毛坪鉛鋅礦最大主應(yīng)力測試及地應(yīng)力等級的確定

周高明

(彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657602)

毛坪鉛鋅礦最大主應(yīng)力測試及地應(yīng)力等級的確定

周高明

(彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657602)

為了初步了解毛坪鉛鋅礦的地應(yīng)力狀態(tài)，采用地質(zhì)構(gòu)造形跡法、聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)等方法對礦山的主應(yīng)力進(jìn)行了分析，并對地應(yīng)力水平進(jìn)行了判別。研究結(jié)果表明：毛坪鉛鋅礦的最大主應(yīng)力方向界于N60°～70°W與N45°～50°W之間，最大主應(yīng)力約12.14 MPa，以巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為判斷標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為毛坪鉛鋅礦存在由低地應(yīng)力向中高地應(yīng)力發(fā)展的趨勢。

最大主應(yīng)力 地應(yīng)力級別 聲發(fā)射 Kaiser效應(yīng)

對于采礦工程而言，地壓的影響非常顯著，采場、巷道的布置問題，支護(hù)方式的選擇問題，礦山企業(yè)效益的控制問題，井下工作人員的安全問題等一系列內(nèi)容均需要對礦山地壓有一個明確的認(rèn)識。然而，像任何物體的失穩(wěn)破壞決定于它的受力狀態(tài)一樣，工程巖體的變形、移動和破壞同樣與其所處的應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)。因此，要有效地控制地壓，必須了解巖體賦存的地應(yīng)力狀態(tài)。

1 工程概況

毛坪鉛鋅礦床位于云南省昭通市彝良縣境內(nèi)，是滇東北具代表性地鉛鋅礦床之一。礦區(qū)北東—南西長達(dá)26 km，最寬處10 km。洛澤河穿過礦區(qū)，把礦區(qū)分為河?xùn)|、河西兩片。河?xùn)|為毛坪鉛鋅礦區(qū)、河西為紅尖山—陳家屋基地段。區(qū)域大地構(gòu)造位置位于康滇地軸以東揚(yáng)子準(zhǔn)地臺西南緣東臺褶帶滇東北褶束中部，處于北東向構(gòu)造和北西向構(gòu)造的相交部位，區(qū)域構(gòu)造變形相對復(fù)雜，斷裂發(fā)育。礦區(qū)出露的地層主要有泥盆系(上統(tǒng)宰格組)、石炭系(豐寧統(tǒng)、威寧統(tǒng))、二疊系(下統(tǒng))、第四系各組，主要以濱淺海相碎屑巖和淺海相碳酸鹽巖為主，碎屑巖主要為砂、頁巖夾煤層，碳酸巖主要為灰?guī)r和白云巖。礦區(qū)內(nèi)主干構(gòu)造和控礦構(gòu)造為石門坎背斜，其軸向線展布方向為北東—南西。礦床主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體(群)組成，均呈NEE—SWW向大致平行延伸，其中Ⅰ號礦體(群)規(guī)模最大。

2 毛坪鉛鋅礦最大主應(yīng)力的確定

要確定巖體所賦存應(yīng)力狀態(tài)最為準(zhǔn)確的方法便是進(jìn)行現(xiàn)場量測，如應(yīng)力解除法、水壓致裂法等[1]。然而實測方法雖然從技術(shù)上已比較成熟，但由于成本較高，因此，這對于并非十分重要且非永久性的采礦工程而言，花費(fèi)大量資金進(jìn)行實測是不現(xiàn)實的。

地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為，今天存在于地球上的諸如褶皺、斷裂、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造形跡均是地應(yīng)力作用的結(jié)果，使得通過現(xiàn)存的地質(zhì)構(gòu)造形跡反推地應(yīng)力場狀態(tài)成為可能[2-4]。據(jù)此，在對研究區(qū)地質(zhì)力學(xué)及構(gòu)造地質(zhì)分析基礎(chǔ)上確定研究區(qū)的應(yīng)力場方向，再有選擇性的進(jìn)行少數(shù)點的應(yīng)力量測與計算，便可定量地確定區(qū)內(nèi)的主應(yīng)力狀態(tài)。

2.1 應(yīng)力場特征的判斷

已有研究表明，一個地區(qū)巖體中的應(yīng)力狀態(tài)與地表的地形地貌有關(guān)：基準(zhǔn)面以上主要是重力應(yīng)力場，而在基準(zhǔn)面以下的應(yīng)力狀態(tài)則需根據(jù)地區(qū)所處的地理位置和地質(zhì)構(gòu)造形跡進(jìn)行綜合分析。

就毛坪礦而言，礦區(qū)所處的山脈走向大致與區(qū)域構(gòu)造線一致，多為北東向的順向山，屬中高山河谷地貌。由于洛澤河流經(jīng)礦區(qū)，區(qū)內(nèi)地形陡峻，侵蝕切割強(qiáng)烈，形成幼年期“V”字形河谷地形，區(qū)內(nèi)海拔標(biāo)高+894～+2 184.5 m，相對高差達(dá)1 294.5 m，基準(zhǔn)面上、下均有礦體賦存。因此，該礦的地應(yīng)力場并不是簡單的重力應(yīng)力場。

2.2 最大主應(yīng)力方向的確定

某個小范圍礦區(qū)的地應(yīng)力場受區(qū)域總體應(yīng)力場的控制與支配明顯，因此，通過區(qū)域主構(gòu)造線了解區(qū)域地應(yīng)力場狀態(tài)(主要是主應(yīng)力方向)就成了大致確定礦區(qū)應(yīng)力場特征的簡便而又實用的方法。而所謂主構(gòu)造線，是指一個地質(zhì)區(qū)域內(nèi)規(guī)模最大的構(gòu)造面與地面的交線。

地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為：褶皺是由于巖層受側(cè)向擠壓作用生成的，因此褶皺軸面總是正交于壓應(yīng)力方向；同樣，逆斷層屬于壓性構(gòu)造面，其形成的應(yīng)力條件是最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力水平，最小主應(yīng)力直立，而逆斷層走向線與最大主壓應(yīng)力方向正交。

就毛坪礦區(qū)而言，其所在區(qū)域構(gòu)造變形特征獨特，西為北東向構(gòu)造帶，東為北西向構(gòu)造帶，兩構(gòu)造交匯部位，組合成了“入”字型、“T”字型構(gòu)造。北東向構(gòu)造以待補(bǔ)斷裂、翻身村斷裂以及近南北向的花苗寨背斜、馬踏向斜為主，北西向構(gòu)造主要有云貴橋斷層、洛澤河斷層、龍街?jǐn)鄬雍土_卜夾斷層等。被夾持于翻身村斷裂和待補(bǔ)斷裂之間的花苗寨背斜(在礦區(qū)范圍內(nèi)亦稱為石門坎背斜)，呈北西向突出的弧形展布，軸線在北端走向為20°～30°，南端為350°，該背斜是礦區(qū)的主干構(gòu)造，也是主要的控礦構(gòu)造；而且通過調(diào)查獲知礦區(qū)內(nèi)的各主要斷層大多以逆斷層形式存在，斷層走向大致為N40°～45°E。

綜上，毛坪礦區(qū)的主干構(gòu)造為花苗寨背斜(即石門坎背斜)，其總體走向為N20°～30°E，逆斷層走向線約為N40°～45°E，由此可確定該礦區(qū)的最大主應(yīng)力方向應(yīng)為北西向，其方位大致為N45°～70°W。

2.3 基于聲發(fā)射kaiser效應(yīng)確定主應(yīng)力大小

根據(jù)聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測量地應(yīng)力有2種手段，若既不知道主應(yīng)力的方向也不知道其大小，那么需在某一地段從6個方向分別取芯，再根據(jù)彈性力學(xué)原理進(jìn)行計算分析，進(jìn)而得到地應(yīng)力場的大小和方向[5-6]。若已知主應(yīng)力的方向但不知其大小，則可直接通過室內(nèi)單軸抗壓試驗觀測其聲發(fā)射指標(biāo)(振鈴數(shù)或能量)，進(jìn)而判斷主應(yīng)力的大小[7]。

根據(jù)地應(yīng)力測量中“所測區(qū)域巖性應(yīng)對工程區(qū)域具有代表性”的基本要求，測試對象確定為粗晶白云巖，再結(jié)合已確定的主應(yīng)力方位，最終選取如下2個鉆孔巖芯樣開展試驗。

試樣1：610 m中段鉆孔，方位角130°，孔深40～55 m，粗晶白云巖D3。

試樣2：729 m中段鉆孔，方位角310°，孔深30～40 m，粗晶白云巖D3。

根據(jù)聲發(fā)射測地應(yīng)力的原理，在后一次應(yīng)力施加到前一次所經(jīng)歷的最大應(yīng)力之前，是不會出現(xiàn)大量聲發(fā)射現(xiàn)象的(如振鈴數(shù)或能量的突然增大)，因此，可以以聲發(fā)射信號出現(xiàn)突然增大拐點處所對應(yīng)的應(yīng)力值作為地應(yīng)力大小的判斷依據(jù)。圖1、圖2分別為2個中段巖樣實驗獲得的能量、聲發(fā)射振鈴數(shù)與應(yīng)力關(guān)系曲線。

從試驗結(jié)果可以看出，只要試驗正常完成確實會出現(xiàn)聲發(fā)射突然增大的現(xiàn)象。然而，是否只要出現(xiàn)聲發(fā)射信號突然增大現(xiàn)象便都認(rèn)為是巖樣歷史上所承受的最大應(yīng)力值即地應(yīng)力呢？答案是否定的。

聲發(fā)射(AE)的理論研究結(jié)果表明，當(dāng)巖體發(fā)生破壞時同樣會產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號增大的現(xiàn)象，而且突變點會超前于巖體破壞一定時間，而這也正是采用聲發(fā)射手段進(jìn)行地壓監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報的依據(jù)。

據(jù)此，不難獲得如下信息：聲發(fā)射信號的突然增大既可能是超過歷史承受最大應(yīng)力引起，也可能是巖石(體)即將發(fā)生破壞的前兆?；诖耍梢詫Ρ敬卧囼灚@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除、分析，進(jìn)而獲得可表征毛坪礦地應(yīng)力大小的數(shù)據(jù)值。

表1為試驗相關(guān)數(shù)據(jù)及地應(yīng)力大小分析結(jié)果。從表中可看出，在剔除掉過于靠近峰值應(yīng)力、不能作為地應(yīng)力判斷標(biāo)準(zhǔn)的聲發(fā)射拐點值后，729 m中段的最大主應(yīng)力平均值為12.67 MPa，610 m中段為11.60 MPa，整體平均為12.14 MPa。

圖1 729 m中段巖芯樣聲發(fā)射振鈴數(shù)與應(yīng)力關(guān)系曲線

3 對毛坪礦地應(yīng)力程度的判別

3.1 判別標(biāo)準(zhǔn)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，采礦、水利水電、隧道等地下工程在深度和廣度上的建設(shè)規(guī)模越來越大，高地應(yīng)力問題逐漸成了工程安全建設(shè)不得不考慮的重要因素。關(guān)于高地應(yīng)力的界定標(biāo)準(zhǔn)，目前常用的判別方法有如下幾個[8]。

圖2 610 m中段巖芯樣聲發(fā)射能量與應(yīng)力關(guān)系曲線

(1)方法1：以地應(yīng)力的絕對大小劃分，認(rèn)為最大主應(yīng)力達(dá)到20～30 MPa便處于高地應(yīng)力狀態(tài)。

(2)方法2：以巖石單軸抗壓強(qiáng)度和最大主應(yīng)力的比值來劃分，但不同國家的界定范圍不盡相同。

(3)方法3：通過地應(yīng)力量級與自重應(yīng)力量級的對比進(jìn)行判定，當(dāng)水平應(yīng)力分量大大超過上覆巖層的巖體重量時，就認(rèn)為巖體處于高地應(yīng)力狀態(tài)。

表1 聲發(fā)射試驗結(jié)果

3.2 判別結(jié)果

根據(jù)上述3種不同的判別方法，依據(jù)試驗結(jié)果對毛坪礦的地應(yīng)力進(jìn)行初步判別，結(jié)果見表2所示。從表2可看出，不同評價方法所得到的計算結(jié)果不盡相同。實際上，高地應(yīng)力或低地應(yīng)力都是相對概念，因此，對地應(yīng)力的評價，亦應(yīng)該考慮地應(yīng)力對不同巖體影響程度的不同，以反映巖體對地應(yīng)力相對承受能力的差異。所以，一般認(rèn)為采用方法2，即巖石強(qiáng)度應(yīng)力比來評價地應(yīng)力的級別是比較符合客觀實際的。基于該觀點，通過表2不難判斷，毛坪礦區(qū)基本屬于中—高地應(yīng)力水平。綜合來看，雖然毛坪礦地應(yīng)力絕對值并非很大，但由于粗晶白云巖體強(qiáng)度較低，且呈現(xiàn)隨著埋深的增加逐漸減小的趨勢，所以毛坪礦區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)還是存在由低地應(yīng)力向中地應(yīng)力甚至高地應(yīng)力發(fā)展的傾向。

表2 毛坪礦地應(yīng)力程度判別結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)通過地質(zhì)構(gòu)造形跡法認(rèn)為毛坪礦區(qū)的最大主應(yīng)力方向為N45°～70°W。

(2)基于聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)分析后得到毛坪礦最大主應(yīng)力平均值為12.14 MPa。

(3)以巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為判斷標(biāo)準(zhǔn)，毛坪礦區(qū)存在著由低地應(yīng)力向中高地應(yīng)力發(fā)展的趨勢。

(4)巖體的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，本次最大主應(yīng)力的計算結(jié)果僅是對少數(shù)巖樣進(jìn)行試驗獲得的，若想得到更加準(zhǔn)確的地應(yīng)力特征，在有條件時還是應(yīng)開展地應(yīng)力的現(xiàn)場測試工作。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Determination of the Maximum Principal Stress and In-situ Stress Level in Maoping Lead-zinc Mine

Zhou Gaoming

(YihangChihongMiningCo.，Ltd.，Zhaotong657602，China)

In order to preliminarily understand the in-situ stress state in Maoping lead-zinc mine，the methods such as geological structure acting and Kaiser effect of acoustic emission were used to analyze the principal stress of mine.On that basis，the level of in-situ stress was judged.The research results showed that the maximum principal stress direction of Maoping lead-zinc mine ranged from N60° to 70°W and from N45° to 50°W，and the value of the maximum principal stress is about 12.14 MPa.Taking the stress ratio of rock strength as the criteria of judgment，it is considered that the in-situ stress of Maoping lead-zinc mine exist a development trend from low ground stress to high ground stress.

Maximum principal stress，In-situ stress level，Acoustic emission，Kaiser effect

2014-11-02

周高明(1967—)，男，高級工程師，碩士。

TD311

A

1001-1250(2015)-04-048-04