原巖應力場

礦山開挖以後，巖體初始應力場受到擾動而發生變化，導致應力重新分佈和局部應力集中。由此產生巷道變形、採場頂板下沉、礦柱受壓，甚至引起片幫、冒頂、礦柱倒塌等地壓活動，給礦山安全生產帶來嚴重威脅。因此，通過測量研究巖體的原始應力狀態，掌握它隨採礦工程進展而變化的規律，對於礦山工程的設計、施工、生產等都是十分重要的 ^[1]  。

國內外巖體原巖應力測量方法從50年代發展，已有數十種之多，其分類方法也多種多樣。但就普通採用的方法來看，按其測量原理可分為套芯應力解除法、水壓致裂法和聲發射法三大類型。在地下礦山岩體原巖應力測量中，主要採用的是套芯應力解除法。測量儀器多種多樣，如孔底“門塞”式應變計、孔壁三軸應變計、鑽孔變形計、壓磁應力計、空心包體三軸應力計等都得到廣泛應用。

套芯應力解除法具有測量靈敏度高、測量結果可靠、在深孔中進行測量時可以確定測點的三維應力狀態等特點 ^[2]  。

實測數據表明，測點三個主應力均為壓應力。只有在開挖以後，改變了開挖空間周圍巖體原有的三軸壓縮應力狀態，應力重新分佈併產生應力集中，導致巖體變形，在開挖空區的臨空面的一定範圍內出現張應力，這就是造成巖體破壞、引起各種地壓活動的重要原因之一。

資料所列的最大測量深度為1000m。在該深度範圍內，巖體仍處於不等壓狀態。最大主應力與其它二個主應力平均值之比大部分在1. 5-3. 0之間，僅個別測點超過3. 0 。

在研究地下礦山岩體原巖應力時，通常把它簡化成水平向構造應力場與鉛垂向重力應力場的疊加，而忽略其它因素的影響。據19個測點所得最大主應力方向統計資料來看，其傾角近水平。實測水平向最大主應力的方位與全國構造應力的方位基本是一致的。

絕大部分測點垂直應力分量均大於理論計算的巖體自重應力，垂直應力分量不單純是巖體自重應力，幷包含有水平構造應力在垂直方向的分量疊加的因素。從實測資料可知，凡屬垂直應力分量與自重應力比值大的測點如盤古山、畫眉坳、金川等礦山，均存在較大的水平構造應力。通過測量結果認為巖體中既存在着水平構造應力場，而且最大主應力為水平應力，於是得出垂直應力分量等於或小於巖體自重應力的規律。這在某些特殊條件下，受構造等地質條件的影響是有可能產生的，但作為普遍規律卻值得商榷 ^[1]  。

巖體原巖應力狀態是礦山工程設計必須予以考慮的原始資料之一。只有這樣，才能使工程設計建立在科學的、合理的基礎之上，達到既經濟又安全的目的。這一點已被人們普遍接受。在生產礦山通過實測，可獲得測點的原巖應力狀態，為礦山工程的擴建和改造、採礦方法的選擇、安全生產及地壓預報等提供了重要依據。

下面列舉幾個實例，以闡述原巖應力場與工程實踐的關係。

金川二礦區巖體應力測量結果得出，最大主應力軸接受水平，量級高達51MPa，而且水平應力與垂直應力比值較大。根據這一測量結果，可以較好地解釋該礦巷道邊牆鼓出、底板隆起、斷面縮小、甚至由於巷道邊牆受壓不對稱而出現歪桃狀變形等地壓現象，為巷道返修、設計和維護提供了依據。根據所測原巖應力狀態和分佈規律，提出在現場條件許可的情況下，巷道走向應儘量平行於最大主應力方向的觀點，以減少巷道變形。

原設計直牆拱形斷面，掘進困難，片冒嚴重。根據側壓大的情況改為近似橢圓形斷面，並相應採取噴錨支護等措施，較好地解決了該巷道的掘進和支護問題。

某礦用套芯應力解除法測得該礦區原巖應力場是一個以構造應力為主的應力場，最大主應力為10-14M Pa，兩個優勢節理組的代表走向與礦區原巖最大主應力方向近似平行或成小角度相交。根據這一結果，使拉底巷道的方向接近原巖最大主應力方向和兩組優勢節理的方向，同時將初始崩落區或拉底工作面的開鑿位置選在節理裂隙發育的區段，也就是低應力區。生產實踐證明，這種設計對促進礦巖崩落和改善礦石塊度組成起到了較好的作用。通過RMPSDOF微機系統對不同應力狀態下崩落礦石塊度組成進行模擬研究提出，隨着垂直應力的增大，大塊率將會增加。垂直應力每增加1M Pa，大於0. 8m的大塊率約增加1%，大於1. 2m的大塊率約增加1% -3%，但是，當垂直應力大於第二主應力時，大塊率又有減小的趨勢。

巖體應力測量就是該研究課題的重要內容之一。針對巖體初始應力、巖爆區應力、採場開採過程中的圍巖應力及大型結構面附近應力狀態等情況，進行巖體應力測量工作。

巖體沿豎向和沿水平面的應力分佈均呈現由上而下逐漸增大且東高西低的特徵；在巖爆區，大型結構面弱面附近和老地壓區底部存在較高的地應力;整個測試區域巖體應力值較高，70%的測試區域接近或超過30MPa, 20%的區域出現高應力狀態下的巖芯餅化現象；礦區下部存在明顯的水平應力，最大主應力方向與區域構造應力場方向一致。根據這一測量結果，配合地質調查、採場綜合地壓觀測等手段，並以所測數據為原始資料，應用有限元、邊界元對急傾斜脈狀礦牀開採時圍巖及礦柱的應力與位移分佈規律進行計算分析，掌握了礦區巖移及地壓活動規律。同時，以改善應力分佈狀態，避免高應力的集中為出發點制定了地壓控制方案。為從礦區全局上改善下部中段巖體應力的分佈狀態，改變礦區中部富礦段巖體應力集中的不合理局面，將現行後退式採礦順序改為由礦脈密集區到稀疏區的前進式採礦順序;為減小框架礦柱部分的應力高度集中，防止和避免巖爆，原則上不留房間礦柱;在礦脈密集段繼續採用廢石充填處理空區，減小巖移空間，避免地壓災害，在礦脈稀疏區段採用封閉法處理空區，以節省處理費用。該處理方案已在現場獲得了較好的應用效果。

此外，大廠銅坑錫礦、三山島金礦等礦山通過應力解除法測得原巖應力場，為採礦方法設計、採場結構參數優化提供了科學依據。金河磷礦在保安礦柱回採中運用所測得的原巖應力資料，保證了井下資源的充分回收。大同煤礦開展巖體應力測量工作，以研究礦山地震活動規律和機理，並進行相應的預測和預報。這些礦山在原巖應力場測量方面均取得了良好的效果 ^[3]  。

礦山岩體原巖應力場在礦山生產與安全中有着不可忽視的影響。隨着採礦工業的發展，我國礦山岩體原巖應力場的研究應該進一步深入，加強測試手段，提高計算與分析的精確度，把礦區原巖應力場的測試與研究納入規範化的礦山設計之中。在礦山設計、建設和生產的全過程中，均要掌握原巖應力場所處的狀態，以便採取相應的措施和對策，防止地壓事故的發生，確保礦山的安全生產 ^[1]  。