中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用

工程科学学报，第39卷，第3期：323-334,2017年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.3:323-334,March 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.002:http://journals.ustb.edu.cn 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 李 鹏2》，苗胜军1,2)区 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:miaoshengjun@163.com 摘要以迄今为止查阅到的中国大陆金属矿区实测地应力数据为基础，经优化处理后最终采用165组数据，基本覆盖了我 国大陆主要金属矿山分布地区.采用回归分析法给出了中国大陆金属矿区测量埋深范围内的地应力场特征，并尝试从地应 力的角度对中国大陆金属矿区断层的稳定性进行了讨论.结果显示，中国大陆金属矿区垂直主应力、最大与最小水平主应力 总体上随埋深呈线性增加：最大与最小水平主应力之差△σ随埋深的增加有增大的趋势，但规律性不显著：最大水平主应力 与垂直主应力之比K.m主要集中在1.00-2.50之间，最小水平主应力与垂直主应力之比K.主要集中在0.50-1.50之 间，平均水平主应力与垂直主应力之比K.主要集中在1.00~2.00之间，随着埋深的增加，3个侧压系数的变化幅度逐渐减 小，K.=趋向于1.83，K.趋向于0.80，K.m趋向于1.31：最大与最小水平主应力之比与埋深没有显著的关系，主要集中在 1.5-2.0之间，近似服从正态分布：断层在埋深小于500m范围内有滑动的可能，埋深超过500m时，逆断层有滑动的可能，走 滑断层处于相对稳定状态 关键词岩石力学：井下工程灾害：金属矿区：优化处理：地应力场：分布规律：断层稳定性 分类号P642.3 Analysis and application of in-situ stress in metal mining area of Chinese mainland LI Peng,MIAO Sheng jun! 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of the Education Ministry for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:miaoshengjun@163.com ABSTRACT Based on the measured in-situ stress data of the metal mining area in China,165 sets of data were finally adopted after optimized treatment,which basically covers the distribution area of the main metal mines in the Chinese mainland.The characteristics of in-situ stress field in the buried depth of the metal mining area in China were presented by regression analysis method,and the sta- bility of the fault of the metal mining area in China was discussed from the ground stress.The results show that the vertical principal stress,the maximum horizontal principal stress and the minimum horizontal principal stress in the metal mining area of Chinese main- land generally increase linearly with the depth.The difference between maximum and minimum horizontal principal stresses (A)in- creases with the depth,but the regularity is not significant.The ratio of maximum horizontal principal stress to vertical principal stress (K),the ratio of minimum horizontal principal stress to vertical principal stress(K)and the ratio of average horizontal stress to vertical principal stress (K)mainly concentrate in the interval of 1.00 to 2.50,0.50 to 1.50,and 1.00 to 2.00,respectively. With the increase of depth,the variation amplitudes of the three lateral pressure coefficients decrease gradually:K.K and Ktend to 1.83,0.80 and 1.31,respectively.The ratio of maximum horizontal principal stress to minimum horizontal principal stress has no obvious regularity with the depth,and the values mainly concentrate from 1.5 to 2.0,approximate to normal distribution. Metal mining area has the possibility of fault slip when the depth is less than 500m,and the reverse fault has the possibility of sliding 收稿日期：201605-27 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2015CB060200):国家自然科学基金资助项目(51574014)：中央高校基本科研业务费专项资 金资助项目(FRF-TP-16017A3)

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期: 323--334，2017 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 3: 323--334，March 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 03． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 李 鹏1，2) ，苗胜军1，2)  1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: miaoshengjun@ 163． com 收稿日期: 2016--05--27 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2015CB060200) ; 国家自然科学基金资助项目( 51574014) ; 中央高校基本科研业务费专项资 金资助项目( FＲF--TP--16--017A3) 摘 要 以迄今为止查阅到的中国大陆金属矿区实测地应力数据为基础，经优化处理后最终采用 165 组数据，基本覆盖了我 国大陆主要金属矿山分布地区． 采用回归分析法给出了中国大陆金属矿区测量埋深范围内的地应力场特征，并尝试从地应 力的角度对中国大陆金属矿区断层的稳定性进行了讨论． 结果显示，中国大陆金属矿区垂直主应力、最大与最小水平主应力 总体上随埋深呈线性增加; 最大与最小水平主应力之差 Δσ 随埋深的增加有增大的趋势，但规律性不显著; 最大水平主应力 与垂直主应力之比 Kh，max主要集中在 1. 00 ～ 2. 50 之间，最小水平主应力与垂直主应力之比 Kh，min主要集中在 0. 50 ～ 1. 50 之 间，平均水平主应力与垂直主应力之比 Kh，av主要集中在 1. 00 ～ 2. 00 之间，随着埋深的增加，3 个侧压系数的变化幅度逐渐减 小，Kh，max趋向于 1. 83，Kh，min趋向于 0. 80，Kh，av趋向于 1. 31; 最大与最小水平主应力之比与埋深没有显著的关系，主要集中在 1. 5 ～ 2. 0 之间，近似服从正态分布; 断层在埋深小于 500 m 范围内有滑动的可能，埋深超过 500 m 时，逆断层有滑动的可能，走 滑断层处于相对稳定状态． 关键词 岩石力学; 井下工程灾害; 金属矿区; 优化处理; 地应力场; 分布规律; 断层稳定性 分类号 P642. 3 Analysis and application of in-situ stress in metal mining area of Chinese mainland LI Peng1，2) ，MIAO Sheng-jun1，2)  1) School of Civil and Ｒesource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of the Education Ministry for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: miaoshengjun@ 163． com ABSTＲACT Based on the measured in-situ stress data of the metal mining area in China，165 sets of data were finally adopted after optimized treatment，which basically covers the distribution area of the main metal mines in the Chinese mainland． The characteristics of in-situ stress field in the buried depth of the metal mining area in China were presented by regression analysis method，and the sta￾bility of the fault of the metal mining area in China was discussed from the ground stress． The results show that the vertical principal stress，the maximum horizontal principal stress and the minimum horizontal principal stress in the metal mining area of Chinese main￾land generally increase linearly with the depth． The difference between maximum and minimum horizontal principal stresses ( Δσ) in￾creases with the depth，but the regularity is not significant． The ratio of maximum horizontal principal stress to vertical principal stress ( Kh，max ) ，the ratio of minimum horizontal principal stress to vertical principal stress ( Kh，min ) and the ratio of average horizontal stress to vertical principal stress ( Kh，av ) mainly concentrate in the interval of 1. 00 to 2. 50，0. 50 to 1. 50，and 1. 00 to 2. 00，respectively． With the increase of depth，the variation amplitudes of the three lateral pressure coefficients decrease gradually: Kh，max，Kh，min and Kh，av tend to 1. 83，0. 80 and 1. 31，respectively． The ratio of maximum horizontal principal stress to minimum horizontal principal stress has no obvious regularity with the depth，and the values mainly concentrate from 1. 5 to 2. 0，approximate to normal distribution． Metal mining area has the possibility of fault slip when the depth is less than 500 m，and the reverse fault has the possibility of sliding

·324· 工程科学学报，第39卷，第3期 while the strike slip fault is in a relatively stable state when the depth is more than 500 m. KEY WORDS rock mechanics;underground engineering disaster:metal mining area:optimized processing:in-situ stress field; distribution rules:fault stability 地应力是客观存在于地层中的天然应力，它是引 均差应力和平均有效应力之比和最大主应力方向与断 起采矿工程及其他地下工程变形与破坏的根本驱动 层层面夹角来评价区域断裂强度和应力积累水平，进 力，对地下工程的安全稳定起着决定性作用.有研 而评价断裂的稳定性。孟文等⑧根据测得的新加坡 究认为，地壳浅层变形和内部构造活动、断裂滑动失稳 地区地应力数据，分析了新加坡地区断层产生摩擦滑 以及地震等也与地应力状态密切相关.地应力大小是 动的可能性.秦向辉等网基于实测应力数据，评价了 地下工程设计的基本参数，直接影响工程岩体的力学 北京地区主要断裂稳定性.曹辉等0通过测量安第 行为.为了合理进行地下工程的开挖设计与施工，必 斯山中段地应力数据，探讨了震源深度处的应力状态 须提前详细了解拟建工程区域的地应力场状态.特别 矿产资源特别是金属矿产资源的开发与利用已成 是对于深部地下工程，往往会出现高地应力、高地温和 为一个国家经济起飞的首要条件，是影响国民经济与 高岩溶水压的情况，为了保障工程安全就需要准确地 社会发展的重要因素.据不完全统计，我国地下金属 掌握工程区域的地应力状态.就金属矿而言，合理的 矿山约占矿山总数的89%，目前一些大中型露天矿山 巷道布置、开采方法的选择、巷道断面形状及尺寸的确 也相继转入地下开采，地下金属矿山的开采将发挥更 定以及支护形式的选择等都需要了解具体工程区域的 加重要的作用.随着世界经济的快速发展，对能源和 地应力分布规律，这对优化采矿方法、提高资源回 资源的需求日益增多，浅部资源日益枯竭，已不能满足 收率及预防岩爆等灾害具有积极作用. 当今社会发展的需求，国内外矿山都相继向深部延伸， 自从Hast在纳维亚半岛进行了地应力测量工 增加开采深度以求开采出更多的资源。目前，国内外 作，世界各国逐渐开始对地应力进行广泛而深入的研 深部金属矿山基本都处于地表以下500m甚至几km, 究.随着地应力测量工作的开展，实测地应力数据不 矿体在此深度下受到高应力的作用如.当前我国金 断积累，基于大量实测数据利用数学手段定量描述地 属矿山的开采深度大多在1000m以内，有一些已超过 应力场的分布特征，这一方法是有效可行的.Worotni-- 1000m,如河南灵宝釜鑫金矿、夹皮沟金矿、红透山铜 ki和Denham根据实测应力资料，建立了平均水平应 矿及云南会泽铅锌矿等，国内金属矿山的开采深度还 力和垂直主应力随埋深的线性回归关系.Bowm和 在不断地刷新.据国内金属矿山地应力测量数据，深 Hok7根据世界不同地区地应力测量结果，得到了 度为1000m左右时，地应力水平约52~61MPa,在高 世界范围内地应力随深度分布特征.Zoback网绘制了 应力状态下进行工程开挖，将面临严峻桃战.随着开 世界应力图，并逐渐修改完善，现已被广泛引用.黄禄 采深度的增加，工程地质状况会变得更加复杂，工程灾 渊等以中国大陆地壳应力环境基础数据库为基础， 害也会随之发生，如岩爆、矿压显现加剧、地温升高、巷 选取华北地区水压致裂法与应力解除法的实测地应力 道围岩大变形、流变等，应力水平的增加和应力状态的 数据，得到华北地区及研究子区宏观应力场特征.康 改变是造成这些工程灾害的根本原因四.高应力的 红普等四基于实测地应力数据，统计分析了山西煤矿 存在是深部采矿和浅部采矿最大区别之一，地应力在 矿区地应力与测点埋深的关系，绘制出了山西省煤矿 深部开采中的作用将越来越突出，对工程的影响也会更 矿区井下地应力分布图.李新平等四根据地应力实 加明显.因此，统计分析我国金属矿区地应力分布规律意 测资料，研究了我国大陆深部（埋深大于500m)地应 义重大，可以深化对其认识，用以指导生产实践 力随埋深分布规律.王章琼等根据收集的实测数 对于金属矿山地应力分布规律的研究，前人已经 据分析了我国大陆地区地下水封洞库工程区的地应力 做了很多有益工作，但主要是针对具体某个矿山进行 分布特征. 的测量分析，而且大多数矿山要考虑成本经费问题，所 实测地应力数据不仅可以描述地应力分布特征， 选测点较少，有些甚至只有1~2个测点，难以较全面 而且越来越多地应用于分析断层稳定性、地震活动等. 地反映真实地应力状态.我国已积累了一定量的金属 Sibson讨论了在Anderson断层系统下的最易滑动平 矿山实测地应力数据资料，希望通过收集到的国内各 面及所需的最小差应力.Yin等讨论了确定方向的 地的实测地应力数据，系统地分析我国金属矿区的地 断层在非Anderson断层系统下摩擦滑动的临界应力. 应力场变化特征，以求能较全面地展现我国金属矿区 臧绍先等a根据Byerlee定律推导出了逆断层、正断 应力场宏观分布规律，为今后与地应力有关的矿山开 层及走滑断层的摩擦滑动强度（临界主应力差）公式， 采设计、断层稳定性评价及工程灾害预防与治理等工 来判断断层的活动性强度.王成虎等叨提出利用平 作提供一定的科学依据.依据实测数据，对我国金属

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 while the strike slip fault is in a relatively stable state when the depth is more than 500 m． KEY WOＲDS rock mechanics; underground engineering disaster; metal mining area; optimized processing; in-situ stress field; distribution rules; fault stability 地应力是客观存在于地层中的天然应力，它是引 起采矿工程及其他地下工程变形与破坏的根本驱动 力［1--2］，对地下工程的安全稳定起着决定性作用． 有研 究认为，地壳浅层变形和内部构造活动、断裂滑动失稳 以及地震等也与地应力状态密切相关． 地应力大小是 地下工程设计的基本参数，直接影响工程岩体的力学 行为． 为了合理进行地下工程的开挖设计与施工，必 须提前详细了解拟建工程区域的地应力场状态． 特别 是对于深部地下工程，往往会出现高地应力、高地温和 高岩溶水压的情况，为了保障工程安全就需要准确地 掌握工程区域的地应力状态． 就金属矿而言，合理的 巷道布置、开采方法的选择、巷道断面形状及尺寸的确 定以及支护形式的选择等都需要了解具体工程区域的 地应力分布规律［3--4］，这对优化采矿方法、提高资源回 收率及预防岩爆等灾害具有积极作用． 自从 Hast［5］在纳维亚半岛进行了地应力测量工 作，世界各国逐渐开始对地应力进行广泛而深入的研 究． 随着地应力测量工作的开展，实测地应力数据不 断积累，基于大量实测数据利用数学手段定量描述地 应力场的分布特征，这一方法是有效可行的． Worotni￾ki 和 Denham［6］根据实测应力资料，建立了平均水平应 力和垂直主应力随埋深的线性回归关系． Brown 和 Hoek［7--8］根据世界不同地区地应力测量结果，得到了 世界范围内地应力随深度分布特征． Zoback［9］绘制了 世界应力图，并逐渐修改完善，现已被广泛引用． 黄禄 渊等［10］以中国大陆地壳应力环境基础数据库为基础， 选取华北地区水压致裂法与应力解除法的实测地应力 数据，得到华北地区及研究子区宏观应力场特征． 康 红普等［11］基于实测地应力数据，统计分析了山西煤矿 矿区地应力与测点埋深的关系，绘制出了山西省煤矿 矿区井下地应力分布图． 李新平等［12］根据地应力实 测资料，研究了我国大陆深部( 埋深大于 500 m) 地应 力随埋深分布规律． 王章琼等［13］根据收集的实测数 据分析了我国大陆地区地下水封洞库工程区的地应力 分布特征． 实测地应力数据不仅可以描述地应力分布特征， 而且越来越多地应用于分析断层稳定性、地震活动等． Sibson［14］讨论了在 Anderson 断层系统下的最易滑动平 面及所需的最小差应力． Yin 等［15］讨论了确定方向的 断层在非 Anderson 断层系统下摩擦滑动的临界应力． 臧绍先等［16］根据 Byerlee 定律推导出了逆断层、正断 层及走滑断层的摩擦滑动强度( 临界主应力差) 公式， 来判断断层的活动性强度． 王成虎等［17］提出利用平 均差应力和平均有效应力之比和最大主应力方向与断 层层面夹角来评价区域断裂强度和应力积累水平，进 而评价断裂的稳定性． 孟文等［18］根据测得的新加坡 地区地应力数据，分析了新加坡地区断层产生摩擦滑 动的可能性． 秦向辉等［19］基于实测应力数据，评价了 北京地区主要断裂稳定性． 曹辉等［20］通过测量安第 斯山中段地应力数据，探讨了震源深度处的应力状态． 矿产资源特别是金属矿产资源的开发与利用已成 为一个国家经济起飞的首要条件，是影响国民经济与 社会发展的重要因素． 据不完全统计，我国地下金属 矿山约占矿山总数的 89% ，目前一些大中型露天矿山 也相继转入地下开采，地下金属矿山的开采将发挥更 加重要的作用． 随着世界经济的快速发展，对能源和 资源的需求日益增多，浅部资源日益枯竭，已不能满足 当今社会发展的需求，国内外矿山都相继向深部延伸， 增加开采深度以求开采出更多的资源． 目前，国内外 深部金属矿山基本都处于地表以下 500 m 甚至几 km， 矿体在此深度下受到高应力的作用［21］． 当前我国金 属矿山的开采深度大多在 1000 m 以内，有一些已超过 1000 m，如河南灵宝崟鑫金矿、夹皮沟金矿、红透山铜 矿及云南会泽铅锌矿等，国内金属矿山的开采深度还 在不断地刷新． 据国内金属矿山地应力测量数据，深 度为 1000 m 左右时，地应力水平约 52 ～ 61 MPa，在高 应力状态下进行工程开挖，将面临严峻挑战． 随着开 采深度的增加，工程地质状况会变得更加复杂，工程灾 害也会随之发生，如岩爆、矿压显现加剧、地温升高、巷 道围岩大变形、流变等，应力水平的增加和应力状态的 改变是造成这些工程灾害的根本原因［22--23］． 高应力的 存在是深部采矿和浅部采矿最大区别之一，地应力在 深部开采中的作用将越来越突出，对工程的影响也会更 加明显． 因此，统计分析我国金属矿区地应力分布规律意 义重大，可以深化对其认识，用以指导生产实践． 对于金属矿山地应力分布规律的研究，前人已经 做了很多有益工作，但主要是针对具体某个矿山进行 的测量分析，而且大多数矿山要考虑成本经费问题，所 选测点较少，有些甚至只有 1 ～ 2 个测点，难以较全面 地反映真实地应力状态． 我国已积累了一定量的金属 矿山实测地应力数据资料，希望通过收集到的国内各 地的实测地应力数据，系统地分析我国金属矿区的地 应力场变化特征，以求能较全面地展现我国金属矿区 应力场宏观分布规律，为今后与地应力有关的矿山开 采设计、断层稳定性评价及工程灾害预防与治理等工 作提供一定的科学依据． 依据实测数据，对我国金属 · 423 ·

李鹏等：中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 ·325 矿区地应力特征进行了初步分析，并根据库伦滑动摩 较成熟的地应力测量手段，测量精度较高，是日前进行 擦准则和Byerlee定律，从地应力的角度评价了我国大 地应力测量的主要方法，实际应用比较广泛.本文统 陆金属矿区断层的稳定性，探讨了地应力状态与断层 计的地应力实测数据，主要是由应力解除法测得，还有 稳定性之间的关系 少量数据由水压致裂法测得. 1.2数据分布 1地应力数据资料 本文共收集了迄今为止查阅到的国内多个金属矿 1.1地应力测量方法 山的实测地应力数据，包括岭南金矿、大红山铁矿、夜 地应力测量方法可分为直接测量法和间接测量法 长坪钼矿、铜矿峪铜矿、峨口铁矿、凡口铅锌矿、获各琦 两类.直接测量法无需知道岩石的物理力学性质与应 铜矿、金川各矿区、玲珑金矿、六苴铜矿、梅山铁矿、三 力一应变关系，可由测量所得的补偿应力、平衡应力或 山岛金矿、狮子山铜矿、水厂铁矿、安庆铜矿、图古日格 其他应力值获得地应力数据，主要包括：扁千斤顶法、 金矿、遂昌金矿、新城金矿、良山铁矿及开阳磷矿等金 水压致裂法、刚性圆筒应力计和声发射法等.间接测 属矿山.由于参考的资料及文献较多，这里不再一一 量法通过记录一些与应力相关的变形和应变等间接物 引用.数据分布地点基本覆盖了我国大陆主要金属矿 理量根据已知公式算出地应力值，主要有：应力解除 山所在地区（见图1），这些数据具有良好的代表性. 法、实心（或空心）包体应变测量、地球物理探测法及 目前我国金属矿山的绝大部分应力测量深度仅数百 地质方法等4.这些测量方法在测定不同岩性地应 m,超过1000m的深井测量则十分少见.从本次收集 力、操作难易程度等方面各有优缺点，适用条件、测量 到的地应力数据看，地应力测量深度都在1000m以 精度也有所差别.其中水压致裂法与应力解除法是比 内，最大测量深度为975m. 80E 90E 100PE 110E 120E 130E 50PN 40N 30N 20N- 一南海岛 80°E 90°E 100E 110E 120E 130E 注：图中红色实心圆点代表所收集地应力所在的大致区域，蓝色数字代表该区域的实测地应力数量。 图1实测地应力数据分布 Fig.I Distribution of measured in-situ stress data 1.3数据优化 绝对值小于30时，可以认为是近似水平的，将其标定 对于采用应力解除法测试得到的3个主应力，根 为最大水平主应力(o,):还有一个主应力，可能是 据所收集的数据发现，一般情况下其中一个主应力的 σ2或σ3也比较接近于水平方向，当其倾角绝对值小 方向并不绝对指向垂直方向，而是与垂直方向存在一 于30时，标注为最小水平主应力(o,）:剩下的一个 定夹角，另外2个主应力一般也与水平方向存在一定 主应力（σ2或σ3）比较接近于垂直方向，当其倾角绝 夹角，有时夹角还比较大.为便于分析，仅从近似垂直 对值大于60时，可以认为是近似垂直的，将其标定为 与水平两个方向研究地应力状态.考虑到我国金属矿 垂直主应力（σ）. 区地应力数据整体还不是太丰富，一些地区实测地应 为了能得到可靠的研究结果，对收集到的地应力 力数据较少，为了能较全面地了解我国金属矿区的地 数据进行质量评价及优化处理.将数据进行线性 应力特征，因此适当放宽了水平与垂直两个方向的划 拟合，以所得的拟合直线为中心，在其两侧作两条对称 定标准.对于本文收集的数据，最大主应力σ，的倾角 的直线，使95%的数据落到两条对称线内侧，这部分

李 鹏等: 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 矿区地应力特征进行了初步分析，并根据库伦滑动摩 擦准则和 Byerlee 定律，从地应力的角度评价了我国大 陆金属矿区断层的稳定性，探讨了地应力状态与断层 稳定性之间的关系． 1 地应力数据资料 1. 1 地应力测量方法 地应力测量方法可分为直接测量法和间接测量法 两类． 直接测量法无需知道岩石的物理力学性质与应 力--应变关系，可由测量所得的补偿应力、平衡应力或 其他应力值获得地应力数据，主要包括: 扁千斤顶法、 水压致裂法、刚性圆筒应力计和声发射法等． 间接测 量法通过记录一些与应力相关的变形和应变等间接物 理量根据已知公式算出地应力值，主要有: 应力解除 法、实心( 或空心) 包体应变测量、地球物理探测法及 地质方法等［24--25］． 这些测量方法在测定不同岩性地应 力、操作难易程度等方面各有优缺点，适用条件、测量 精度也有所差别． 其中水压致裂法与应力解除法是比 较成熟的地应力测量手段，测量精度较高，是目前进行 地应力测量的主要方法，实际应用比较广泛． 本文统 计的地应力实测数据，主要是由应力解除法测得，还有 少量数据由水压致裂法测得． 1. 2 数据分布 本文共收集了迄今为止查阅到的国内多个金属矿 山的实测地应力数据，包括岭南金矿、大红山铁矿、夜 长坪钼矿、铜矿峪铜矿、峨口铁矿、凡口铅锌矿、获各琦 铜矿、金川各矿区、玲珑金矿、六苴铜矿、梅山铁矿、三 山岛金矿、狮子山铜矿、水厂铁矿、安庆铜矿、图古日格 金矿、遂昌金矿、新城金矿、良山铁矿及开阳磷矿等金 属矿山． 由于参考的资料及文献较多，这里不再一一 引用． 数据分布地点基本覆盖了我国大陆主要金属矿 山所在地区( 见图 1) ，这些数据具有良好的代表性． 目前我国金属矿山的绝大部分应力测量深度仅数百 m，超过 1000 m 的深井测量则十分少见． 从本次收集 到的地应力数据看，地应力测量深度都在 1000 m 以 内，最大测量深度为 975 m． 注: 图中红色实心圆点代表所收集地应力所在的大致区域，蓝色数字代表该区域的实测地应力数量。 图 1 实测地应力数据分布 Fig． 1 Distribution of measured in-situ stress data 1. 3 数据优化 对于采用应力解除法测试得到的 3 个主应力，根 据所收集的数据发现，一般情况下其中一个主应力的 方向并不绝对指向垂直方向，而是与垂直方向存在一 定夹角，另外 2 个主应力一般也与水平方向存在一定 夹角，有时夹角还比较大． 为便于分析，仅从近似垂直 与水平两个方向研究地应力状态． 考虑到我国金属矿 区地应力数据整体还不是太丰富，一些地区实测地应 力数据较少，为了能较全面地了解我国金属矿区的地 应力特征，因此适当放宽了水平与垂直两个方向的划 定标准． 对于本文收集的数据，最大主应力 σ1 的倾角 绝对值小于 30°时，可以认为是近似水平的，将其标定 为最大水平主应力( σh，max ) ; 还有一个主应力，可能是 σ2 或 σ3 也比较接近于水平方向，当其倾角绝对值小 于 30°时，标注为最小水平主应力( σh，min ) ; 剩下的一个 主应力( σ2 或 σ3 ) 比较接近于垂直方向，当其倾角绝 对值大于 60°时，可以认为是近似垂直的，将其标定为 垂直主应力( σv ) ． 为了能得到可靠的研究结果，对收集到的地应力 数据进行质量评价及优化处理［26］． 将数据进行线性 拟合，以所得的拟合直线为中心，在其两侧作两条对称 的直线，使 95% 的数据落到两条对称线内侧，这部分 · 523 ·

·326 工程科学学报，第39卷，第3期 数据认为是有效的，落在对称线外侧的5%的数据，认 行分析，最终选取了165组（图1）有效数据作为地应 为偏离回归线较远，视为异常数据，则将其剔除，具 力统计分析样本.其中水压致裂数据16组，埋深范 体处理方式见图2.经过数据优化处理后，将低质 围为99~302m:应力解除数据149组，埋深范围为 量、低可靠性的数据删去，只采用较高质量的数据进 44~975m. o/MPa MPa 10 20 30 40 10 20 30 40 506070 ·应力解除数据 ·应力解除数据 ·水压致裂数据 ·水压致裂数据 200 200 0=0.0246140.6225 0am=0.03951+4.6905 (R2-0.6250 400 R-0.6222) 600 600 800 800 1000 1000 1200 1200 o/MPa 10 15202530354045 ·应力解除数据 200 ·水压致裂数据 90.0212H+1.5615 400 (R=0.6059 600 800 1000 1200 图2实测地应力数据优化 Fig.2 Optimized processing of measured in-situ stress data 2数据资料分析 的影响，导致地应力测量数据离散性也较大.有的离 散数据表明即使在同一地区相同埋深的情况下，垂直 2.1金属矿区地应力场特征分析 主应力也相差很大，这与地质因素有重要关系.对应 2.1.1垂直主应力随埋深变化 力解除法得到的垂直主应力数据与埋深的关系进行线 对于垂直主应力的测量数据，水压致裂法采用的 性回归，结果为 是二维测试系统，采用该方法实际上无法测量真实的 g,=0.0242H+0.5672,R=0.7153. (1) 垂直主应力，而应力解除法得到的是实测垂直主应力 式中：σ.为应力解除法得到的垂直主应力，MPa:H为 数据.因此，在研究垂直主应力随埋深分布规律时，将 深度，m 水压致裂法得到的数据与应力解除法得到的数据分开 σ，的相关系数超过了0.71，垂直主应力与埋深具 处理，鉴于水压致裂法测量数据很少，不作具体分析， 有一定的线性关系.式(1)中的应力变化梯度较小，而 利用应力解除法测得的垂直主应力数据来研究我国金 且还有一个较小常数项，这种偏差除可能与测量误差 属矿区的垂直主应力分布规律. 有关外，还可能与板块移动、岩浆活动、构造运动等地 垂直主应力的取值范围为1.19~34.52MPa,平均 质作用有关，这是地质因素及其他因素综合影响的结 为12.11MPa.从图3中可以看出垂直主应力整体上 果.采用地表值为0的约束回归方法（即常数项为0） 随着埋深增加而增大，具有明显的线性相关性，符合已 时，得到σ，随埋深变化的线性回归方程为 有的认识和规律.但由于国内各地区矿区地质条件 0.=0.0251H,R=0.7139. (2) (如地形地貌、断层、褶皱、构造运动和地下水)差异较 Brown和Hoek7统计得到的全球范围内垂直主 大，而且地应力测量不可避免地会受到矿山开采扰动 应力随埋深的变化规律为

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 数据认为是有效的，落在对称线外侧的 5% 的数据，认 为偏离回归线较远，视为异常数据，则将其剔除，具 体处理方 式 见 图 2． 经 过 数 据 优 化 处 理 后，将 低 质 量、低可靠性的数据删去，只采用较高质量的数据进 行分析，最终选取了 165 组( 图 1) 有效数据作为地应 力统计分析样本． 其中水压致裂数据 16 组，埋深范 围为 99 ～ 302 m; 应力解除数据 149 组，埋深范围为 44 ～ 975 m． 图 2 实测地应力数据优化 Fig． 2 Optimized processing of measured in-situ stress data 2 数据资料分析 2. 1 金属矿区地应力场特征分析 2. 1. 1 垂直主应力随埋深变化 对于垂直主应力的测量数据，水压致裂法采用的 是二维测试系统，采用该方法实际上无法测量真实的 垂直主应力，而应力解除法得到的是实测垂直主应力 数据． 因此，在研究垂直主应力随埋深分布规律时，将 水压致裂法得到的数据与应力解除法得到的数据分开 处理，鉴于水压致裂法测量数据很少，不作具体分析， 利用应力解除法测得的垂直主应力数据来研究我国金 属矿区的垂直主应力分布规律． 垂直主应力的取值范围为 1. 19 ～ 34. 52 MPa，平均 为 12. 11 MPa． 从图 3 中可以看出垂直主应力整体上 随着埋深增加而增大，具有明显的线性相关性，符合已 有的认识和规律． 但由于国内各地区矿区地质条件 ( 如地形地貌、断层、褶皱、构造运动和地下水) 差异较 大，而且地应力测量不可避免地会受到矿山开采扰动 的影响，导致地应力测量数据离散性也较大． 有的离 散数据表明即使在同一地区相同埋深的情况下，垂直 主应力也相差很大，这与地质因素有重要关系． 对应 力解除法得到的垂直主应力数据与埋深的关系进行线 性回归，结果为 σv = 0. 0242H + 0. 5672，Ｒ2 = 0. 7153． ( 1) 式中: σv 为应力解除法得到的垂直主应力，MPa; H 为 深度，m． σv 的相关系数超过了 0. 71，垂直主应力与埋深具 有一定的线性关系． 式( 1) 中的应力变化梯度较小，而 且还有一个较小常数项，这种偏差除可能与测量误差 有关外，还可能与板块移动、岩浆活动、构造运动等地 质作用有关，这是地质因素及其他因素综合影响的结 果． 采用地表值为 0 的约束回归方法( 即常数项为 0) 时，得到 σv 随埋深变化的线性回归方程为 σv = 0. 0251H，Ｒ2 = 0. 7139． ( 2) Brown 和 Hoek［7--8］统计得到的全球范围内垂直主 应力随埋深的变化规律为 · 623 ·

李鹏等：中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 ·327· o/MPa 平主应力，与平均水平主应力o…随埋深分布变 00 10 20 30 40 化规律如图4所示.图4表明，oa.ro,in与0.an数据 分布具有一定的离散性，总体上随埋深增加而增大，与 200 已有的结论一致.在埋深小于500m范围内，散点比较 400 集中分布在回归直线两边，而埋深超过500m以后，散 点相对离散，但仍分布在回归直线两侧，这可能与样本 600 数据相对较少和测量误差有关.比较图4(a)、(b)可 800 知，相同埋深下的O,m与O.相差较大，显示出很强 的方向性.我国不同地区金属矿山在相同埋深下水平 1000 应力有一定的差别，相差较小的几乎相等，相差较大的 1200 超过10MPa.最大水平主应力的取值范围为2.16~ 图3垂直主应力随埋深分布图 60.26MPa,平均为22.21MPa;最小水平主应力的取值 Fig.3 Distribution of vertical stress with depth 范围为1.66~28.90MPa,平均为10.85MPa;平均水平 主应力的取值范围为1.91~44.10MPa,平均为16.53 0,=0.027H. (3) MPa.对oh.mOh.O.a与埋深的关系进行了回归拟 式(2)与式(3)相比，我国金属矿区垂直主应力的 合，结果为 应力变化梯度略小于全球垂直主应力的应力变化梯 0m=0.0401H+4.2364,R2=0.7308, (4) 度，但我国金属矿区垂直地应力随埋深分布规律与全 0.mm=0.0209H+1.4960,R2=0.7293, (5) 球实测地应力随埋深分布规律基本一致.若取岩体平 0.m=0.0305H+2.8662,R2=0.7895. (6) 均密度为26.5kN·m3,我国金属矿区垂直主应力在 3个水平主应力回归方程的相关系数均大于 数值上基本等于或略小于上覆岩体重量 0.72,说明各水平主应力随埋深具有一定的线性关系. 2.1.2水平主应力随埋深变化 Anderson根据断层类型，将地应力划分为正断层应力 我国大陆金属矿区最大水平主应力o.、最小水 类型、逆断层应力类型和走滑断层应力类型3种.根 Cn/MPa m/MPa 20 10 20 3040 506070 0 10 20 30 40 200 200 400 400 600 是 600 5 800 800 :… 1000 1000 (b) 1200 1200 /MPa 00 10 20 30 40 50 200 400 E 600 800 1000 (c) 1200 图4水平主应力随埋深分布图 Fig.4 Distribution of the horizontal principal stress with depth

李 鹏等: 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 图 3 垂直主应力随埋深分布图 Fig． 3 Distribution of vertical stress with depth σv = 0. 027H． ( 3) 式( 2) 与式( 3) 相比，我国金属矿区垂直主应力的 应力变化梯度略小于全球垂直主应力的应力变化梯 度，但我国金属矿区垂直地应力随埋深分布规律与全 球实测地应力随埋深分布规律基本一致． 若取岩体平 均密度为 26. 5 kN·m － 3，我国金属矿区垂直主应力在 数值上基本等于或略小于上覆岩体重量． 图 4 水平主应力随埋深分布图 Fig． 4 Distribution of the horizontal principal stress with depth 2. 1. 2 水平主应力随埋深变化 我国大陆金属矿区最大水平主应力 σh，max、最小水 平主应力 σh，min与平均水平主应力 σh，av随埋深分布变 化规律如图 4 所示． 图 4 表明，σh，max、σh，min与 σh，av数据 分布具有一定的离散性，总体上随埋深增加而增大，与 已有的结论一致． 在埋深小于 500 m 范围内，散点比较 集中分布在回归直线两边，而埋深超过 500 m 以后，散 点相对离散，但仍分布在回归直线两侧，这可能与样本 数据相对较少和测量误差有关． 比较图 4( a) 、( b) 可 知，相同埋深下的 σh，max与 σh，min相差较大，显示出很强 的方向性． 我国不同地区金属矿山在相同埋深下水平 应力有一定的差别，相差较小的几乎相等，相差较大的 超过 10 MPa． 最大水平主应力的取值范围为 2. 16 ～ 60. 26 MPa，平均为 22. 21 MPa; 最小水平主应力的取值 范围为 1. 66 ～ 28. 90 MPa，平均为 10. 85 MPa; 平均水平 主应力的取值范围为 1. 91 ～ 44. 10 MPa，平均为 16. 53 MPa． 对 σh，max、σh，minσh，av与埋深的关系进行了回归拟 合，结果为 σh，max = 0. 0401H + 4. 2364，Ｒ2 = 0. 7308， ( 4) σh，min = 0. 0209H + 1. 4960，Ｒ2 = 0. 7293， ( 5) σh，av = 0. 0305H + 2. 8662，Ｒ2 = 0. 7895． ( 6) 3 个水平主应力回归方程的相关系数均大于 0. 72，说明各水平主应力随埋深具有一定的线性关系． Anderson 根据断层类型，将地应力划分为正断层应力 类型、逆断层应力类型和走滑断层应力类型 3 种． 根 · 723 ·