鄂爾多斯高原臺地邊緣地帶地應力隨鉆測量與分布特征

譚乃根，楊仁樹，譚卓英?

1) 北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083 2) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083

1 問題的提出

工程場址位于內蒙古中南部，鄂爾多斯盆地西北緣，鄂爾多斯高原西南端，處于內蒙與寧夏接壤地帶，地勢呈南北脊型，分別向東南–西北傾斜，屬二級階梯鄂爾多斯高原西南臺地邊緣地帶，最高點1564 m，最低點1160 m，東西長33.5 km，南北寬45.5 km.

該區屬華北地層鄂爾多斯分區東勝–環縣小區西緣，其西與鄂爾多斯西緣分區的馬家灘–平涼小區相鄰，各時代沉積建造特征與華北地臺近于一致，第四系地層厚度2.55～212.85 m，平均厚24.97 m，工程最大開發深度1200 m，主要工程布置于500～1150 m 之間. 該區總體位于華北克拉通西部，南北地震帶北段東側，緊鄰青藏高原東北緣，斷層構造以南北向為主，受印度板塊與歐亞板塊碰撞的影響，鄂爾多斯盆地西南緣新構造活動強烈，地震頻發，具有復雜多樣的構造變形模式和活動特征[1-2]. 工程所在區域區塊屬于盆地西北緣，處于前陸沖斷席，裂縫極為發育，裂縫段連續厚度普遍在20 m 以上，裂縫孔隙度平均值在1.3%以上[3]，是我國地震構造活動區之一，新構造活動較為強烈，地應力和高地壓嚴重影響深部工程的安全.

大量研究和實踐表明，地應力是引起各種地下工程巖體變形和破壞的內在作用力，準確掌握地應力是確定工程巖體力學屬性和分析圍巖穩定性，實現工程設計、施工、運營優化與安全的前提[4].隨著深度的增大，地應力對工程的影響加劇. 在深部工程中，高地應力是地壓發生最直接的力學原因，井巷變形、巖爆、塌方及冒頂等動力災害除受巖性及開挖時空影響外，通常由地應力主導. 一般認為地應力隨深度呈線性增長[5-6]. Brown 和Hoek[7]最早于1978 年對世界不同地區的地應力進行了統計分析，獲得了平均水平應力與垂直應力比值隨深度的變化關系；1992 年，Zoback[8]繪制了《世界應力圖》，描述了巖石圈應力狀態和全球應力場的基本格局. 隨后，朱煥春和陶振宇[9]， 以及Fuchs 和Mukker[10]根據全球實測地應力數據，研究了全球地應力與埋深的分布規律；Stacey 和Wesseloo[11]對南非3000 m深內的地應力分布規律進行了統計，發現σH/σh（σH為最大水平主應力，σh為最小水平主應力）高達4 倍，深度為3500～5000 m 時，地應力達到95～135 MPa.謝富仁[12]研究了我國現代構造應力場基本特性與分區，楊樹新等[6]在中國大陸地殼應力環境基礎數據庫的基礎上，獲得了我國大陸水平地應力量值與方位特征. 謝和平和馮夏庭[13]對地應力數據進行了統計分析，獲得了不同深度范圍水平主應力與垂直應力比值大致的變化區間，當深度小于500 m時，約50%的點大于1，最大比值接近5.0；當深度小于1000 m 時，σH/σv（σv為垂直應力）多為0.3～3.0，約43%的點大于1；當深度為1000～3000 m 時，σH/σv比值基本上為0.5～1.0；當深度大于3000 m 時，σH/σv比值變化范圍為0.5～0.8；當深度到4 000 m 時，σH/σv減小到0.7. 顯然，σH/σv隨深度增大而降低，在深部逐漸以水平主應力為主導；隨著深度的增大，地應力將逐漸進入靜水壓力狀態. 目前，科學界對地應力分布的總體特征及規律已達成共識，但地應力局部的差異非常顯著，且與區域構造及經緯度等有關，存在顯著的地域差異. 蔡美峰等研究了我國局部地區的地應力分布規律及巖性對地應力的影響[14]，即使在同一區域，地應力大小、方向及分布也存在很大的分異性[15]，譚乃根等[16]研究了區域構造對地應力的影響，獲得了主應力大小和方向隨斷層位置的變化規律.

臺地邊緣地帶地質條件復雜，受印度–歐亞板塊影響，青藏高原東南緣成為內外動力耦合作用最為顯著的地區，具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動和密集的深大斷裂[17]，對工程區域有著復雜而重要的影響. 對于本深部工程而言，在面臨高地應力、復雜地質構造及破碎巖體時，如何準確掌握工程區域地應力的分布特征與規律，對揭示井下動力地質災害機理，優化地下工程設計、開采與災害防護具有重要意義.

2 地應力測試方法

2.1 地應力測試方法選擇

水壓致裂法是設計階段工程場址地應力測量最常用的方法. 近20 年來，我國水壓致裂法的測試深度超過了1000 m，2006 年巨野煤田測深達到1104.90 m[4]，2015 年西科1A 井最大測深達1262 m[18].經過近20 年的發展，水壓致裂法技術克服了因深度增大封隔器內外泥漿壓力增大導致設備下放及提升困難、封隔器中心管難承受深孔高壓力、模擬信號精度低及自動化程度低等瓶頸[4]. 葛修潤和侯明勛[19]分析了鉆孔地應力測量方法的局限性，提出了深部巖體地應力鉆孔局部壁面應力全解除測量法，但現有地應力測量方法還存在根本性的缺陷，均需要先鉆孔后測量，在鉆孔結束與測量之間存在時間差. 在此時間差里，即使巖心錄孔完整，鉆孔也可能在之后發生變形甚至破壞，被認為完整的測點其實已經開裂破壞，測試過程中的破裂可能成為一種假裂，致使測試結果不準確.

在測試前采用鉆孔電視對測點孔壁完整性進行檢測，可提高測試準確度. 在巴西地下Cachoeira核礦山，Rocha 等[20]曾采用水壓致裂法和聲光攝影來獲取原位應力，以確保開裂的真實性. 除此之外，鉆孔熱膨脹破裂試驗（Borehole thermal spalling,BTS）用以確定巷道開挖時近場的最大主應力，Hakami 和Christiansson[21]、Jones 等[22]及Nopola 等[23]等通過聲發射電視錄孔（Acoustic televiewer logging, ATL）和光學錄孔（Optical borehole logging, OBL）技術觀測鉆孔開裂，通過反分析確定主應力大小和方向.熱脹法本質上與水壓致裂原理相同，間隔一段時間重新加熱，使裂紋再次開裂. 但是，熱膨脹與水壓致裂法存在以下共性問題：首先是當最大最小主應力差較大時鉆孔破裂不一定發生；其次是鉆孔通常會發生自然破裂且不易控制. Siren 等[24]認為熱脹法的溫度控制非常嚴格，熱功率偏低不致裂，過高則造成鉆孔所有方向破壞，難以確定應力方向；LeRiche 等[25]認為熱膨脹法主要優勢在確定應力方向，提出了一種聲電視測量鉆孔開裂結構，基于裂紋形態特征進行數值反分析的方法來確定應力大小和方向. 盡管聲光電視錄孔可以看到鉆孔開裂情況，但由于傳統的水壓致裂法和熱脹致裂法均屬于先成孔后測量，容易造成鉆孔變形、自然開裂和應力釋放，因此這類滯后法很難從根本上保證裂紋是試驗時發生還是自然發生，難以保證測量的準確性. 譚卓英等[26]提出了深部地應力隨鉆測試技術方法，該法運用彈性力學中厚壁圓筒理論，通過測試段（點）三個方向的應變測量，通過應力–應變關系反演原巖應力. 測試時將地應力測試系統隨同鉆探機的鉆頭與鉆桿一起潛入孔內，在鉆進過程中實現三維應力、鉆孔傾斜和孔內溫度的實時隨鉆測量，并通過孔內電視成像與聲光錄孔，可實時觀測到鉆孔開裂、擴展及伴隨的聲學事件，克服了傳統深孔地應力測量方法存在先期應力釋放的缺點，不受孔深、鉆孔方式、時間以及鉆孔變形、塌孔等的限制，在測試時能準確定位測試段并對測試過程進行監測，確保地應力測試結果的準確性，顯著提高了測試效率并可實現沿鉆孔的“連續”測量. 本試驗采用隨鉆測試法，系統組成如圖1 所示.

圖1 地應力隨鉆測試系統的系統組成Fig.1 Composition of in-situ stress measurement while drilling system

通過原巖應力測量，確定開采范圍內巖體應力大小和方向，根據地應力分布特征，結合巖體力學參數及工程地質條件，揭示勘探區地應力賦存規律，為工程開發中的井巷布置、斷面選擇及支護設計提供設計依據.

2.2 測試鉆孔及測點分布

為了掌握地應力對井工設施及深部采礦工程的影響，本次試驗在臨近地面井工結構、工業場地及地下工程設計對應的地面位置附近，布置6 個垂直鉆孔（B1～B6）進行原位應力測試. 該測試區東西長8.8～13.0 km，南北寬5.4～12 km，面積109 km2.試驗中，利用千米地質鉆探機TXB-1000A 及TXB-1600 進行取芯鉆探，鉆孔孔徑為91 mm 及108 mm，鉆進過程中采用套管和調整機位對孔斜糾偏，總偏斜率控制在1.0%以內. 測試段（點）以選擇巷道、采場、井下設施硐室等空間工程及頂底板位置，并盡可能揭示斷層對地應力的影響為原則進行布設. 在鉆進過程中，通過聲光電視對鉆孔孔壁進行觀測，在設計測點附近選擇鉆孔完整段進行測量，在測量過程中保持聲光電視的持續觀測，鉆孔及測試段中心點位置分布如表1，其中Q+N 表示第四系和新近系地層.

表1 各測點沿鉆孔深度的分布Table 1 Distribution of testing points along the borehole depth

3 勘探區地應力場與特征分析

3.1 地應力測試結果

各鉆孔中最大水平主應力SH、最小水平主應力Sh及垂直主應力Sv的變化區間如表2. 鉆孔測試結果表明，在700 m 深度范圍內，最大水平主應力為25.94 MPa，各鉆孔所測量的原地應力均隨深度而呈線性增長，所測得的最大水平主應力方向為223.00°～269.00°，勘探區內地應力存在SH>Sv>Sh關系，表現為平移斷層型應力狀態.

表2 勘探區地應力測量結果Table 2 Results of in-situ stress test in the southwest margin of the Ordos Plateau

3.2 地應力場分布

從6 個試驗鉆孔可知，勘探區內鉆孔所揭露的上覆表土層平均厚度為99.38 m，鉆孔平均最大測深704.65 m. 勘探區鉆孔測點地應力數據分布如圖2. 通過對勘探區41 個測點主應力數據進行統計分析，獲得工程場址區地應力場隨深度變化的規律，其線性回歸方程如下.

圖2 勘探區地應力隨深度的變化Fig.2 Change in the in-situ stress with depth in the southwest margin of the Ordos Plateau

式中：D為測點距地表深度，m；R2為線性擬合優度.

從圖2 可知，各鉆孔所測水平主應力SH、Sh及垂直應力Sv數據的匯聚性好，與擬合直線高度吻合，線性規律顯著，且隨深度有逐漸增大的趨勢，反映了地應力隨深度變化的普遍規律.

從所測應力狀態模式來看，Sv普遍大于最小水平主應力Sh，且小于最大水平主應力SH，工程場址早期的構造地質調查表明，勘探區內斷層傾角為46°～70°，表現為明顯的平移型應力狀態；其最大水平主應力方向為223.00°～269.00°. 從區域構造可知，勘探區位于緊鄰西緣褶皺沖斷帶的天環拗陷西翼，由于所處西緣褶皺沖斷帶的前緣外帶，屬西緣褶皺沖斷帶推擠而成，構造應力場特征與西緣褶皺沖斷帶的特征近于一致，與中國大陸地區最大水平應力優勢統計方向吻合[27]，也與大華北區水平主應力方向基本一致.

但與華北平原比較，勘探區受臺地地形及區域構造等影響，最大最小水平主應力SH及Sh的值低于華北平原地區. 華北平原試驗區地勢自西向東傾斜，海拔高程為36～46 m，我們進行了7 個鉆孔共37 個測點的超千米水壓致裂地應力測試，測試區地應力如圖3 所示.

圖3 華北平原區測試區地應力隨深度的變化關系Fig.3 Change in the in-situ stress with depth in the North China Plain area

地應力回歸方程如下.

通過比較發現，在鄂爾多斯西南邊緣地帶水平地應力的增長梯度較小，SH及Sh比華北平原的地應力每百米分別降低了0.81 MPa 和0.82 MPa，這說明臺地地形和區域構造等對西南邊緣地帶最大最小水平地應力的影響是相同的. 此外，平原區最大水平主應力方向為32.6°～110.6°，為NE 至ES 向，而高原區最大水平主應力方向為223.00°～269.00°，屬NWW 至近EW 向，說明在鄂爾多斯高原西南邊緣地帶最大主應力雖然與大的方向基本一致，但受臺地地形及構造影響向E 發生了偏轉，偏轉量為158.4°～190.4°.

3.3 地應力的變化特點

3.3.1 側壓系數隨深度的變化

通常，把水平應力與垂直應力之比稱為側壓系數. Brown 和Hoek[7]曾采用平均最大最小水平主應力Sa/Sv=(SH+Sh)/2Sv來研究水平應力的分布規律，但它僅反映了平均水平應力與垂直應力的情況. 由于側壓之間的關系不僅表征了總體應力的走向，而且還揭示了深地構造應力場的方向. 因此，為了揭示最大最小水平主應力存在的差異，在此采用SH/Sv及Sh/Sv來反映不同方向側壓的變化.在鄂爾多斯高原區，從表3 可知，Sa/Sv∈[0.83, 1.38]，而SH/Sv∈[1.04, 1.91]，Sh/Sv∈[0.62, 1.03]，不同方向的側壓系數存在顯著差異. 勘探區各測試鉆孔所揭露的側壓系數隨深度的變化如圖4，其中圖例的No.1 及No.2 表示SH/Sh，SH/Sv，Sh/Sv及(SH+Sh)/2Sv相應的左右邊界，僅表示位置.

表3 勘探區地應力特征分析結果Table 3 Results of geostress characteristics in the southwest margin of the Ordos Plateau

圖4 鄂爾多斯高原西南邊緣地帶測試區地應力側壓系數隨深度的變化Fig.4 Change in the geostress with depth in the southwest margin of the Ordos Plateau

中國大陸淺層地殼應力統計[28]表明，我國大陸SH/Sv及Sh/Sv值在淺部變化范圍大，尤其是當埋深小于500 m 時，SH/Sv及Sh/Sv值最大分別達7.0和5.0；但隨著埋深的增大，比值迅速減小，到4000 m埋深時，SH/Sv比值減小到稍大于1.0，Sh/Sv比值約減小到0.7. 顯然，本次勘探區測試鉆孔深度在700 m以淺，側壓系數處于我國大陸地區應力統計結果的低段區，而更趨于深部的情況. 這說明在鄂爾多斯高原西南邊緣地帶，水平構造應力減低了. 造成地應力降低的直接原因，可能與高原臺地地形地貌有關. 在此區域，水平構造應力產生的擠壓作用由于臺地地形的變形約束減少，導致邊緣地帶應力通過位移而及時得以釋放.

從我們在華北平原所進行的深部地應力測試結果來看（如表4），其Sa/Sv∈[1.06，1.86]，SH/Sv∈[1.22,2.32]，Sh/Sv∈[0.84, 1.41]，可見，在華北平原水壓致裂法地應力測量結果與我國大陸地應力統計結果基本一致，但其平均最大最小水平主應力及其與垂直應力比值所反映的側壓系數均高于鄂爾多斯高原西南邊緣地帶的側壓系數. 其中，平均側壓系數、最大水平主應力側壓系數、最小水平主應力側壓系數分別高于西南邊緣地帶27.71%～34.78%、17.31%～21.47%和35.48%～36.89%. 從地應力場公式（1）～（5）可知，在地應力隨深度增長的同時，最小水平主應力增長速度更快，最大水平主應力增長為23.55%，而最小水平主應力的增長為41.62%. 這說明隨著深度的增大，最小水平主應力逐漸逼近最大水平主應力，達到一定深度后將出現靜水壓力狀態.

表4 高原邊緣地帶與華北平原地區地應力變化Table 4 Variation in geostress in the southwest margin of the Ordos Plateau and North China Plain

3.3.2 最大最小水平主應力差隨深度的變化

SH/Sh反映了最大最小水平主應力差異的相對變化，而SH–Sh則反映了二者的絕對差異. 從表4可知，在鄂爾多斯高原西南邊緣地帶，測試深度內SH/Sv的變化區間為[1.42, 2.23]，亦與我國大陸淺層地殼應力統計結果的低段區間相符，其差值（SH–Sh）∈ [0.74,12.13] MPa，說明兩個水平主應力之間的差異大. 與華北平原區比較，高原邊緣地區的SH/Sv值較低，地應力總體水平低于華北平原區. 對于深部地下工程而言，地質構造及巖體結構的復雜性隨深度增強，斷層、節理及裂隙發育，當巖體中差應力大并接近結構面抗剪強度時，將對工程巖體的穩定性產生很不利的影響. 因此，雖然鄂爾多斯西南邊緣地帶的應力水平低于華北平原地區，但由于水平地應力差異的增大，且水平主應力方向發生了較大的偏轉. 因此，在規劃設計深部工程井巷布置、施工及運營中更應關注工程布局的科學性以及由此產生的次生災害.

4 討論

通過對鄂爾多斯高原西南邊緣地帶典型區域深部地應力測試，分析了該邊緣地帶地應力隨深度的變化特征，并與中國大陸地應力統計規律以及華北平原深部地應力測試結果進行了比較分析.通過這次研究，觀測和發現了高原臺地邊緣地帶應力隨深度呈線性增長，應力關系遵循SH>Sv>Sh，最大水平主應力方向為NWW，與現今觀測到的大陸地應力變化規律一致[4]；但臺地邊緣地帶的側壓系數及最大最小水平應力差處于我國大陸地應力統計結果的低段區間；與華北平原區域相比，高原臺地邊緣地帶應力總體水平及側壓系數較低. 其主要原因可能與高原西南邊緣臺地地形及區域地質構造有關，高原臺地地形降低了變形和位移約束，有利于應力的釋放，使得高原邊緣地帶的應力水平降低. 同時，由于地質構造和臺地地形的影響，也致使地應力發生了一定程度的偏轉. 這種偏轉可能與較近的印度板塊構造運動有直接關系.青藏高原在印度板塊的撞擊下，其東北緣與阿拉善塊體及鄂爾多斯塊體的相互作用，一方面兩塊體對東北緣的沖擊具有限定作用；另一方面，在相互作用的嚙合過程中使應力大小和方向發生改變.

另外，在中國大陸淺層地殼地應力統計結果中地應力偏高，原因是多方面的，但可能與地應力統計口徑不統一有關. 其中，很多數據來自應力解除等方法，這些方法因為是在井下通達工程完成后或開采進行到一定程度后測量，測試位置受井巷及硐室等開挖影響較大；加之，采用應力解除等方法時測試深度要求不嚴格等原因，也將增大采動對地應力測量結果的影響，導致所測地應力值比水壓致裂法偏高，方向也可能發生偏轉.

從王斌等[1]在鄂爾多斯西南緣寧夏固原水壓致裂地應力測試結果看，在測深128.50～282.40 m范圍內，SH∈[3.99, 9.97] MPa，平均6.78 MPa，最大水平主應力方位N52°W～N75°W，平均為N59.17°W，鉆孔的主應力關系為SH>Sv>Sh，水平應力起主導作用，鄂爾多斯地塊西南緣現今水平主應力方位為NWW，雖然水平主應力相差不大，但固原較之試驗區最大水平主應力明顯向東（順時針方向）發生了偏轉，在之南的固原受印度板塊構造的影響更為顯著，這進一步說明離臺地邊緣越近影響越大. 但是，由于臺地邊緣地形的復雜性，臺地側向邊緣構造運動的力學軌跡非常復雜，應力大小及方向偏轉還有待深入研究.

5 結論

通過對鄂爾多斯高原臺地西南邊緣地帶典型區域地應力測試與比較研究，得出以下結論：

（1） 地應力隨深度呈線性增長，最小水平主應力隨深度的增長速度高于最大水平主應力的增長速度，隨著深度增大其差異性逐漸減??；

（2）高原臺地西南邊緣地帶典型區域的最大最小水平主應力低于華北平原區，受區域構造及高原臺地地形等的影響，地應力方向相較于華北平原區，向東發生了偏轉，離臺地邊緣越近發生偏轉越大；

（3）高原臺地西南邊緣地帶最大最小水平主應力與垂直應力之比所反映的側壓系數低于華北平原區，但兩個水平最大最小主應力的差異性高于華北平原區. 在該臺地邊緣地帶進行地下工程設計時，應重點關注井巷工程的方向布置和低水平應力高應力差值帶來的不利影響.