DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.028

大台沟矿区深孔水压致裂原地应力测量及应用

孙东生¹，丰成君¹，许洪斌²，佟志利²，赵金生¹，李国岐¹，陈群策¹

(1. 中国地质科学院 地质力学研究所，国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京 100081；

2. 辽宁省第八地质大队，辽宁 本溪，117000)

摘要：在辽宁本溪大台沟矿区开展水压致裂法原地应力测试，获得本溪地区2个超1 km深孔的原地应力实测结果，给出深度在1 309 m以内的原地应力实测剖面。从原地应力及岩石力学的角度对该矿未来深部的岩爆可能性进行预测。研究结果表明：大台沟矿区300 m以下深度均有发生不同程度岩爆的可能性，特别是1 100 m以下有发生强烈岩爆的危险性，矿区在未来的开发建设中需注意防范。

关键词：水压致裂；原地应力；岩爆；辽宁本溪大台沟矿区

中图分类号：P642             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)04-1384-09

In-situ stress measurement at deep borehole of Dataigou Iron Mine area and its application

SUN Dongsheng¹, FENG Chengjun¹, XU Hongbin², TONG Zhili², ZHAO Jinsheng¹, LI Guoqi¹, CHEN Qunce¹

(1. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard of Ministry of Land and Resources,

Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;

2. Eighth Geological Brigade of Bureau Geology and

Mineral Resources Exploration in Liaoning Province, Benxi 117000, China)

Abstract: Two deep boreholes over 1 000 m in-situ stress measurement were conducted by hydraulic fracturing method in Benxi Dataigou Iron Mine in Liaoning Province, and the sections of in-situ stress magnitude were obtained. The 1 309 m in-situ stress measurement depth was made. The rock burst probability of Dataigou Iron Mine area was predicted from the view of in-situ stress and rock mechanics point. The results show that Dataigou Iron Mine has the possibility of various degrees rock burst below 300 m depth, and especially below 1 100 m there is the possibility of violent rock burst. The related disaster must be prevented during the development and construction.

Key words: hydraulic fracturing; in-situ stress; rockburst; Benxi Dataigou Mine

原地应力是由岩体自重和板块之间及板块内部构造运动引起，赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然内力，是确定工程岩土力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的重要参数。同时，原地应力状态对地震机理研究、区域地壳稳定性评价、油气田开发、页岩气及地热能开发、核废料储集场地选址及地球动力学的研究等具有重要意义^[1-3]。原地应力状态及其对岩体变形和强度的影响研究是随着人类对资源开发利用、岩土工程建设深度的不断增加逐渐发展起来的。原地应力测试技术应用于工程建设始于20世纪30年代^[4]，经过半个多世纪的发展，已发展利用钻孔或钻孔岩芯的多种测试方  法^[5-7]。目前，国际上通用的原地应力测试方法主要包括水压致裂法、应力解除法(弹性应变恢复法)、ASR法(非弹性应变恢复法)及利用成像测井资料或岩石物性资料的其他间接测量方法。其中，水压致裂法和应力解除法是2种原地应力测试方法^[8]。在不同的勘查和施工阶段，对于深部矿山的原地应力测试所采用的方法也有所不同：在矿山勘探阶段，主要是利用勘探孔运用水压致裂法测量原地应力；在开发阶段，由于存在井下巷道，更适用采用应力解除法进行^[9-10]。对于深部矿山(采深超过500 m)，也可采用非弹性应变恢复(ASR)法进行原地应力测试^[11-12]。随着我国找矿突破战略行动的实施，近几年，无论是金属矿山还是非金属矿山，开采深度逐年增加。沈慰安等^[13-15]认为原地应力是控制深部资源开发中提高矿井设计科学性、安全性和经济性及安全高效施工的主要因素。除了地质条件和岩石物理力学性质与岩爆关系密切外，原地应力亦是影响岩爆的重要因素。且随着采矿深度增加，原地应力亦相应增大，尤其是在构造应力(水平应力)起主导作用下，顶板冒落、巷道变形及围岩坍塌等现象频频发生。辽宁本溪大台沟铁矿是国土资源部近10年重大找矿成果之一，是目前世界上最大的单体铁矿山，已探明铁资源储量34亿t，远景储量在100亿t以上。但该矿属于特大超深矿(顶界面埋深1 100~1 200 m，底界面在2 000 m以下)且矿床厚，层状脆性岩石，在开发过程中，随着开采深度的增加将遇到巷道变形、岩爆等开采动力灾害^[16]。原地应力作为控制岩爆等灾害的主要因素之一，得到了本溪大台沟矿业有限公司的重视，在开发前期阶段就进行了深孔水压致裂法原地应力测试。本文对大台沟矿区2个超1 km深孔的水压致裂原地应力测量结果进行研究，最大测量深度为1 309 m^[17]，并根据地应力测试结果，评价未来开发工程中岩爆的危险性，以便为该矿采矿方法的选择、开采过程中巷道的布置、开发过程中巷道支护及岩爆等灾害的预测提供参考。

1  研究区工程地质概况

大台沟铁矿为目前亚洲单体储量最大的铁矿，位于中国东北部辽宁省本溪市，距离沈阳市87 km。研究区揭露的地层为第四系、上元古界震旦系桥头组、青白口系南芬组、钓鱼台组；下元古界辽河群浪子山组；太古界鞍山群樱桃圆组。矿区所处大地构造单元为中朝准地台，华北陆块北缘东段，属胶辽台隆太子河—浑江台陷，四级构造单元为辽阳—本溪凹陷。区域上受北东向寒岭断裂控制，该断裂长约100 km，为岩石圈断裂，有火山喷发活动相伴，具压剪性质。该断裂形成于中生代，直至新生代也有活动。该区是中国太古宙花岗岩-绿岩带的主要分布区之一^[18]。大台沟铁矿床赋存在中太古代鞍山群樱桃园组，为变质火山沉积铁矿床，即鞍山式铁矿。本文开展的2个勘探钻孔(ZK408和1号回风井)的具体位置见图1。

图1  辽宁中太古代绿岩带及铁矿分布图(据洪秀伟^[18]，有修改)

Fig. 1  Distribution of iron deposits in Archean greenstone belt of Liaoning Province (modified by HONG Xiuwei^[18])

2  水压致裂法原地应力测量原理

水压致裂原地应力测量方法是确定岩体应力方法之一^[19]。该方法无需岩石力学参数，可直接测量原地应力，特别是可以直接确定最小主应力，其具有操作简单、测量深度较大等优点，已在国内外重大工程建设、深部矿山开采及地震机理研究方面得到广泛应用^[20-23]。其测量方法是利用1对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体(通常为水)对该试验段增压直至在孔壁产生破裂，在压裂过程中通常记录3~5个压裂循环的压力-时间曲线；由实测曲线可得水压裂缝的重张压力P_r和瞬时闭合压力P_s。根据

              (1)

                     (2)

可计算最大、最小水平主应力σ_H和σ_h。式中：P₀为孔隙压力(一般为静水压力)。由上覆岩层的重力可得到垂直应力σ_v：

                 (3)

式中：γ为测试段上覆岩体的容重；H为测试段上覆岩体的厚度。由破裂压力P_b和重张压力P_r可以得到岩石原地抗拉强度T：

T=P_b-P_r                        (4)

根据印模器得到的裂缝的方向可确定最大水平应力的方向。

3  结果与讨论

3.1  原地应力

根据工程设计安排, 分别于2012年和2013年完成矿区内ZK408和1号回风井钻孔的水压致裂法原地应力测试工作。ZK408钻孔取得了13个深度的测试数据，最大测试深度为1 309.0 m，1号回风井钻孔取得了15个深度的测试数据，最大测试深度为946.5 m。在测量过程中，按照国际岩石力学学会颁布的规范进行，测段长度为1.0 m，各个深度段的曲线形态标准、规范，各压力参数点明确，并且各回次之间一致性很好。图2所示为ZK408钻孔水压致裂过程的压力-时间曲线，图3所示为1号回风井钻孔水压致裂过程的压力-时间曲线。测试曲线是分析应力状态的基础。关闭压力P_s根据国际岩石力学学会推荐的5种判读瞬时关闭压力方法(单切线法、dp/dt法、马斯卡特法、dT/dP法和压力-流量法)中的dp/dt法^[24]和dT/dP法^[25]的平均值确定。水压致裂原地应力测量结果见表1。

3.1.1  ZK408原地应力

在132.0~1 309.0 m深度范围内，最大水平主应力σ_H为5.48~35.96 MPa，最小水平主应力σ_h为3.86~23.58 MPa，垂向应力σ_v为3.50~34.69 MPa，水平主应力基本上随深度线性增大(见图4)；在132.0~445.0 m深度范围内，σ_H/σ_v相对较平稳，为1.26~1.57，平均值为1.44，σ_h/σ_v为0.85~1.10，平均值为0.95，表明水平应力作用占主导地位，3个主应力之间的关系为σ_H＞σ_v≥σ_h。在445.0~1309.0 m范围内，σ_H/σ_v为0.65~1.31，平均为0.92，σ_h/σ_v为0.51~0.86，平均为0.64，表明垂向应力作用已起主要控制作用，3个主应力之间的关系为σ_v≥σ_H＞σ_h。

3.1.2  1号回风井原地应力

在88.1~964.5 m测试深度范围内，最大水平主应力σ_H为8.33~24.63 MPa，最小水平主应力σ_h为4.47~16.73 MPa，垂向应力σ_v为2.29~25.08 MPa，水平主应力也基本上随深度线性增大(见图4)；在88.1~360.1 m深度范围内，σ_H/σ_v为1.65~6.93，由浅到深，比值逐渐降低，平均为3.23，σ_h/σ_v为1.02~3.62，平均为1.79，由浅到深，该比值也逐渐降低，总体表明钻孔附近水平应力作用较强，3个主应力之间的关系为σ_H＞σ_h＞σ_v；在360.1~774.5 m范围内，σ_H/σ_v变化幅度较小，为1.09~1.60，平均为1.24；σ_h/σ_v分布稳定，为0.71~0.98，平均为0.79，与88.1~360.1 m深度段相比，该深度范围内水平应力作用有所降低，但仍起主控作用，3个主应力之间的关系为σ_H＞σ_v＞σ_h；在774.5~964.5 m深度内，σ_H/σ_v为0.86~1.02，平均为0.93，σ_h/σ_v为0.61~0.69，平均为0.65，在该深度范围内，垂向应力作用已起主导，3个主应力之间的关系为σ_v≥σ_H＞σ_h。应该指出的是：主应力比值的分析对巷到断面形状的设计及稳定性分析具有重要意义^[2-3]。

图2  ZK408钻孔水压致裂原地应力测量曲线

Fig. 2  Curves of hydraulic fractures test of ZK408

图3  1号回风井钻孔水压致裂原地应力测量曲线

Fig. 3  Curves of hydraulic fractures test of No.1 air shaft

表1  大台沟矿区ZK408钻孔和1号回风井原地应力测量结果

Table 1  Measured results of in-situ stress in Dataigou iron mine

3.2  主压应力方位

利用印模定向试验技术，在2个钻孔中共获得8个测段的有效数据。在ZK408钻孔，最大水平主应力的优势方位为NW87°左右；在1号回风井钻孔中，最大水平主应力的优势方位为N74°E；统计2个钻孔的印模测试结果，认为大台沟铁矿区现今最大水平原地应力方向为NEE向(见图5)。研究结果表明：近40年来，辽宁地区构造应力场相对稳定，现今构造应力场主压应力方向为NEE向，与区域主要构造断裂走向基本一致^[26-27]。本次测量得到大台沟矿区内的最大水平主应力方向与该区区域构造应力场主压应力方位基本一致，矿区应力场仍受控于区域构造活动。

3.3  矿区竖井岩爆预测分析

岩爆是在高地应力条件下，在开挖过程中，洞室围岩卸荷而发生脆性破坏，储存于岩体中的弹性应变能突然释放，产生爆裂、松脱、剥落、弹射甚至抛掷而动力失稳的地质灾害。由于它直接威胁人员设备安全，影响施工进度，因而对其预测及防治的研究已成为地下工程设计和研究的重要课题^[28-31]。相关的理论研究和大量的工程实践表明，岩爆的发生是一种复杂的非线性动力学现象，其控制和影响因素较多，成因机制复杂。岩体的物理力学性质、原地应力状态、岩体渗透特性、地下洞室的截面形状以及开挖方式等因素都在一定程度上构成了岩爆的形成要素，其中，岩体的应力状态和围岩的力学性质起主要控制作用。一般认为，岩爆多发生在新鲜、坚硬、完整的脆性岩体中，此外，岩体中的高应力尤其是高的差应力(即σ_H-σ_h)也是发生岩爆的必要条件^[32-33]。很多学者开展了对岩爆的研究，并逐渐形成了分析岩爆发生的判断准则，其中包括线弹性准则、岩石脆性准则、切向应力准则以及岩体RQD指标准则等^[28-37]。

图4  大台沟矿区ZK408钻孔和1号回风井钻孔主应力随深度变化

Fig. 4  Relationship between principal stresses and depth in Dataigou iron mine area

图5  大台沟矿区最大主应力方向统计图

Fig. 5  Rose diagrams of directions of the maximum principal stress in Dataigou iron mine

3.3.1  岩爆烈度判据准则

以实测原地应力和岩石力学参数为基础，选取Russenes判据(或切向应力准则)和陶振宇判据^[28-30]，综合评价大台沟矿区未来竖井在不同深度断面岩爆发生的可能性。

1)  Russenes判据。该判据用围岩最大切向应力σ_θ与岩样单轴抗压强度σ_c的比值判断岩爆烈度，表达式为：

                 (5)

                (6)

判别准则为：R＜0.20，无岩爆；0.20≤R＜0.30，轻微岩爆；0.30≤R＜0.55，中等岩爆；R≥0.55，强烈岩爆。

2) 陶振宇判据。该判据用岩石单轴抗压强度σ_c和最大主应力σ₁的比值判别岩爆级别，判据式为

             (7)

判别准则为：T＜2.5，强烈岩爆；2.5≤T＜5.5，中等岩爆；5.5≤R＜14.5，轻微岩爆；R≥14.5，无岩爆。

3.3.2  岩石单轴抗压强度

参考辽宁省地质工程勘察研究院提供的《本溪市亿鑫矿业有限公司大台沟铁矿1号主井、副井和回风井工程地质勘察报告》中5类地层岩石的单轴抗压强度(烘干)，选取5类岩石单轴抗压强度的平均值作为计算相关判别参数中岩石单轴抗压强度σ_c(表2)。未风化泥灰岩、未风化闪长玢岩、未风化石英砂岩、未风化闪长岩、混合花岗岩的单轴抗压强度σ_c分别为90.59，67.14，64.23，72.79和69.95 MPa，平均值为72.94 MPa。

3.3.3  大台沟矿区岩爆预测分析

基于ZK408和1号回风井钻孔测量得到主应力随深度线性变化关系(图4)，分别计算出不同深度最大、最小水平主应力(σ_H和σ_h)，由式(6)可得到竖井断面最大切向应力σ_θ，结合式(5)和(7)分别计算2种判据参数R和T，最后依据各自的判据条件对ZK408和1号回风井处竖井岩爆危险性进行简要评价。2个钻孔的岩爆预测结果分别见表2和表3。

表2  ZK408处竖井岩爆预测相关计算参数及结果

Table 2  Calculated parameters and results of rockburst forecast of ZK408

表3  1号回风井岩爆预测相关计算参数及结果

Table 3  Calculated parameters and results of rockburst forecast of No.1 air shaft

据Russenes和陶振宇判据，岩爆预测结果表明ZK408和1号回风井在当前原地应力状态下，300 m以下均有发生不同程度岩爆的可能。考虑到竖井井壁岩石受淋水及岩体结构等因素可能会降低岩爆的等级，以陶振宇岩爆判别准，则其结果为：ZK408在300~400 m深度为轻微岩爆，500~1 100 m为中等岩爆，1 200~1 500 m为强烈岩爆；1号回风井在300~ 1 100 m深度为中等岩爆，1 200~1500 m为强烈岩爆。

4  结论与认识

1) 在辽宁本溪大台沟矿区采用水压致裂法进行原地应力测量，最大测量深度为1 309 m。矿区原地应力随深度基本呈线性增加，最大水平主应力优势方向为NEE向，与该区区域构造应力场主压应力方位基本一致。最大水平主应力与垂直主应力的比值随着深度增加而减小，测量结果可为矿区竖井建设及灾害防治提供参考。

2) 随着深度增加，发生岩爆的危险性和岩爆程度增加。在300 m以下深度均有发生不同程度岩爆的可能性，在300~1 100 m深度范围内有发生中等岩爆的危险性，1 100 m以下有发生强烈岩爆的危险性。在具体施工中，根据工程情况，综合考虑多种因素，采取合理开挖方案及相应预防措施以保证安全。

致谢：感谢辽宁省第八地质大队为现场测量工作提供的支持和帮助；感谢中国地质力学研究所王连捷研究员、欧明益研究员为本文提供的建议及帮助。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-05-10；修回日期：2014-07-25

基金项目(Foundation item)：国土资源部公益行业项目(SinoProbe-06-03，201211076)；国家科技支撑项目(2012BAK19B03-3)；中国地质科学院基本科研业务费资助项目(SYS1301)(Projects (SinoProbe-06-03, 201211076) supported by the Ministry of Land and Resources of Public Sector; Project (2012BAK19B03-3) supported by National Key Technology Support Program; Project (SYS1301) supported by the Basic Scientific Research of Chinese Academy of Geological Sciences)

通信作者：陈群策，研究员，从事地应力测量技术及应用研究；E-mail：chenqunce@sina.com