主要地层三维计算模型（已隐藏第四系）。模型长×宽=1 743 m×1 400 m，地表高程为29 m，底面高程为-1 100 m;y轴正方向为正北方向。

2）计算方法与网格划分：采用三维有限差分计算方法和各向同性材料的Mohr-Coulomb模型进行地应力场模拟计算;整个模型采用四面体单元，共618 487个单元，110 051个节点。

3）边界条件：模型边界条件设置为上表面自由，其他各面约束，仅考虑重力作用，重力加速度为-9.8 m/s2，模型岩体力学参数如表2所示。

2.2地应力场反演结果

2.2.1初始地应力大小

本文给出了矿区三维整体应力场、沿F1断层剖面应力场、-480 m中段应力场分析结果。矿区三维整体应力场如图3所示，整个矿区最大主应力表现为压应力，大小为0.07～52.13 MPa，地应力分层现象明显，应力值随埋深增加而逐渐增大，且断层和岩性交接对地应力的影响十分显著，在断层的两端和不同岩性接触面附近主应力出现了不同程度的应力集中，即地质构造明显影响岩体初始应力状态的分布，地质构造复杂、岩性差别大的部位，地应力场分布状态也比较复杂。

F断层剖面应力分布结果如图4所示，相比较于上述其他位置处的应力值较高，表明断层处有应力集中现象。-480 m中段应力场分布如图5所示，其最大主应力为7.4～15.3 MPa，最小主应力为2.5～6.8 MPa，同一水平应力变化值较大;且-480 m中段应力场受F、F和F断层影响，断层附近应力集中现象明显，表明断层和岩性对地应力影响较大;同时-480 m中段主运输巷道穿过F断层，构造应力对主运输巷道影响相对较大。

2.2.2初始地应力方向

矿区地应力方向对巷道的布置与支护有重要影响。-480 m中段水平主应力矢量图如图6所示，无法细致的掌握-480 m中段各位置处最大水平主应力方向，以及其与-480 m中段主运输巷道走向的夹角。因此，沿-480 m中段主运输巷道选取-480 m中段主井、-480 m中段泄水硐室、-480 m中段主运输巷道与F1断层交接处、-480 m中段主运输巷道新老巷道交接处、-480 m中段新掘巷道和-480 m中段新风井位置共6处地应力数据进行处理，各测点位置如图6所示。将每个测点的6个应力分量组成3×3矩阵，利用MATLAB软件计算矩阵的特征值和特征向量，特征值即为每个测点处的主应力值，特征向量为每个主应力对应的方向向量。

-480 m中段主运输巷道各测点地应力场反演结果如表3所示。由表3可知：最大水平主应力（σ）为 -6.3～-6.7 MPa，最小水平主应力（σ）为-5.3～-5.6 MPa，垂直主应力（σ）为-11.0～-14.5 MPa，且各个测点均满足σ<σ，最大水平主应力与垂直主应力的比值为0.46～0.59，均小于1，说明该区域受自重影响强烈，自重应力场对地应力场起控制作用，地应力以自重应力为主，属于自重应力场类型。通过计算各测点最大水平主应力的方位角，得到的最大水平主应力与-480 m中段主运输巷道走向夹角为2.60°～47.75°。

当巷道走向与最大水平主应力平行时，受水平应力影响最小，对顶、底板和两帮的稳定最有利。当巷道走向与最大水平主应力垂直时，受水平应力影响最大，对顶、底板和两帮的稳定最为不利。与最大水平主应力以一定角度斜交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧应力释放，因而顶、底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。因此，巷道布置时要注意巷道走向与最大水平主应力方向的夹角，尽量使该夹角等于或接近0°，以减小最大水平主应力对巷道稳定性的影响。

3结论与建議

1）前常铁矿矿区地应力随埋深增大而逐渐增大，地应力场类型为自重应力场，即垂直应力大于水平应力。

2）矿区地应力在断层和岩性交接处出现应力集中，地应力场分布较复杂。地质构造明显影响岩体初始应力的分布状态，地质构造复杂、岩性差别大的区域，地应力场分布状态也比较复杂。

3）-480 m中段主运输巷道侧压力系数为0.46～0.59，最大水平主应力与-480 m中段主运输巷道走向夹角为2.60°～47.75°，对维持-480 m中段主运输巷道稳定性较为不利，建议-480 m中段主运输巷道未贯穿部分及其他巷道的布置遵循巷道走向与最大水平主应力方向平行，以减小最大水平主应力对巷道稳定性的影响。

[参 考 文 献]

[1]刘允芳.岩体地应力与工程建设[M].武汉：湖北科学技术出版社，2000：244-246.

[2]杨林德.岩土工程问题的反演理论与工程实践[M].北京：科学出版社，1996：25-30.

[3]柴贺军，刘浩吾，王明华.大型电站坝区应力场三维弹塑性有限元模拟与拟合[J].岩石力学与工程学报，2002，21（9）：1 314-1 318.

[4]郭明伟，李春光，王水林，等.优化位移边界反演三维初始地应力场的研究[J].岩土力学，2008，29（5）：1 269-1 274.

[5]景鋒，尹健民，陈昊，等.考虑复杂地质成因的工程区地应力场反演[J].长江科学院院报，2009，26（9）：51-54.

[6]何江达，谢红强，王启智，等.官地水电站坝址区初始地应力场反演分析[J].岩土工程学报，2009，31（2）：166-171.

[7]姚显春，李宁，曲星，等.拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析[J].岩土力学，2010，31（1）：246-252.

[8]江权，冯夏庭，陈建林，等.锦屏二级水电站厂址区域三维地应力场非线性反演[J].岩土力学，2008，29（11）：3 003-3 010.

[9]张勇慧，魏倩，盛谦，等.大岗山水电站地下厂房区三维地应力场反演分析[J].岩土力学，2011，32（5）：1 523-1 530.

[10]黄书岭，丁秀丽，廖成刚，等.深切河谷区水电站厂址初始应力场规律研究及对地下厂房布置的思考[J].岩石力学与工程学报，2014，33（11）：2 210-2 224.

[11]裴书锋，赵金帅，于怀昌，等.考虑洞室岩体应力型破坏特征的局部地应力反演方法及应用[J].岩土力学，2020，41（12）：1-13.

[12]杨亚伦，徐正宣，宋章，等.基于COMSOL的隧道地应力场反演[J].四川建筑，2020，40（4）：85-86.

[13]乔志斌.基于地应力场特征的川藏深埋隧道岩爆等级预测研究[J].铁道标准设计，2021，65（2）：89-94，103.

[14]周航，陈仕阔，张广泽，等.基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测研究[J].工程地质学报，2020，28（6）：1 386-1 396.

[15]张宜虎，卢轶然，周火明，等.围岩破坏特征与地应力方向关系研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（增刊2）：3 526-3 535.

[16]王兴旭，孟坤，陈梦.小庄煤矿地应力场分布规律实测与模拟研究[J].陕西煤炭，2020，39（1）：27-31，17.

作者简介：褚吉祥（1987—），男，吉林敦化人，工程师，从事金属矿山开采技术和工艺优化等工作;安徽省淮北市濉溪县四铺镇三铺村，安徽太平矿业有限公司，235115;E-mail：394860570@qq.com

褚吉祥，于庆磊，勒治华，郑浩田，孙鹏（1.安徽太平矿业有限公司; 2.东北大学岩石破裂与失稳研究所）

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