·328 工程科学学报，第39卷，第3期 据式(1)、(4)和(5)理论计算可得，44<H<281m时， 化趋势.△σ整体上随埋深是增长的，这可能与岩石的 3个主应力的大小关系表现为0m>.m>0,属逆 弹性模量、强度随埋深的增大有关 断型应力状态，有利于逆断层的发育活动：281<H< △o/MPa 975m时，3个主应力的大小关系表现为0，s>0,> 00 20 30 % o,,属走滑型应力状态，有利于走滑断层的发育活 200 动.统计埋深范围内，应力状态的转变，反映出深部地 下岩体、断裂构造等所处的力学环境发生了一定变化. 400 比较式(1)、(4)和(5)可知，o.m的应力变化梯度 600 (0.0401)最大，g,的应力变化梯度略大于o.的，表 明在1000m左右的埋深范围内，o.m随埋深的增加速 800 度较大，最大水平主应力在地应力变化中起主导作用. 1000 式(4)中的数值大于1的常数项比式(1)中的常数项 大，表明我国大陆金属矿山地区地壳中存在较大水平 1200 应力的事实，这与水平方向的构造运动（板块移动、碰 图5△σ随埋深分布图 撞等)密切相关 Fig.5 Distribution of Ao with depth 王连捷等m给出了中国大陆科学钻主孔S(最 经统计得，△σ最小值为0.50MPa,最大值为 大水平主应力)、S,(最小水平主应力)随深度变化的 33.80MPa,平均为11.37MPa.在埋深介于44~200m 回归结果： 时的△w平均值约为4.41MPa,200~500m埋深段的 S=0.031H+5.5, (7) △σ平均值约为9.45MPa,埋深大于500m时的△o平 S=0.0229H+2.5. (8) 均值约为l6.01MPa.可以看出，△o在以上埋深段近 将式(4)、(5)与式(7)、(8)对比可知，二者最大 似以2倍的速度增加.当埋深较大时，过大的△σ值可 水平主应力的应力变化梯度相差较大，约为22.7%， 能导致岩体内形成较大的剪应力，岩体将发生断裂，容 而最小水平主应力相对应的应力变化梯度非常接近， 易形成断层、节理等构造，严重影响井下巷道及采场的 式(4)、(5)中的常数项均相对较小.可以看出，我国 安全.尤其是在深部地区，应当引起重视，高水平应力 大陆金属矿区水平主应力与我国大陆科学钻主孔水平 以及高差应力可能导致不良结构面、岩体的变形破坏. 主应力的变化情况大体一致.又将本次计算结果与前 对于矿山自身，围岩内高的差应力会引起岩体储存能 人统计结果相比，发现地应力变化趋势基本相符，但在 量的变化，并有可能引发岩石片帮、顶板冒落，甚至岩 应力变化梯度和常数项值上存在一些差异，这可能是 爆等灾害，对地下采矿工程的稳定性有很不利的影响. 由于回归计算使用的数据量、统计深度范围不同及回 在金属矿山开采中常会遇到岩爆等工程灾害，这 归结果中包含有影响地应力的开采扰动因素等原因造 对井下设施及人员安全构成严重的威胁.随着开采深 成的，但也可能表明我国大陆金属矿区地应力场特征 度的增加，大范围岩体分区破裂化和岩爆事故等的出 确实具有其自身的特殊性. 现更加频繁.金属矿山的矿岩基本都属于硬岩岩 2.1.3最大与最小水平主应力之差随埋深变化 性，深部岩体在高应力的作用下，会在岩体内部积聚大 最大与最小水平主应力之差△o(△o=0.m- 量的变形能，在一定的诱发条件下，如果岩体内积累的 o,)与岩体中的剪应力密切相关，其在一定程度上 变形能以动能的形式突然释放出来，容易引发岩爆. 可以反映井下岩体是否处于稳定状态.△σ值较大时， 深部岩体所处的应力构造环境更容易在巷道、采空区 岩体承受的剪应力往往也较大，则发生剪切破坏的可 等临空面形成高的差应力，有研究认为，岩体中的高应 能性也较大，较高的差应力是影响井下围岩稳定的重 力尤其是高的差应力也是岩爆发生的必要条件网 要因素.本文给出了△σ随埋深的分布变化规律，如 2.1.4侧压系数随埋深变化 图5所示.图5表明，△σ随埋深分布整体离散性比较 目前，在研究地应力场时通常用两个水平应力与 大，在埋深小于500m时数据较为集中，超过500m后， 垂直主应力的比值（即侧压系数）来描述地下某点的 离散性变大.对△σ随埋深的变化进行回归分析，回 应力状态和地应力随埋深的变化规律，这种方法已被 归拟合结果为 国内外学者所认可，具有一定的合理性.式(10)便是 △o=0.0192H+2.7404. (9) 世界不同地区侧压系数随深度的变化范围，为研究侧 根据式(9)，△σ大致随埋深的增加有增大的趋 压系数与埋深的关系提供了基本判据.本文主要研究 势，存在一定的线性关系，但规律性并不十分显著.本 最大水平主应力与垂直主应力之比(K.)、最小水平 文对其进行回归分析，主要是为了解△σ随埋深的变 主应力与垂直主应力之比(K.)）、平均水平应力与垂工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 据式( 1) 、( 4) 和( 5) 理论计算可得，44 ＜ H ＜ 281 m 时， 3 个主应力的大小关系表现为 σh，max ＞ σh，min ＞ σv，属逆 断型应力状态，有利于逆断层的发育活动; 281 ＜ H ＜ 975 m 时，3 个主应力的大小关系表现为 σh，max ＞ σv ＞ σh，min，属走滑型应力状态，有利于走滑断层的发育活 动． 统计埋深范围内，应力状态的转变，反映出深部地 下岩体、断裂构造等所处的力学环境发生了一定变化． 比较式( 1) 、( 4) 和( 5 ) 可 知，σh，max 的应力变化梯度 ( 0. 0401) 最大，σv 的应力变化梯度略大于 σh，min的，表 明在 1000 m 左右的埋深范围内，σh，max随埋深的增加速 度较大，最大水平主应力在地应力变化中起主导作用． 式( 4) 中的数值大于 1 的常数项比式( 1) 中的常数项 大，表明我国大陆金属矿山地区地壳中存在较大水平 应力的事实，这与水平方向的构造运动( 板块移动、碰 撞等) 密切相关． 王连捷等［27］给出了中国大陆科学钻主孔 SH ( 最 大水平主应力) 、Sh ( 最小水平主应力) 随深度变化的 回归结果: SH = 0. 031H + 5. 5， ( 7) Sh = 0. 0229H + 2. 5． ( 8) 将式( 4) 、( 5) 与式( 7) 、( 8) 对比可知，二者最大 水平主应力的应力变化梯度相差较大，约为 22. 7% ， 而最小水平主应力相对应的应力变化梯度非常接近， 式( 4) 、( 5) 中的常数项均相对较小． 可以看出，我国 大陆金属矿区水平主应力与我国大陆科学钻主孔水平 主应力的变化情况大体一致． 又将本次计算结果与前 人统计结果相比，发现地应力变化趋势基本相符，但在 应力变化梯度和常数项值上存在一些差异，这可能是 由于回归计算使用的数据量、统计深度范围不同及回 归结果中包含有影响地应力的开采扰动因素等原因造 成的，但也可能表明我国大陆金属矿区地应力场特征 确实具有其自身的特殊性． 2. 1. 3 最大与最小水平主应力之差随埋深变化 最大与最小水平主应力之差 Δσ( Δσ = σh，max － σh，min ) 与岩体中的剪应力密切相关，其在一定程度上 可以反映井下岩体是否处于稳定状态． Δσ 值较大时， 岩体承受的剪应力往往也较大，则发生剪切破坏的可 能性也较大，较高的差应力是影响井下围岩稳定的重 要因素． 本文给出了 Δσ 随埋深的分布变化规律，如 图 5 所示． 图 5 表明，Δσ 随埋深分布整体离散性比较 大，在埋深小于 500 m 时数据较为集中，超过 500 m 后， 离散性变大． 对 Δσ 随埋深的变化进行回归分析，回 归拟合结果为 Δσ = 0. 0192H + 2. 7404． ( 9) 根据式( 9) ，Δσ 大致随埋深的增加有增大的趋 势，存在一定的线性关系，但规律性并不十分显著． 本 文对其进行回归分析，主要是为了解 Δσ 随埋深的变 化趋势． Δσ 整体上随埋深是增长的，这可能与岩石的 弹性模量、强度随埋深的增大有关． 图 5 Δσ 随埋深分布图 Fig． 5 Distribution of Δσ with depth 经统 计 得，Δσ 最 小 值 为 0. 50 MPa，最 大 值 为 33. 80 MPa，平均为 11. 37 MPa． 在埋深介于 44 ～ 200 m 时的 Δσ 平均值约为 4. 41 MPa，200 ～ 500 m 埋深段的 Δσ 平均值约为 9. 45 MPa，埋深大于 500 m 时的 Δσ 平 均值约为 16. 01 MPa． 可以看出，Δσ 在以上埋深段近 似以 2 倍的速度增加． 当埋深较大时，过大的 Δσ 值可 能导致岩体内形成较大的剪应力，岩体将发生断裂，容 易形成断层、节理等构造，严重影响井下巷道及采场的 安全． 尤其是在深部地区，应当引起重视，高水平应力 以及高差应力可能导致不良结构面、岩体的变形破坏． 对于矿山自身，围岩内高的差应力会引起岩体储存能 量的变化，并有可能引发岩石片帮、顶板冒落，甚至岩 爆等灾害，对地下采矿工程的稳定性有很不利的影响． 在金属矿山开采中常会遇到岩爆等工程灾害，这 对井下设施及人员安全构成严重的威胁． 随着开采深 度的增加，大范围岩体分区破裂化和岩爆事故等的出 现更加频繁［28］． 金属矿山的矿岩基本都属于硬岩岩 性，深部岩体在高应力的作用下，会在岩体内部积聚大 量的变形能，在一定的诱发条件下，如果岩体内积累的 变形能以动能的形式突然释放出来，容易引发岩爆． 深部岩体所处的应力构造环境更容易在巷道、采空区 等临空面形成高的差应力，有研究认为，岩体中的高应 力尤其是高的差应力也是岩爆发生的必要条件［29］． 2. 1. 4 侧压系数随埋深变化 目前，在研究地应力场时通常用两个水平应力与 垂直主应力的比值( 即侧压系数) 来描述地下某点的 应力状态和地应力随埋深的变化规律，这种方法已被 国内外学者所认可，具有一定的合理性． 式( 10) 便是 世界不同地区侧压系数随深度的变化范围，为研究侧 压系数与埋深的关系提供了基本判据． 本文主要研究 最大水平主应力与垂直主应力之比( Kh，max ) 、最小水平 主应力与垂直主应力之比( Kh，min ) 、平均水平应力与垂 · 823 ·