鄂尔多斯高原台地边缘地带地应力随钻测量与分布特征

谭乃根，杨仁树，谭卓英✉

1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083

1 问题的提出

工程场址位于内蒙古中南部，鄂尔多斯盆地西北缘，鄂尔多斯高原西南端，处于内蒙与宁夏接壤地带，地势呈南北脊型，分别向东南–西北倾斜，属二级阶梯鄂尔多斯高原西南台地边缘地带，最高点1564 m，最低点1160 m，东西长33.5 km，南北宽45.5 km.

该区属华北地层鄂尔多斯分区东胜–环县小区西缘，其西与鄂尔多斯西缘分区的马家滩–平凉小区相邻，各时代沉积建造特征与华北地台近于一致，第四系地层厚度2.55～212.85 m，平均厚24.97 m，工程最大开发深度1200 m，主要工程布置于500～1150 m 之间. 该区总体位于华北克拉通西部，南北地震带北段东侧，紧邻青藏高原东北缘，断层构造以南北向为主，受印度板块与欧亚板块碰撞的影响，鄂尔多斯盆地西南缘新构造活动强烈，地震频发，具有复杂多样的构造变形模式和活动特征[1-2]. 工程所在区域区块属于盆地西北缘，处于前陆冲断席，裂缝极为发育，裂缝段连续厚度普遍在20 m 以上，裂缝孔隙度平均值在1.3%以上[3]，是我国地震构造活动区之一，新构造活动较为强烈，地应力和高地压严重影响深部工程的安全.

大量研究和实践表明，地应力是引起各种地下工程岩体变形和破坏的内在作用力，准确掌握地应力是确定工程岩体力学属性和分析围岩稳定性，实现工程设计、施工、运营优化与安全的前提[4].随着深度的增大，地应力对工程的影响加剧. 在深部工程中，高地应力是地压发生最直接的力学原因，井巷变形、岩爆、塌方及冒顶等动力灾害除受岩性及开挖时空影响外，通常由地应力主导. 一般认为地应力随深度呈线性增长[5-6]. Brown 和Hoek[7]最早于1978 年对世界不同地区的地应力进行了统计分析，获得了平均水平应力与垂直应力比值随深度的变化关系；1992 年，Zoback[8]绘制了《世界应力图》，描述了岩石圈应力状态和全球应力场的基本格局. 随后，朱焕春和陶振宇[9]， 以及Fuchs 和Mukker[10]根据全球实测地应力数据，研究了全球地应力与埋深的分布规律；Stacey 和Wesseloo[11]对南非3000 m深内的地应力分布规律进行了统计，发现σH/σh（σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力）高达4 倍，深度为3500～5000 m 时，地应力达到95～135 MPa.谢富仁[12]研究了我国现代构造应力场基本特性与分区，杨树新等[6]在中国大陆地壳应力环境基础数据库的基础上，获得了我国大陆水平地应力量值与方位特征. 谢和平和冯夏庭[13]对地应力数据进行了统计分析，获得了不同深度范围水平主应力与垂直应力比值大致的变化区间，当深度小于500 m时，约50%的点大于1，最大比值接近5.0；当深度小于1000 m 时，σH/σv（σv为垂直应力）多为0.3～3.0，约43%的点大于1；当深度为1000～3000 m 时，σH/σv比值基本上为0.5～1.0；当深度大于3000 m 时，σH/σv比值变化范围为0.5～0.8；当深度到4 000 m 时，σH/σv减小到0.7. 显然，σH/σv随深度增大而降低，在深部逐渐以水平主应力为主导；随着深度的增大，地应力将逐渐进入静水压力状态. 目前，科学界对地应力分布的总体特征及规律已达成共识，但地应力局部的差异非常显著，且与区域构造及经纬度等有关，存在显著的地域差异. 蔡美峰等研究了我国局部地区的地应力分布规律及岩性对地应力的影响[14]，即使在同一区域，地应力大小、方向及分布也存在很大的分异性[15]，谭乃根等[16]研究了区域构造对地应力的影响，获得了主应力大小和方向随断层位置的变化规律.

台地边缘地带地质条件复杂，受印度–欧亚板块影响，青藏高原东南缘成为内外动力耦合作用最为显著的地区，具有显著的地形高差、强烈的板块活动和密集的深大断裂[17]，对工程区域有着复杂而重要的影响. 对于本深部工程而言，在面临高地应力、复杂地质构造及破碎岩体时，如何准确掌握工程区域地应力的分布特征与规律，对揭示井下动力地质灾害机理，优化地下工程设计、开采与灾害防护具有重要意义.

2 地应力测试方法

2.1 地应力测试方法选择

水压致裂法是设计阶段工程场址地应力测量最常用的方法. 近20 年来，我国水压致裂法的测试深度超过了1000 m，2006 年巨野煤田测深达到1104.90 m[4]，2015 年西科1A 井最大测深达1262 m[18].经过近20 年的发展，水压致裂法技术克服了因深度增大封隔器内外泥浆压力增大导致设备下放及提升困难、封隔器中心管难承受深孔高压力、模拟信号精度低及自动化程度低等瓶颈[4]. 葛修润和侯明勋[19]分析了钻孔地应力测量方法的局限性，提出了深部岩体地应力钻孔局部壁面应力全解除测量法，但现有地应力测量方法还存在根本性的缺陷，均需要先钻孔后测量，在钻孔结束与测量之间存在时间差. 在此时间差里，即使岩心录孔完整，钻孔也可能在之后发生变形甚至破坏，被认为完整的测点其实已经开裂破坏，测试过程中的破裂可能成为一种假裂，致使测试结果不准确.

在测试前采用钻孔电视对测点孔壁完整性进行检测，可提高测试准确度. 在巴西地下Cachoeira核矿山，Rocha 等[20]曾采用水压致裂法和声光摄影来获取原位应力，以确保开裂的真实性. 除此之外，钻孔热膨胀破裂试验（Borehole thermal spalling,BTS）用以确定巷道开挖时近场的最大主应力，Hakami 和Christiansson[21]、Jones 等[22]及Nopola 等[23]等通过声发射电视录孔（Acoustic televiewer logging, ATL）和光学录孔（Optical borehole logging, OBL）技术观测钻孔开裂，通过反分析确定主应力大小和方向.热胀法本质上与水压致裂原理相同，间隔一段时间重新加热，使裂纹再次开裂. 但是，热膨胀与水压致裂法存在以下共性问题：首先是当最大最小主应力差较大时钻孔破裂不一定发生；其次是钻孔通常会发生自然破裂且不易控制. Siren 等[24]认为热胀法的温度控制非常严格，热功率偏低不致裂，过高则造成钻孔所有方向破坏，难以确定应力方向；LeRiche 等[25]认为热膨胀法主要优势在确定应力方向，提出了一种声电视测量钻孔开裂结构，基于裂纹形态特征进行数值反分析的方法来确定应力大小和方向. 尽管声光电视录孔可以看到钻孔开裂情况，但由于传统的水压致裂法和热胀致裂法均属于先成孔后测量，容易造成钻孔变形、自然开裂和应力释放，因此这类滞后法很难从根本上保证裂纹是试验时发生还是自然发生，难以保证测量的准确性. 谭卓英等[26]提出了深部地应力随钻测试技术方法，该法运用弹性力学中厚壁圆筒理论，通过测试段（点）三个方向的应变测量，通过应力–应变关系反演原岩应力. 测试时将地应力测试系统随同钻探机的钻头与钻杆一起潜入孔内，在钻进过程中实现三维应力、钻孔倾斜和孔内温度的实时随钻测量，并通过孔内电视成像与声光录孔，可实时观测到钻孔开裂、扩展及伴随的声学事件，克服了传统深孔地应力测量方法存在先期应力释放的缺点，不受孔深、钻孔方式、时间以及钻孔变形、塌孔等的限制，在测试时能准确定位测试段并对测试过程进行监测，确保地应力测试结果的准确性，显著提高了测试效率并可实现沿钻孔的“连续”测量. 本试验采用随钻测试法，系统组成如图1 所示.

图1 地应力随钻测试系统的系统组成Fig.1 Composition of in-situ stress measurement while drilling system

通过原岩应力测量，确定开采范围内岩体应力大小和方向，根据地应力分布特征，结合岩体力学参数及工程地质条件，揭示勘探区地应力赋存规律，为工程开发中的井巷布置、断面选择及支护设计提供设计依据.

2.2 测试钻孔及测点分布

为了掌握地应力对井工设施及深部采矿工程的影响，本次试验在临近地面井工结构、工业场地及地下工程设计对应的地面位置附近，布置6 个垂直钻孔（B1～B6）进行原位应力测试. 该测试区东西长8.8～13.0 km，南北宽5.4～12 km，面积109 km2.试验中，利用千米地质钻探机TXB-1000A 及TXB-1600 进行取芯钻探，钻孔孔径为91 mm 及108 mm，钻进过程中采用套管和调整机位对孔斜纠偏，总偏斜率控制在1.0%以内. 测试段（点）以选择巷道、采场、井下设施硐室等空间工程及顶底板位置，并尽可能揭示断层对地应力的影响为原则进行布设. 在钻进过程中，通过声光电视对钻孔孔壁进行观测，在设计测点附近选择钻孔完整段进行测量，在测量过程中保持声光电视的持续观测，钻孔及测试段中心点位置分布如表1，其中Q+N 表示第四系和新近系地层.

表1 各测点沿钻孔深度的分布Table 1 Distribution of testing points along the borehole depth

3 勘探区地应力场与特征分析

3.1 地应力测试结果

各钻孔中最大水平主应力SH、最小水平主应力Sh及垂直主应力Sv的变化区间如表2. 钻孔测试结果表明，在700 m 深度范围内，最大水平主应力为25.94 MPa，各钻孔所测量的原地应力均随深度而呈线性增长，所测得的最大水平主应力方向为223.00°～269.00°，勘探区内地应力存在SH>Sv>Sh关系，表现为平移断层型应力状态.

表2 勘探区地应力测量结果Table 2 Results of in-situ stress test in the southwest margin of the Ordos Plateau

3.2 地应力场分布

从6 个试验钻孔可知，勘探区内钻孔所揭露的上覆表土层平均厚度为99.38 m，钻孔平均最大测深704.65 m. 勘探区钻孔测点地应力数据分布如图2. 通过对勘探区41 个测点主应力数据进行统计分析，获得工程场址区地应力场随深度变化的规律，其线性回归方程如下.

图2 勘探区地应力随深度的变化Fig.2 Change in the in-situ stress with depth in the southwest margin of the Ordos Plateau

式中：D为测点距地表深度，m；R2为线性拟合优度.

从图2 可知，各钻孔所测水平主应力SH、Sh及垂直应力Sv数据的汇聚性好，与拟合直线高度吻合，线性规律显著，且随深度有逐渐增大的趋势，反映了地应力随深度变化的普遍规律.

从所测应力状态模式来看，Sv普遍大于最小水平主应力Sh，且小于最大水平主应力SH，工程场址早期的构造地质调查表明，勘探区内断层倾角为46°～70°，表现为明显的平移型应力状态；其最大水平主应力方向为223.00°～269.00°. 从区域构造可知，勘探区位于紧邻西缘褶皱冲断带的天环拗陷西翼，由于所处西缘褶皱冲断带的前缘外带，属西缘褶皱冲断带推挤而成，构造应力场特征与西缘褶皱冲断带的特征近于一致，与中国大陆地区最大水平应力优势统计方向吻合[27]，也与大华北区水平主应力方向基本一致.

但与华北平原比较，勘探区受台地地形及区域构造等影响，最大最小水平主应力SH及Sh的值低于华北平原地区. 华北平原试验区地势自西向东倾斜，海拔高程为36～46 m，我们进行了7 个钻孔共37 个测点的超千米水压致裂地应力测试，测试区地应力如图3 所示.

图3 华北平原区测试区地应力随深度的变化关系Fig.3 Change in the in-situ stress with depth in the North China Plain area

地应力回归方程如下.

通过比较发现，在鄂尔多斯西南边缘地带水平地应力的增长梯度较小，SH及Sh比华北平原的地应力每百米分别降低了0.81 MPa 和0.82 MPa，这说明台地地形和区域构造等对西南边缘地带最大最小水平地应力的影响是相同的. 此外，平原区最大水平主应力方向为32.6°～110.6°，为NE 至ES 向，而高原区最大水平主应力方向为223.00°～269.00°，属NWW 至近EW 向，说明在鄂尔多斯高原西南边缘地带最大主应力虽然与大的方向基本一致，但受台地地形及构造影响向E 发生了偏转，偏转量为158.4°～190.4°.

3.3 地应力的变化特点

3.3.1 侧压系数随深度的变化

通常，把水平应力与垂直应力之比称为侧压系数. Brown 和Hoek[7]曾采用平均最大最小水平主应力Sa/Sv=(SH+Sh)/2Sv来研究水平应力的分布规律，但它仅反映了平均水平应力与垂直应力的情况. 由于侧压之间的关系不仅表征了总体应力的走向，而且还揭示了深地构造应力场的方向. 因此，为了揭示最大最小水平主应力存在的差异，在此采用SH/Sv及Sh/Sv来反映不同方向侧压的变化.在鄂尔多斯高原区，从表3 可知，Sa/Sv∈[0.83, 1.38]，而SH/Sv∈[1.04, 1.91]，Sh/Sv∈[0.62, 1.03]，不同方向的侧压系数存在显著差异. 勘探区各测试钻孔所揭露的侧压系数随深度的变化如图4，其中图例的No.1 及No.2 表示SH/Sh，SH/Sv，Sh/Sv及(SH+Sh)/2Sv相应的左右边界，仅表示位置.

表3 勘探区地应力特征分析结果Table 3 Results of geostress characteristics in the southwest margin of the Ordos Plateau

图4 鄂尔多斯高原西南边缘地带测试区地应力侧压系数随深度的变化Fig.4 Change in the geostress with depth in the southwest margin of the Ordos Plateau

中国大陆浅层地壳应力统计[28]表明，我国大陆SH/Sv及Sh/Sv值在浅部变化范围大，尤其是当埋深小于500 m 时，SH/Sv及Sh/Sv值最大分别达7.0和5.0；但随着埋深的增大，比值迅速减小，到4000 m埋深时，SH/Sv比值减小到稍大于1.0，Sh/Sv比值约减小到0.7. 显然，本次勘探区测试钻孔深度在700 m以浅，侧压系数处于我国大陆地区应力统计结果的低段区，而更趋于深部的情况. 这说明在鄂尔多斯高原西南边缘地带，水平构造应力减低了. 造成地应力降低的直接原因，可能与高原台地地形地貌有关. 在此区域，水平构造应力产生的挤压作用由于台地地形的变形约束减少，导致边缘地带应力通过位移而及时得以释放.

从我们在华北平原所进行的深部地应力测试结果来看（如表4），其Sa/Sv∈[1.06，1.86]，SH/Sv∈[1.22,2.32]，Sh/Sv∈[0.84, 1.41]，可见，在华北平原水压致裂法地应力测量结果与我国大陆地应力统计结果基本一致，但其平均最大最小水平主应力及其与垂直应力比值所反映的侧压系数均高于鄂尔多斯高原西南边缘地带的侧压系数. 其中，平均侧压系数、最大水平主应力侧压系数、最小水平主应力侧压系数分别高于西南边缘地带27.71%～34.78%、17.31%～21.47%和35.48%～36.89%. 从地应力场公式（1）～（5）可知，在地应力随深度增长的同时，最小水平主应力增长速度更快，最大水平主应力增长为23.55%，而最小水平主应力的增长为41.62%. 这说明随着深度的增大，最小水平主应力逐渐逼近最大水平主应力，达到一定深度后将出现静水压力状态.

表4 高原边缘地带与华北平原地区地应力变化Table 4 Variation in geostress in the southwest margin of the Ordos Plateau and North China Plain

3.3.2 最大最小水平主应力差随深度的变化

SH/Sh反映了最大最小水平主应力差异的相对变化，而SH–Sh则反映了二者的绝对差异. 从表4可知，在鄂尔多斯高原西南边缘地带，测试深度内SH/Sv的变化区间为[1.42, 2.23]，亦与我国大陆浅层地壳应力统计结果的低段区间相符，其差值（SH–Sh）∈ [0.74,12.13] MPa，说明两个水平主应力之间的差异大. 与华北平原区比较，高原边缘地区的SH/Sv值较低，地应力总体水平低于华北平原区. 对于深部地下工程而言，地质构造及岩体结构的复杂性随深度增强，断层、节理及裂隙发育，当岩体中差应力大并接近结构面抗剪强度时，将对工程岩体的稳定性产生很不利的影响. 因此，虽然鄂尔多斯西南边缘地带的应力水平低于华北平原地区，但由于水平地应力差异的增大，且水平主应力方向发生了较大的偏转. 因此，在规划设计深部工程井巷布置、施工及运营中更应关注工程布局的科学性以及由此产生的次生灾害.

4 讨论

通过对鄂尔多斯高原西南边缘地带典型区域深部地应力测试，分析了该边缘地带地应力随深度的变化特征，并与中国大陆地应力统计规律以及华北平原深部地应力测试结果进行了比较分析.通过这次研究，观测和发现了高原台地边缘地带应力随深度呈线性增长，应力关系遵循SH>Sv>Sh，最大水平主应力方向为NWW，与现今观测到的大陆地应力变化规律一致[4]；但台地边缘地带的侧压系数及最大最小水平应力差处于我国大陆地应力统计结果的低段区间；与华北平原区域相比，高原台地边缘地带应力总体水平及侧压系数较低. 其主要原因可能与高原西南边缘台地地形及区域地质构造有关，高原台地地形降低了变形和位移约束，有利于应力的释放，使得高原边缘地带的应力水平降低. 同时，由于地质构造和台地地形的影响，也致使地应力发生了一定程度的偏转. 这种偏转可能与较近的印度板块构造运动有直接关系.青藏高原在印度板块的撞击下，其东北缘与阿拉善块体及鄂尔多斯块体的相互作用，一方面两块体对东北缘的冲击具有限定作用；另一方面，在相互作用的啮合过程中使应力大小和方向发生改变.

另外，在中国大陆浅层地壳地应力统计结果中地应力偏高，原因是多方面的，但可能与地应力统计口径不统一有关. 其中，很多数据来自应力解除等方法，这些方法因为是在井下通达工程完成后或开采进行到一定程度后测量，测试位置受井巷及硐室等开挖影响较大；加之，采用应力解除等方法时测试深度要求不严格等原因，也将增大采动对地应力测量结果的影响，导致所测地应力值比水压致裂法偏高，方向也可能发生偏转.

从王斌等[1]在鄂尔多斯西南缘宁夏固原水压致裂地应力测试结果看，在测深128.50～282.40 m范围内，SH∈[3.99, 9.97] MPa，平均6.78 MPa，最大水平主应力方位N52°W～N75°W，平均为N59.17°W，钻孔的主应力关系为SH>Sv>Sh，水平应力起主导作用，鄂尔多斯地块西南缘现今水平主应力方位为NWW，虽然水平主应力相差不大，但固原较之试验区最大水平主应力明显向东（顺时针方向）发生了偏转，在之南的固原受印度板块构造的影响更为显著，这进一步说明离台地边缘越近影响越大. 但是，由于台地边缘地形的复杂性，台地侧向边缘构造运动的力学轨迹非常复杂，应力大小及方向偏转还有待深入研究.

5 结论

通过对鄂尔多斯高原台地西南边缘地带典型区域地应力测试与比较研究，得出以下结论：

（1） 地应力随深度呈线性增长，最小水平主应力随深度的增长速度高于最大水平主应力的增长速度，随着深度增大其差异性逐渐减小；

（2）高原台地西南边缘地带典型区域的最大最小水平主应力低于华北平原区，受区域构造及高原台地地形等的影响，地应力方向相较于华北平原区，向东发生了偏转，离台地边缘越近发生偏转越大；

（3）高原台地西南边缘地带最大最小水平主应力与垂直应力之比所反映的侧压系数低于华北平原区，但两个水平最大最小主应力的差异性高于华北平原区. 在该台地边缘地带进行地下工程设计时，应重点关注井巷工程的方向布置和低水平应力高应力差值带来的不利影响.