譚乃根，楊仁樹，譚卓英?

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

1 問題的提出

工程場(chǎng)址位于內(nèi)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(nèi)蒙與寧夏接壤地帶，地勢(shì)呈南北脊型，分別向東南–西北傾斜，屬二級(jí)階梯鄂爾多斯高原西南臺(tái)地邊緣地帶，最高點(diǎn)1564 m，最低點(diǎn)1160 m，東西長(zhǎng)33.5 km，南北寬45.5 km.

該區(qū)屬華北地層鄂爾多斯分區(qū)東勝–環(huán)縣小區(qū)西緣，其西與鄂爾多斯西緣分區(qū)的馬家灘–平?jīng)鲂^(qū)相鄰，各時(shí)代沉積建造特征與華北地臺(tái)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(fā)深度1200 m，主要工程布置于500～1150 m 之間. 該區(qū)總體位于華北克拉通西部，南北地震帶北段東側(cè)，緊鄰青藏高原東北緣，斷層構(gòu)造以南北向?yàn)橹?，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(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震頻發(fā)，具有復(fù)雜多樣的構(gòu)造變形模式和活動(dòng)特征[1-2]. 工程所在區(qū)域區(qū)塊屬于盆地西北緣，處于前陸沖斷席，裂縫極為發(fā)育，裂縫段連續(xù)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(guó)地震構(gòu)造活動(dòng)區(qū)之一，新構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈，地應(yīng)力和高地壓嚴(yán)重影響深部工程的安全.

大量研究和實(shí)踐表明，地應(yīng)力是引起各種地下工程巖體變形和破壞的內(nèi)在作用力，準(zhǔn)確掌握地應(yīng)力是確定工程巖體力學(xué)屬性和分析圍巖穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)優(yōu)化與安全的前提[4].隨著深度的增大，地應(yīng)力對(duì)工程的影響加劇. 在深部工程中，高地應(yīng)力是地壓發(fā)生最直接的力學(xué)原因，井巷變形、巖爆、塌方及冒頂?shù)葎?dòng)力災(zāi)害除受巖性及開挖時(shí)空影響外，通常由地應(yīng)力主導(dǎo). 一般認(rèn)為地應(yīng)力隨深度呈線性增長(zhǎng)[5-6]. Brown 和Hoek[7]最早于1978 年對(duì)世界不同地區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，獲得了平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值隨深度的變化關(guān)系；1992 年，Zoback[8]繪制了《世界應(yīng)力圖》，描述了巖石圈應(yīng)力狀態(tài)和全球應(yīng)力場(chǎng)的基本格局. 隨后，朱煥春和陶振宇[9]， 以及Fuchs 和Mukker[10]根據(jù)全球?qū)崪y(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，研究了全球地應(yīng)力與埋深的分布規(guī)律；Stacey 和Wesseloo[11]對(duì)南非3000 m深內(nèi)的地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)σH/σh（σH為最大水平主應(yīng)力，σh為最小水平主應(yīng)力）高達(dá)4 倍，深度為3500～5000 m 時(shí)，地應(yīng)力達(dá)到95～135 MPa.謝富仁[12]研究了我國(guó)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)基本特性與分區(qū)，楊樹新等[6]在中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，獲得了我國(guó)大陸水平地應(yīng)力量值與方位特征. 謝和平和馮夏庭[13]對(duì)地應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，獲得了不同深度范圍水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值大致的變化區(qū)間，當(dāng)深度小于500 m時(shí)，約50%的點(diǎn)大于1，最大比值接近5.0；當(dāng)深度小于1000 m 時(shí)，σH/σv（σv為垂直應(yīng)力）多為0.3～3.0，約43%的點(diǎn)大于1；當(dāng)深度為1000～3000 m 時(shí)，σH/σv比值基本上為0.5～1.0；當(dāng)深度大于3000 m 時(shí)，σH/σv比值變化范圍為0.5～0.8；當(dāng)深度到4 000 m 時(shí)，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(yīng)力為主導(dǎo)；隨著深度的增大，地應(yīng)力將逐漸進(jìn)入靜水壓力狀態(tài). 目前，科學(xué)界對(duì)地應(yīng)力分布的總體特征及規(guī)律已達(dá)成共識(shí)，但地應(yīng)力局部的差異非常顯著，且與區(qū)域構(gòu)造及經(jīng)緯度等有關(guān)，存在顯著的地域差異. 蔡美峰等研究了我國(guó)局部地區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律及巖性對(duì)地應(yīng)力的影響[14]，即使在同一區(qū)域，地應(yīng)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(qū)域構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響，獲得了主應(yīng)力大小和方向隨斷層位置的變化規(guī)律.

臺(tái)地邊緣地帶地質(zhì)條件復(fù)雜，受印度–歐亞板塊影響，青藏高原東南緣成為內(nèi)外動(dòng)力耦合作用最為顯著的地區(qū)，具有顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動(dòng)和密集的深大斷裂[17]，對(duì)工程區(qū)域有著復(fù)雜而重要的影響. 對(duì)于本深部工程而言，在面臨高地應(yīng)力、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造及破碎巖體時(shí)，如何準(zhǔn)確掌握工程區(qū)域地應(yīng)力的分布特征與規(guī)律，對(duì)揭示井下動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理，優(yōu)化地下工程設(shè)計(jì)、開采與災(zāi)害防護(hù)具有重要意義.

2 地應(yīng)力測(cè)試方法

2.1 地應(yīng)力測(cè)試方法選擇

水壓致裂法是設(shè)計(jì)階段工程場(chǎng)址地應(yīng)力測(cè)量最常用的方法. 近20 年來，我國(guó)水壓致裂法的測(cè)試深度超過了1000 m，2006 年巨野煤田測(cè)深達(dá)到1104.90 m[4]，2015 年西科1A 井最大測(cè)深達(dá)1262 m[18].經(jīng)過近20 年的發(fā)展，水壓致裂法技術(shù)克服了因深度增大封隔器內(nèi)外泥漿壓力增大導(dǎo)致設(shè)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(hào)精度低及自動(dòng)化程度低等瓶頸[4]. 葛修潤(rùn)和侯明勛[19]分析了鉆孔地應(yīng)力測(cè)量方法的局限性，提出了深部巖體地應(yīng)力鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除測(cè)量法，但現(xiàn)有地應(yīng)力測(cè)量方法還存在根本性的缺陷，均需要先鉆孔后測(cè)量，在鉆孔結(jié)束與測(cè)量之間存在時(shí)間差. 在此時(shí)間差里，即使巖心錄孔完整，鉆孔也可能在之后發(fā)生變形甚至破壞，被認(rèn)為完整的測(cè)點(diǎn)其實(shí)已經(jīng)開裂破壞，測(cè)試過程中的破裂可能成為一種假裂，致使測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確.

在測(cè)試前采用鉆孔電視對(duì)測(cè)點(diǎn)孔壁完整性進(jìn)行檢測(cè)，可提高測(cè)試準(zhǔn)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(yīng)力，以確保開裂的真實(shí)性. 除此之外，鉆孔熱膨脹破裂試驗(yàn)（Borehole thermal spalling,BTS）用以確定巷道開挖時(shí)近場(chǎng)的最大主應(yīng)力，Hakami 和Christiansson[21]、Jones 等[22]及Nopola 等[23]等通過聲發(fā)射電視錄孔（Acoustic televiewer logging, ATL）和光學(xué)錄孔（Optical borehole logging, OBL）技術(shù)觀測(cè)鉆孔開裂，通過反分析確定主應(yīng)力大小和方向.熱脹法本質(zhì)上與水壓致裂原理相同，間隔一段時(shí)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(dāng)最大最小主應(yīng)力差較大時(shí)鉆孔破裂不一定發(fā)生；其次是鉆孔通常會(huì)發(fā)生自然破裂且不易控制. Siren 等[24]認(rèn)為熱脹法的溫度控制非常嚴(yán)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(yīng)力方向；LeRiche 等[25]認(rèn)為熱膨脹法主要優(yōu)勢(shì)在確定應(yīng)力方向，提出了一種聲電視測(cè)量鉆孔開裂結(jié)構(gòu)，基于裂紋形態(tài)特征進(jìn)行數(shù)值反分析的方法來確定應(yīng)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(tǒng)的水壓致裂法和熱脹致裂法均屬于先成孔后測(cè)量，容易造成鉆孔變形、自然開裂和應(yīng)力釋放，因此這類滯后法很難從根本上保證裂紋是試驗(yàn)時(shí)發(fā)生還是自然發(fā)生，難以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性. 譚卓英等[26]提出了深部地應(yīng)力隨鉆測(cè)試技術(shù)方法，該法運(yùn)用彈性力學(xué)中厚壁圓筒理論，通過測(cè)試段（點(diǎn)）三個(gè)方向的應(yīng)變測(cè)量，通過應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系反演原巖應(yīng)力. 測(cè)試時(shí)將地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)隨同鉆探機(jī)的鉆頭與鉆桿一起潛入孔內(nèi)，在鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)力、鉆孔傾斜和孔內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)隨鉆測(cè)量，并通過孔內(nèi)電視成像與聲光錄孔，可實(shí)時(shí)觀測(cè)到鉆孔開裂、擴(kuò)展及伴隨的聲學(xué)事件，克服了傳統(tǒng)深孔地應(yīng)力測(cè)量方法存在先期應(yīng)力釋放的缺點(diǎn)，不受孔深、鉆孔方式、時(shí)間以及鉆孔變形、塌孔等的限制，在測(cè)試時(shí)能準(zhǔn)確定位測(cè)試段并對(duì)測(cè)試過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，顯著提高了測(cè)試效率并可實(shí)現(xiàn)沿鉆孔的“連續(xù)”測(cè)量. 本試驗(yàn)采用隨鉆測(cè)試法，系統(tǒng)組成如圖1 所示.

圖1 地應(yīng)力隨鉆測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of in-situ stress measurement while drilling system

通過原巖應(yīng)力測(cè)量，確定開采范圍內(nèi)巖體應(yīng)力大小和方向，根據(jù)地應(yīng)力分布特征，結(jié)合巖體力學(xué)參數(shù)及工程地質(zhì)條件，揭示勘探區(qū)地應(yīng)力賦存規(guī)律，為工程開發(fā)中的井巷布置、斷面選擇及支護(hù)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù).

2.2 測(cè)試鉆孔及測(cè)點(diǎn)分布

為了掌握地應(yīng)力對(duì)井工設(shè)施及深部采礦工程的影響，本次試驗(yàn)在臨近地面井工結(jié)構(gòu)、工業(yè)場(chǎng)地及地下工程設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的地面位置附近，布置6 個(gè)垂直鉆孔（B1～B6）進(jìn)行原位應(yīng)力測(cè)試. 該測(cè)試區(qū)東西長(zhǎng)8.8～13.0 km，南北寬5.4～12 km，面積109 km2.試驗(yàn)中，利用千米地質(zhì)鉆探機(jī)TXB-1000A 及TXB-1600 進(jìn)行取芯鉆探，鉆孔孔徑為91 mm 及108 mm，鉆進(jìn)過程中采用套管和調(diào)整機(jī)位對(duì)孔斜糾偏，總偏斜率控制在1.0%以內(nèi). 測(cè)試段（點(diǎn)）以選擇巷道、采場(chǎng)、井下設(shè)施硐室等空間工程及頂?shù)装逦恢?，并盡可能揭示斷層對(duì)地應(yīng)力的影響為原則進(jìn)行布設(shè). 在鉆進(jìn)過程中，通過聲光電視對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行觀測(cè)，在設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)附近選擇鉆孔完整段進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量過程中保持聲光電視的持續(xù)觀測(cè)，鉆孔及測(cè)試段中心點(diǎn)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(cè)點(diǎn)沿鉆孔深度的分布Table 1 Distribution of testing points along the borehole depth

3 勘探區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)與特征分析

3.1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

各鉆孔中最大水平主應(yīng)力SH、最小水平主應(yīng)力Sh及垂直主應(yīng)力Sv的變化區(qū)間如表2. 鉆孔測(cè)試結(jié)果表明，在700 m 深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力為25.94 MPa，各鉆孔所測(cè)量的原地應(yīng)力均隨深度而呈線性增長(zhǎng)，所測(cè)得的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?23.00°～269.00°，勘探區(qū)內(nèi)地應(yīng)力存在SH>Sv>Sh關(guān)系，表現(xiàn)為平移斷層型應(yīng)力狀態(tài).

表2 勘探區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 2 Results of in-situ stress test in the southwest margin of the Ordos Plateau

3.2 地應(yīng)力場(chǎng)分布

從6 個(gè)試驗(yàn)鉆孔可知，勘探區(qū)內(nèi)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(cè)深704.65 m. 勘探區(qū)鉆孔測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力數(shù)據(jù)分布如圖2. 通過對(duì)勘探區(qū)41 個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得工程場(chǎng)址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)隨深度變化的規(guī)律，其線性回歸方程如下.

圖2 勘探區(qū)地應(yīng)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(cè)點(diǎn)距地表深度，m；R2為線性擬合優(yōu)度.

從圖2 可知，各鉆孔所測(cè)水平主應(yīng)力SH、Sh及垂直應(yīng)力Sv數(shù)據(jù)的匯聚性好，與擬合直線高度吻合，線性規(guī)律顯著，且隨深度有逐漸增大的趨勢(shì)，反映了地應(yīng)力隨深度變化的普遍規(guī)律.

從所測(cè)應(yīng)力狀態(tài)模式來看，Sv普遍大于最小水平主應(yīng)力Sh，且小于最大水平主應(yīng)力SH，工程場(chǎng)址早期的構(gòu)造地質(zhì)調(diào)查表明，勘探區(qū)內(nèi)斷層傾角為46°～70°，表現(xiàn)為明顯的平移型應(yīng)力狀態(tài)；其最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?23.00°～269.00°. 從區(qū)域構(gòu)造可知，勘探區(qū)位于緊鄰西緣褶皺沖斷帶的天環(huán)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(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征與西緣褶皺沖斷帶的特征近于一致，與中國(guó)大陸地區(qū)最大水平應(yīng)力優(yōu)勢(shì)統(tǒng)計(jì)方向吻合[27]，也與大華北區(qū)水平主應(yīng)力方向基本一致.

但與華北平原比較，勘探區(qū)受臺(tái)地地形及區(qū)域構(gòu)造等影響，最大最小水平主應(yīng)力SH及Sh的值低于華北平原地區(qū). 華北平原試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)自西向東傾斜，海拔高程為36～46 m，我們進(jìn)行了7 個(gè)鉆孔共37 個(gè)測(cè)點(diǎn)的超千米水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試區(qū)地應(yīng)力如圖3 所示.

圖3 華北平原區(qū)測(cè)試區(qū)地應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系Fig.3 Change in the in-situ stress with depth in the North China Plain area

地應(yīng)力回歸方程如下.

通過比較發(fā)現(xiàn)，在鄂爾多斯西南邊緣地帶水平地應(yīng)力的增長(zhǎng)梯度較小，SH及Sh比華北平原的地應(yīng)力每百米分別降低了0.81 MPa 和0.82 MPa，這說明臺(tái)地地形和區(qū)域構(gòu)造等對(duì)西南邊緣地帶最大最小水平地應(yīng)力的影響是相同的. 此外，平原區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?2.6°～110.6°，為NE 至ES 向，而高原區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?23.00°～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(yīng)力雖然與大的方向基本一致，但受臺(tái)地地形及構(gòu)造影響向E 發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量為158.4°～190.4°.

3.3 地應(yīng)力的變化特點(diǎn)

3.3.1 側(cè)壓系數(shù)隨深度的變化

通常，把水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比稱為側(cè)壓系數(shù). Brown 和Hoek[7]曾采用平均最大最小水平主應(yīng)力Sa/Sv=(SH+Sh)/2Sv來研究水平應(yīng)力的分布規(guī)律，但它僅反映了平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的情況. 由于側(cè)壓之間的關(guān)系不僅表征了總體應(yīng)力的走向，而且還揭示了深地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向. 因此，為了揭示最大最小水平主應(yīng)力存在的差異，在此采用SH/Sv及Sh/Sv來反映不同方向側(cè)壓的變化.在鄂爾多斯高原區(qū)，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(cè)壓系數(shù)存在顯著差異. 勘探區(qū)各測(cè)試鉆孔所揭露的側(cè)壓系數(shù)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(yīng)的左右邊界，僅表示位置.

表3 勘探區(qū)地應(yīng)力特征分析結(jié)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(cè)試區(qū)地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)隨深度的變化Fig.4 Change in the geostress with depth in the southwest margin of the Ordos Plateau

中國(guó)大陸淺層地殼應(yīng)力統(tǒng)計(jì)[28]表明，我國(guó)大陸SH/Sv及Sh/Sv值在淺部變化范圍大，尤其是當(dāng)埋深小于500 m 時(shí)，SH/Sv及Sh/Sv值最大分別達(dá)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(shí)，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(qū)測(cè)試鉆孔深度在700 m以淺，側(cè)壓系數(shù)處于我國(guó)大陸地區(qū)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果的低段區(qū)，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(gòu)造應(yīng)力減低了. 造成地應(yīng)力降低的直接原因，可能與高原臺(tái)地地形地貌有關(guān). 在此區(qū)域，水平構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的擠壓作用由于臺(tái)地地形的變形約束減少，導(dǎo)致邊緣地帶應(yīng)力通過位移而及時(shí)得以釋放.

從我們?cè)谌A北平原所進(jìn)行的深部地應(yīng)力測(cè)試結(jié)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(yīng)力測(cè)量結(jié)果與我國(guó)大陸地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，但其平均最大最小水平主應(yīng)力及其與垂直應(yīng)力比值所反映的側(cè)壓系數(shù)均高于鄂爾多斯高原西南邊緣地帶的側(cè)壓系數(shù). 其中，平均側(cè)壓系數(shù)、最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)、最小水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)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(yīng)力場(chǎng)公式（1）～（5）可知，在地應(yīng)力隨深度增長(zhǎng)的同時(shí)，最小水平主應(yīng)力增長(zhǎng)速度更快，最大水平主應(yīng)力增長(zhǎng)為23.55%，而最小水平主應(yīng)力的增長(zhǎng)為41.62%. 這說明隨著深度的增大，最小水平主應(yīng)力逐漸逼近最大水平主應(yīng)力，達(dá)到一定深度后將出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài).

表4 高原邊緣地帶與華北平原地區(qū)地應(yīng)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(yīng)力差隨深度的變化

SH/Sh反映了最大最小水平主應(yīng)力差異的相對(duì)變化，而SH–Sh則反映了二者的絕對(duì)差異. 從表4可知，在鄂爾多斯高原西南邊緣地帶，測(cè)試深度內(nèi)SH/Sv的變化區(qū)間為[1.42, 2.23]，亦與我國(guó)大陸淺層地殼應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果的低段區(qū)間相符，其差值（SH–Sh）∈ [0.74,12.13] MPa，說明兩個(gè)水平主應(yīng)力之間的差異大. 與華北平原區(qū)比較，高原邊緣地區(qū)的SH/Sv值較低，地應(yīng)力總體水平低于華北平原區(qū). 對(duì)于深部地下工程而言，地質(zhì)構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性隨深度增強(qiáng)，斷層、節(jié)理及裂隙發(fā)育，當(dāng)巖體中差應(yīng)力大并接近結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度時(shí)，將對(duì)工程巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生很不利的影響. 因此，雖然鄂爾多斯西南邊緣地帶的應(yīng)力水平低于華北平原地區(qū)，但由于水平地應(yīng)力差異的增大，且水平主應(yīng)力方向發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn). 因此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)深部工程井巷布置、施工及運(yùn)營(yíng)中更應(yīng)關(guān)注工程布局的科學(xué)性以及由此產(chǎn)生的次生災(zāi)害.

4 討論

通過對(duì)鄂爾多斯高原西南邊緣地帶典型區(qū)域深部地應(yīng)力測(cè)試，分析了該邊緣地帶地應(yīng)力隨深度的變化特征，并與中國(guó)大陸地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)規(guī)律以及華北平原深部地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較分析.通過這次研究，觀測(cè)和發(fā)現(xiàn)了高原臺(tái)地邊緣地帶應(yīng)力隨深度呈線性增長(zhǎng)，應(yīng)力關(guān)系遵循SH>Sv>Sh，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹WW，與現(xiàn)今觀測(cè)到的大陸地應(yīng)力變化規(guī)律一致[4]；但臺(tái)地邊緣地帶的側(cè)壓系數(shù)及最大最小水平應(yīng)力差處于我國(guó)大陸地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果的低段區(qū)間；與華北平原區(qū)域相比，高原臺(tái)地邊緣地帶應(yīng)力總體水平及側(cè)壓系數(shù)較低. 其主要原因可能與高原西南邊緣臺(tái)地地形及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，高原臺(tái)地地形降低了變形和位移約束，有利于應(yīng)力的釋放，使得高原邊緣地帶的應(yīng)力水平降低. 同時(shí)，由于地質(zhì)構(gòu)造和臺(tái)地地形的影響，也致使地應(yīng)力發(fā)生了一定程度的偏轉(zhuǎn). 這種偏轉(zhuǎn)可能與較近的印度板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有直接關(guān)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(duì)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(yīng)力大小和方向發(fā)生改變.

另外，在中國(guó)大陸淺層地殼地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果中地應(yīng)力偏高，原因是多方面的，但可能與地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)口徑不統(tǒng)一有關(guān). 其中，很多數(shù)據(jù)來自應(yīng)力解除等方法，這些方法因?yàn)槭窃诰峦ㄟ_(dá)工程完成后或開采進(jìn)行到一定程度后測(cè)量，測(cè)試位置受井巷及硐室等開挖影響較大；加之，采用應(yīng)力解除等方法時(shí)測(cè)試深度要求不嚴(yán)格等原因，也將增大采動(dòng)對(duì)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的影響，導(dǎo)致所測(cè)地應(yīng)力值比水壓致裂法偏高，方向也可能發(fā)生偏轉(zhuǎn).

從王斌等[1]在鄂爾多斯西南緣寧夏固原水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果看，在測(cè)深128.50～282.40 m范圍內(nèi)，SH∈[3.99, 9.97] MPa，平均6.78 MPa，最大水平主應(yīng)力方位N52°W～N75°W，平均為N59.17°W，鉆孔的主應(yīng)力關(guān)系為SH>Sv>Sh，水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用，鄂爾多斯地塊西南緣現(xiàn)今水平主應(yīng)力方位為NWW，雖然水平主應(yīng)力相差不大，但固原較之試驗(yàn)區(qū)最大水平主應(yīng)力明顯向東（順時(shí)針方向）發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，在之南的固原受印度板塊構(gòu)造的影響更為顯著，這進(jìn)一步說明離臺(tái)地邊緣越近影響越大. 但是，由于臺(tái)地邊緣地形的復(fù)雜性，臺(tái)地側(cè)向邊緣構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的力學(xué)軌跡非常復(fù)雜，應(yīng)力大小及方向偏轉(zhuǎn)還有待深入研究.

5 結(jié)論

通過對(duì)鄂爾多斯高原臺(tái)地西南邊緣地帶典型區(qū)域地應(yīng)力測(cè)試與比較研究，得出以下結(jié)論：

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

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

（3）高原臺(tái)地西南邊緣地帶最大最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比所反映的側(cè)壓系數(shù)低于華北平原區(qū)，但兩個(gè)水平最大最小主應(yīng)力的差異性高于華北平原區(qū). 在該臺(tái)地邊緣地帶進(jìn)行地下工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注井巷工程的方向布置和低水平應(yīng)力高應(yīng)力差值帶來的不利影響.