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【摘 要】 地应力从整体上讲，是地壳内单位面积上地壳自身产生的作用力，是引起采矿、水利水电、土木建筑、道路和各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力；为了在建设过程中及时掌握了解普朗铜矿岩体力学性质，准确提供给设计院正确的参数，保证设计的科学性，普朗铜矿开展了岩体构造及地应力分布情况研究；通过研究详细测量记录掌握了矿区岩体在不断受到扰动后应力变化及发展规律，总结了分析去变化规律，指导了矿山工程设计。
【关键词】 地应力测量；地应力变化；构造面；临空面；抗剪强度
1引言
地应力从整体上讲，是地壳内单位面积上地壳自身产生的作用力，是引起采矿、水利水电、土木建筑、道路和各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，地应力按开挖前后划分，可以划分为初始应力和次生应力。【1，2】科学准确的地应力测量是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程决策、设计和开挖科学化的必要前提。尤其在地下采矿工程中，无论是区域稳定性还是井巷、采场的稳定性问题都与地应力场（包括构造应力场和自重应力场）及其衍生物——各种构造形迹密切相关，因此地应力的研究应用在矿山的开发建设中具有重要的理论和实用价值，对矿山工程设计具有一定的指导意义。
2地应力研究在普朗铜矿的前期应用
2.1普朗铜矿地质概况
普朗铜矿位于云南省西北部迪庆藏族自治州香格里拉县北东部，位于青藏高原东南缘、滇西北横断山脉东北部。地貌属高山峡谷区，最高海拔4702m，最低3450m，一般3600～4500m，相对高差达300～1300m。【3】地处甘孜-理塘结合带西侧，德格-中甸陆块东缘，印支期义敦-中甸岛弧带南段。总体构造呈北北西向展布，区内构造总体上为红山复式背斜，由一系列北北西向紧密线性褶皱和同向断裂组成。构造活动强烈，断裂、褶皱发育。
一系列北西向紧密线性褶皱和同向断裂是控制沉积建造、变质作用、岩浆活动及其有关矿产的主要构造，次级同向断裂及东西向断层则为容岩（矿）构造。晚期发育规模较小的北东向断层，切错了早期断裂及褶皱。矿区位于普朗向斜东翼，矿区构造与区域构造线方向一致。
（1）褶皱
矿区域内断裂、褶皺发育，由一系列北西向紧密线性褶皱和同向断裂组成，是控制沉积建造、变质作用、岩浆活动及其有关矿产的主要构造，而次级同向断裂及东西向断层则为容岩（矿）构造，晚期发育规模较小的北东向断层，切错了早期断裂及褶皱。
区内大型褶皱为红山复式背斜、翁水复式向斜。普朗向斜、热绒背斜属于红山复式背斜的主要次级褶皱。
（2）断裂
北北西向格咱断裂等为主干断裂，具长期、继承性活动的特征，属导岩、导矿断裂。次一级北西向断裂及东西向断层发育，以逆冲-平移断层为主。属切穿中生界地层的印支-喜马拉雅期浅表脆性断层，为容矿或破矿断裂。
（3）节理（裂隙）
受岩体多次侵位及断裂构造长期活动的影响，在岩体内或断裂的两旁发育密集的节理裂隙。这些密集节理组成的裂隙带为含矿热液提供了良好的导矿和储矿空间。
岩体内，尤其矿化体内各种方向裂隙均有发育，但不同地段不同裂隙组的发育程度各异。总体来看以陡倾角者（67°～85°）居多。裂隙宽一般均小于2mm，少数5mm以上，个别达10mm。延伸长度多在0.1～2.0m之间，少数大于2m。含矿裂隙多呈相互交错穿插的网脉状产出。裂隙主要集中在含矿斑岩体中心部位，裂隙频率多为10条/m，最高50条/m以上。由岩体中心向外裂隙逐渐减少。裂隙常被一种或几种矿物充填。充填物有石英、黑云母、绢云母、碳酸盐、钾长石、金属硫化物等。
裂隙的成因类型包括断裂派生的剪切裂隙和羽状裂隙，与穹窿构造伴生成的“X”共轭剪裂隙、雁行式裂隙，与岩浆活动、成岩作用有关的冷缩裂隙、次生裂隙。另外，地表附近由于风化剥蚀形成次生节理，常常呈脉状、网脉状，向深部逐渐消失。
（4）线性和环状构造
区内线性构造发育，总体可归纳为南北、北西、北东及东西向四个方向组。南北向组线性构造多为束带状，带内多透镜状构造块体。延伸长而规模大，常纵贯全区，是区内的主体构造。北东向组线性构造细而平直，分布相对集中，形成范围宽大的线性构造密集带。东西向组多为断续状线性体群，叠置于上述方向组之上。
在遥感影像上，格咱岛弧带为一环状构造发育带。包括普朗对环、雪鸡坪同心多层套叠环、红山卫星式套叠环在内，共发育有十余个环状构造。环状构造成因以构造岩浆隆起型为主，少数属构造破碎带热液环群。环直径多为6～10km。环形构造展布与上三叠统安山岩、闪长玢岩体排列吻合。
与岩浆侵入活动有关的铜多金属矿也与线-环构造关系密切。矿床（点）分别位于各种成因类型环形构造内。本区印支期斑（玢）岩铜多金属成矿带出现于“入”字型主干线性构造旁侧复式线-环（块）构造叠切带。
2.2普朗铜矿建设方案
根据普朗铜矿矿岩性质、矿体赋存和矿床开采技术条件，普朗铜矿在项目可行性研究中初步选定露天与地下联合开采方案，地下开采采用自然崩落法。一期首采中段3720m以上矿体自然崩落法采用单中段回采全面连续崩落方案，矿体最大崩落高度为325m，平均崩落高度215m。
矿体初始崩落区选择位于品位较高的矿体中间位置，采用菱形推进方式向四周推进。
2.3普朗铜矿地应力测量概况
为了在建设过程中及时掌握了解普朗铜矿岩体力学性质，准确提供给设计院正确的参数，保证设计的科学性，普朗铜矿与2007年开始与中南大学合作研究普朗铜矿的岩体构造及地应力分布情况，先后完成钻孔岩芯节理、裂隙调查6个孔计1782.55m；钻孔水文、工程地质编录5个孔计1587.20m，坑道岩体构造调查2个（3900单壁，3720西沿WG09～WG53点），地应力测试6次。 测量地点的选取，是根据普朗铜矿探矿坑道的实际岩石状况，在工程地质调查的基础上，结合现场施工条件，确定在普朗铜矿3720m，和3450m两个中段选择6个测点对矿区的地应力场的变化及分布规律进行测试研究，其中以首采中段3720m中段作为研究重点，布置了4个测点，在3450m中段布置2个测点。6个测点均布置在新鲜的岩体和矿体中。测点的选择基本上避开了巷道和采场的弯、叉、拐等应力集中区以及断层、岩石破碎带、断裂发育带，同时测点尽量远离大的采空区和洞室。
2.4普朗铜矿地应力测量结果
通过对以上6个点测量的计算得到如下结果：
（1）矿区的水平应力存在明显的方向性，六个测点东西向的水平应力分量均大于南北向应力分量，最大水平主应力是最小水平主应力的1.42～2.29倍；
（2）所测区域范围内的水平最大主应力与垂直应力之比（称为侧压系数），较为平均（除6#测点外，可能与该点附近隐含的特殊地质构造有关），比值在2左右波动，这与我国大陆区域地压的侧压力系数分布规律基本相一致。
（3）所有测点均表现出水平应力分量大于垂直应力分量的特征，说明该区域总体上以水平构造应力为主；但量值上总体都不算大，仍属于中等应力状态。
（4）在3540m中段的5、6号测点的应力分量中存在较大的剪应力。
3地应力研究在普朗铜矿建设中的应用原理
在一般矿山的生产建设中，目前计算岩石中应力的方法仍采用弹性理论公式，将岩石视作均匀的、连续的、各向同性的半无限体，这种假定同岩石的实际情况有差别，但因一般矿山的采矿方法中，对矿体岩石的崩落是采用人为的外力作用对岩石进行破坏，即基本不考虑岩石的内力对岩体的作用，只考虑岩石的基本强度，在多大的外力作用可以使其破碎崩落，所以其计算结果尚能满足实际工程的要求。但普朗铜矿采用的是自然崩落法采矿，自然崩落法是一种依靠岩体内部的自然力即地压来破坏各种结构面之间的岩桥，使岩块与岩体分离并在重力作用下自然落矿的低成本高效率的采矿方法。其力学机理是通过矿块底部的拉底工程（有时辅以诱导崩落工程）引起岩体内部应力产生变化，促使岩体内各种软弱结构面（如斷层、节理、层理等）将岩体切割成岩块，并在重力作用下自然崩落而达到采矿的目的。这样，岩石具有明显的各向异性和非线性特征的重要性就凸现出来了。
由于岩体中存在的各种地质界面（结构面），造成了岩体的非均匀性及各向异性，同时，各种结构面对岩石的分割，导致岩体内应力的分布不一致不连续，局部的应力集中是岩体受到破坏和不稳定的关键因素。在对岩体的内应力的研究中得知，在外荷载作用下，岩体中将产生剪应力和剪切变形，当岩石中某点由外力所产生的剪应力达到岩石的抗剪强度时，岩石就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。工程实践和室内试验都证实了岩石是由于受剪而产生破坏，剪切破坏是岩石强度破坏的重要特点。
按照莫尔-库仑理论，岩体的破坏通常是由于剪切破坏引起的，即当岩体中某点的任一平面上的剪应力达到岩石的抗剪强度时，就认为该点已发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。这种强度理论称为摩尔—库仑强度理论。
上述的抗剪强度数学表达式，也称为库仑定律，它表明在一般应力水平下，岩石的抗剪强度与滑动面上的法向应力之间呈直线关系。因此，岩石的强度问题实质上就是岩石的抗剪强度问题。而在岩体中，由于岩石的成因不同成岩时间不同，造成了岩石自身的密度强度的差异性，再加上在长久的地壳活动中，在应力的不断聚集释放的过程中，在岩体内形成了无数的节理、裂隙等构造面，其中的充填物与岩体本身的材质重度等都不一致，这就意味着同一岩体内的不同部位的岩石的粘聚力和岩石的内摩擦角都有差异，这种差异造成了岩石自身应力的差异，这种差异和总的应力上比较起来很微小，在一般利用外力对岩体进行破坏崩落的矿山来说，对这差别基本是可以忽略不计，不考虑的，在自然崩落法是通过对岩体底部进行人为的制造出一临空面，在岩体临空面上，岩石因失去束缚造成岩石内应力的重新分布排列调整，在这一过程中，应力总是沿岩石内应力的软弱层进行释放，通过对软弱层的挤压引起岩体的破碎分离，形成新的应力平衡，换句话说，自然崩落法就是依靠这种微小的应力差异来完成岩体的破碎崩落的。
4结论
（1）地应力测量及研究，在普朗矿山的建设中是不可或缺的，随着矿山建设的推进，不断测量、精准掌握地应力变化的数据，总结分析地应力变化的规律，进行合理布局，科学安排设计矿山建设工程的方向位置；
（2）在崩落开采方面，合理布置崩落区域，在应力最集中的地段，根据应力的方向性，确定崩落区域的推进方向和单次推进的距离等参数，确保采区的顺利崩落同时有效的控制崩落的块度和崩落周期；
（3）地应力的测量及研究，应该随着矿山建设的进程同步进行，根据矿山建设工程的推进，详细测量记录掌握矿区岩体在不断受到扰动后，应力变化及发展，从而总结分析去变化规律，进而指导矿山工程设计，科学合理的利用地应力为人类服务。
参考文献：
[1]陈枫，饶秋华，徐纪成等.应变解除法原理及其在大红山铁矿地应力测量中的应用[J].中南大学学报（自然科学版），2007，38（3），545-550.
[2]徐纪成，王李管，陈枫等.普朗铜矿井下大规模开采关键技术研究之三维地应力测试研究报告[R].长沙：中南大学，2013，11.
[3]中国有色金属工业昆明勘察设计研究院.云南省香格里拉县普朗铜多金属矿区整装勘查报告[R].迪庆：云南迪庆有色金属有限公司，2013，11.
[4]黄启庚，田治友，何信光等.《采矿手册（矿山岩石力学）》[M].北京：冶金工业出版社，1988，12.
【关键词】 地应力测量；地应力变化；构造面；临空面；抗剪强度
1引言
地应力从整体上讲，是地壳内单位面积上地壳自身产生的作用力，是引起采矿、水利水电、土木建筑、道路和各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，地应力按开挖前后划分，可以划分为初始应力和次生应力。【1，2】科学准确的地应力测量是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程决策、设计和开挖科学化的必要前提。尤其在地下采矿工程中，无论是区域稳定性还是井巷、采场的稳定性问题都与地应力场（包括构造应力场和自重应力场）及其衍生物——各种构造形迹密切相关，因此地应力的研究应用在矿山的开发建设中具有重要的理论和实用价值，对矿山工程设计具有一定的指导意义。
2地应力研究在普朗铜矿的前期应用
2.1普朗铜矿地质概况
普朗铜矿位于云南省西北部迪庆藏族自治州香格里拉县北东部，位于青藏高原东南缘、滇西北横断山脉东北部。地貌属高山峡谷区，最高海拔4702m，最低3450m，一般3600～4500m，相对高差达300～1300m。【3】地处甘孜-理塘结合带西侧，德格-中甸陆块东缘，印支期义敦-中甸岛弧带南段。总体构造呈北北西向展布，区内构造总体上为红山复式背斜，由一系列北北西向紧密线性褶皱和同向断裂组成。构造活动强烈，断裂、褶皱发育。
一系列北西向紧密线性褶皱和同向断裂是控制沉积建造、变质作用、岩浆活动及其有关矿产的主要构造，次级同向断裂及东西向断层则为容岩（矿）构造。晚期发育规模较小的北东向断层，切错了早期断裂及褶皱。矿区位于普朗向斜东翼，矿区构造与区域构造线方向一致。
（1）褶皱
矿区域内断裂、褶皺发育，由一系列北西向紧密线性褶皱和同向断裂组成，是控制沉积建造、变质作用、岩浆活动及其有关矿产的主要构造，而次级同向断裂及东西向断层则为容岩（矿）构造，晚期发育规模较小的北东向断层，切错了早期断裂及褶皱。
区内大型褶皱为红山复式背斜、翁水复式向斜。普朗向斜、热绒背斜属于红山复式背斜的主要次级褶皱。
（2）断裂
北北西向格咱断裂等为主干断裂，具长期、继承性活动的特征，属导岩、导矿断裂。次一级北西向断裂及东西向断层发育，以逆冲-平移断层为主。属切穿中生界地层的印支-喜马拉雅期浅表脆性断层，为容矿或破矿断裂。
（3）节理（裂隙）
受岩体多次侵位及断裂构造长期活动的影响，在岩体内或断裂的两旁发育密集的节理裂隙。这些密集节理组成的裂隙带为含矿热液提供了良好的导矿和储矿空间。
岩体内，尤其矿化体内各种方向裂隙均有发育，但不同地段不同裂隙组的发育程度各异。总体来看以陡倾角者（67°～85°）居多。裂隙宽一般均小于2mm，少数5mm以上，个别达10mm。延伸长度多在0.1～2.0m之间，少数大于2m。含矿裂隙多呈相互交错穿插的网脉状产出。裂隙主要集中在含矿斑岩体中心部位，裂隙频率多为10条/m，最高50条/m以上。由岩体中心向外裂隙逐渐减少。裂隙常被一种或几种矿物充填。充填物有石英、黑云母、绢云母、碳酸盐、钾长石、金属硫化物等。
裂隙的成因类型包括断裂派生的剪切裂隙和羽状裂隙，与穹窿构造伴生成的“X”共轭剪裂隙、雁行式裂隙，与岩浆活动、成岩作用有关的冷缩裂隙、次生裂隙。另外，地表附近由于风化剥蚀形成次生节理，常常呈脉状、网脉状，向深部逐渐消失。
（4）线性和环状构造
区内线性构造发育，总体可归纳为南北、北西、北东及东西向四个方向组。南北向组线性构造多为束带状，带内多透镜状构造块体。延伸长而规模大，常纵贯全区，是区内的主体构造。北东向组线性构造细而平直，分布相对集中，形成范围宽大的线性构造密集带。东西向组多为断续状线性体群，叠置于上述方向组之上。
在遥感影像上，格咱岛弧带为一环状构造发育带。包括普朗对环、雪鸡坪同心多层套叠环、红山卫星式套叠环在内，共发育有十余个环状构造。环状构造成因以构造岩浆隆起型为主，少数属构造破碎带热液环群。环直径多为6～10km。环形构造展布与上三叠统安山岩、闪长玢岩体排列吻合。
与岩浆侵入活动有关的铜多金属矿也与线-环构造关系密切。矿床（点）分别位于各种成因类型环形构造内。本区印支期斑（玢）岩铜多金属成矿带出现于“入”字型主干线性构造旁侧复式线-环（块）构造叠切带。
2.2普朗铜矿建设方案
根据普朗铜矿矿岩性质、矿体赋存和矿床开采技术条件，普朗铜矿在项目可行性研究中初步选定露天与地下联合开采方案，地下开采采用自然崩落法。一期首采中段3720m以上矿体自然崩落法采用单中段回采全面连续崩落方案，矿体最大崩落高度为325m，平均崩落高度215m。
矿体初始崩落区选择位于品位较高的矿体中间位置，采用菱形推进方式向四周推进。
2.3普朗铜矿地应力测量概况
为了在建设过程中及时掌握了解普朗铜矿岩体力学性质，准确提供给设计院正确的参数，保证设计的科学性，普朗铜矿与2007年开始与中南大学合作研究普朗铜矿的岩体构造及地应力分布情况，先后完成钻孔岩芯节理、裂隙调查6个孔计1782.55m；钻孔水文、工程地质编录5个孔计1587.20m，坑道岩体构造调查2个（3900单壁，3720西沿WG09～WG53点），地应力测试6次。 测量地点的选取，是根据普朗铜矿探矿坑道的实际岩石状况，在工程地质调查的基础上，结合现场施工条件，确定在普朗铜矿3720m，和3450m两个中段选择6个测点对矿区的地应力场的变化及分布规律进行测试研究，其中以首采中段3720m中段作为研究重点，布置了4个测点，在3450m中段布置2个测点。6个测点均布置在新鲜的岩体和矿体中。测点的选择基本上避开了巷道和采场的弯、叉、拐等应力集中区以及断层、岩石破碎带、断裂发育带，同时测点尽量远离大的采空区和洞室。
2.4普朗铜矿地应力测量结果
通过对以上6个点测量的计算得到如下结果：
（1）矿区的水平应力存在明显的方向性，六个测点东西向的水平应力分量均大于南北向应力分量，最大水平主应力是最小水平主应力的1.42～2.29倍；
（2）所测区域范围内的水平最大主应力与垂直应力之比（称为侧压系数），较为平均（除6#测点外，可能与该点附近隐含的特殊地质构造有关），比值在2左右波动，这与我国大陆区域地压的侧压力系数分布规律基本相一致。
（3）所有测点均表现出水平应力分量大于垂直应力分量的特征，说明该区域总体上以水平构造应力为主；但量值上总体都不算大，仍属于中等应力状态。
（4）在3540m中段的5、6号测点的应力分量中存在较大的剪应力。
3地应力研究在普朗铜矿建设中的应用原理
在一般矿山的生产建设中，目前计算岩石中应力的方法仍采用弹性理论公式，将岩石视作均匀的、连续的、各向同性的半无限体，这种假定同岩石的实际情况有差别，但因一般矿山的采矿方法中，对矿体岩石的崩落是采用人为的外力作用对岩石进行破坏，即基本不考虑岩石的内力对岩体的作用，只考虑岩石的基本强度，在多大的外力作用可以使其破碎崩落，所以其计算结果尚能满足实际工程的要求。但普朗铜矿采用的是自然崩落法采矿，自然崩落法是一种依靠岩体内部的自然力即地压来破坏各种结构面之间的岩桥，使岩块与岩体分离并在重力作用下自然落矿的低成本高效率的采矿方法。其力学机理是通过矿块底部的拉底工程（有时辅以诱导崩落工程）引起岩体内部应力产生变化，促使岩体内各种软弱结构面（如斷层、节理、层理等）将岩体切割成岩块，并在重力作用下自然崩落而达到采矿的目的。这样，岩石具有明显的各向异性和非线性特征的重要性就凸现出来了。
由于岩体中存在的各种地质界面（结构面），造成了岩体的非均匀性及各向异性，同时，各种结构面对岩石的分割，导致岩体内应力的分布不一致不连续，局部的应力集中是岩体受到破坏和不稳定的关键因素。在对岩体的内应力的研究中得知，在外荷载作用下，岩体中将产生剪应力和剪切变形，当岩石中某点由外力所产生的剪应力达到岩石的抗剪强度时，岩石就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。工程实践和室内试验都证实了岩石是由于受剪而产生破坏，剪切破坏是岩石强度破坏的重要特点。
按照莫尔-库仑理论，岩体的破坏通常是由于剪切破坏引起的，即当岩体中某点的任一平面上的剪应力达到岩石的抗剪强度时，就认为该点已发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。这种强度理论称为摩尔—库仑强度理论。
上述的抗剪强度数学表达式，也称为库仑定律，它表明在一般应力水平下，岩石的抗剪强度与滑动面上的法向应力之间呈直线关系。因此，岩石的强度问题实质上就是岩石的抗剪强度问题。而在岩体中，由于岩石的成因不同成岩时间不同，造成了岩石自身的密度强度的差异性，再加上在长久的地壳活动中，在应力的不断聚集释放的过程中，在岩体内形成了无数的节理、裂隙等构造面，其中的充填物与岩体本身的材质重度等都不一致，这就意味着同一岩体内的不同部位的岩石的粘聚力和岩石的内摩擦角都有差异，这种差异造成了岩石自身应力的差异，这种差异和总的应力上比较起来很微小，在一般利用外力对岩体进行破坏崩落的矿山来说，对这差别基本是可以忽略不计，不考虑的，在自然崩落法是通过对岩体底部进行人为的制造出一临空面，在岩体临空面上，岩石因失去束缚造成岩石内应力的重新分布排列调整，在这一过程中，应力总是沿岩石内应力的软弱层进行释放，通过对软弱层的挤压引起岩体的破碎分离，形成新的应力平衡，换句话说，自然崩落法就是依靠这种微小的应力差异来完成岩体的破碎崩落的。
4结论
（1）地应力测量及研究，在普朗矿山的建设中是不可或缺的，随着矿山建设的推进，不断测量、精准掌握地应力变化的数据，总结分析地应力变化的规律，进行合理布局，科学安排设计矿山建设工程的方向位置；
（2）在崩落开采方面，合理布置崩落区域，在应力最集中的地段，根据应力的方向性，确定崩落区域的推进方向和单次推进的距离等参数，确保采区的顺利崩落同时有效的控制崩落的块度和崩落周期；
（3）地应力的测量及研究，应该随着矿山建设的进程同步进行，根据矿山建设工程的推进，详细测量记录掌握矿区岩体在不断受到扰动后，应力变化及发展，从而总结分析去变化规律，进而指导矿山工程设计，科学合理的利用地应力为人类服务。
参考文献：
[1]陈枫，饶秋华，徐纪成等.应变解除法原理及其在大红山铁矿地应力测量中的应用[J].中南大学学报（自然科学版），2007，38（3），545-550.
[2]徐纪成，王李管，陈枫等.普朗铜矿井下大规模开采关键技术研究之三维地应力测试研究报告[R].长沙：中南大学，2013，11.
[3]中国有色金属工业昆明勘察设计研究院.云南省香格里拉县普朗铜多金属矿区整装勘查报告[R].迪庆：云南迪庆有色金属有限公司，2013，11.
[4]黄启庚，田治友，何信光等.《采矿手册（矿山岩石力学）》[M].北京：冶金工业出版社，1988，12.