普朗銅礦地應(yīng)力測量及其結(jié)果分析

馮興隆，劉華武，高兆偉，朱月鋒，吳 明，趙冰峰

（云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 迪慶 674400）

·采 選·

普朗銅礦地應(yīng)力測量及其結(jié)果分析

馮興隆，劉華武，高兆偉，朱月鋒，吳 明，趙冰峰

（云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 迪慶 674400）

普朗銅礦擬采用自然崩落法進行開采，在使用此方法之前要研究礦巖的可崩性、崩落規(guī)律等。礦區(qū)地應(yīng)力數(shù)據(jù)是評價礦巖可崩性、研究崩落規(guī)律和井巷工程設(shè)計的主要依據(jù)。為此在普朗銅礦首采區(qū)的3 720m和3 540m水平進行了系統(tǒng)的地應(yīng)力測量，現(xiàn)場測量采用孔壁應(yīng)變解除法，共獲得了6個測點的三維應(yīng)力數(shù)據(jù)。測量結(jié)果表明，地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力值介于11.60～17.69 MPa之間，屬于中等地壓范圍。

普朗銅礦；地應(yīng)力測量；孔壁應(yīng)變解除法

地應(yīng)力是引起采礦、水利水電、道路和各種地下巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力，科學(xué)準確的地應(yīng)力測量是確定工程巖體力學(xué)屬性，進行圍巖穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)巖土工程決策、設(shè)計和開挖科學(xué)化的必要前提。尤其在地下采礦工程中，無論是區(qū)域穩(wěn)定性還是井巷、采場的穩(wěn)定性問題都與地應(yīng)力場（包括構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)力場）及其衍生物——各種構(gòu)造形跡密切相關(guān)。地應(yīng)力是圍巖穩(wěn)定性分析、巖土工程設(shè)計和決策所必需的基礎(chǔ)資料之一［1～3］。

普朗銅礦現(xiàn)探獲銅金屬量480萬t，礦體長大約2 300m，寬600～800m，但由于礦石品位較低，擬采用自然崩落法開采。在論證一個礦體或礦塊能否采用自然崩落法時，首先必須對地應(yīng)力場有十分準確的了解［4］。因此，對普朗銅礦的三維地應(yīng)力場的變化及分布規(guī)律進行了研究，為后續(xù)礦體的高效、安全開采提供準確的地應(yīng)力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 測量方法和測量原理

1.1 測量方法

從國際地應(yīng)力研究來看，目前已有二十幾個國家開展了地應(yīng)力測量工作，測量方法有十余類，數(shù)十種之多。我國的地應(yīng)力測量工作是在李四光教授的倡導(dǎo)下于上世紀六十年代初期開展的，目前已在地震、地質(zhì)、冶金、煤炭、石油和水利等部門得到了廣泛的應(yīng)用。

對測量方法分類并沒有統(tǒng)一的標準，國際上有人根據(jù)測量原理的不同分為應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法，共八類；國內(nèi)外大多數(shù)專家學(xué)者傾向于依據(jù)測量基本原理的不同，將測量方法分為直接法和間接法兩大類［5］。

普朗銅礦地應(yīng)力的測量利用瑞典LUT地應(yīng)力測定儀測定巖體應(yīng)力的方法，實質(zhì)為孔壁應(yīng)變解除法。

1.2 測量原理

孔壁應(yīng)變解除法的基本原理是假定孔壁圍巖的變形是線彈性變形，并且加載與卸載曲線重合。從鉆孔圍巖中次生應(yīng)力與原巖應(yīng)力的關(guān)系和孔壁應(yīng)變與鉆孔圍巖次生應(yīng)力的關(guān)系，導(dǎo)出孔壁應(yīng)變與巖體應(yīng)力的關(guān)系。在測出孔壁彈性應(yīng)變的條件下，可根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和實測的巖石彈性常數(shù)求解巖體應(yīng)力。

其測定的方法是打鉆孔深入到巖體中，并在孔壁粘貼足夠的應(yīng)變片，再將這些應(yīng)變片的初始應(yīng)變調(diào)零，然后套孔解除鉆孔圍巖應(yīng)力，使巖芯的變形發(fā)生彈性恢復(fù)，并測出巖芯管的彈性恢復(fù)應(yīng)變，根據(jù)這些彈性恢復(fù)應(yīng)變和巖石彈性常數(shù)，計算巖體應(yīng)力［6］。它是基于彈性力學(xué)理論，先通過測量粘貼在巖體小孔壁上12個應(yīng)變片中的彈性恢復(fù)應(yīng)變來計算該點的六個原巖應(yīng)力分量，再由這六個應(yīng)力分量計算原巖中的主應(yīng)力。

LUT巖石三軸應(yīng)變地應(yīng)力測量儀的探頭裝有3個應(yīng)變片活塞（如圖1所示），每個活塞表面粘貼有4個應(yīng)變片，組成一個應(yīng)變花，故一次能測出12個應(yīng)變值。三個應(yīng)變花沿Z軸成270°、30°和150°分布（α角），每個活塞上的四個應(yīng)變花與Z軸夾角（β）分別是為90°、45°、0°和135°，在這種布置方式下，孔壁應(yīng)變與巖體應(yīng)力的關(guān)系計算公式見文獻［7］。

圖1 LUT三軸應(yīng)變計探頭剖面圖

2 普朗銅礦地應(yīng)力測量

2.1 礦山概況

普朗銅礦位于香格里拉縣東北部，距縣城62 km，為一超大型斑巖銅礦，目前已探獲銅資源量480萬t。根據(jù)普朗銅礦礦體的礦石儲量、礦體賦存情況，一期采、選建設(shè)規(guī)模為年處理原礦石1 250萬t，一期工程設(shè)計的開采范圍為KT1礦體11～20線之間的3 720m以上的礦體，擬采用自然崩落法進行開采，現(xiàn)礦山正處于基建階段［8］。

礦山區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動強烈，斷裂、褶皺發(fā)育。一系列北西向緊密線性褶皺和同向斷裂是控制沉積建造、變質(zhì)作用、巖漿活動及其有關(guān)礦產(chǎn)的主要構(gòu)造。次級同向斷裂及東西向斷層則為容巖（礦）構(gòu)造。晚期發(fā)育規(guī)模較小的北東向斷層，切錯了早期斷裂及褶皺。礦區(qū)位于普朗向斜東翼，礦區(qū)構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造線方向一致；礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動強烈，發(fā)育斷層、次級褶皺以及節(jié)理（裂隙）。

2.2 地應(yīng)力測點布置

為了了解礦區(qū)各處的原巖應(yīng)力大小和方向，以便進一步研究采礦方法和技術(shù)、采場地壓管理以及井巷支護等工作，在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，確定在普朗銅礦3 720m和3 450m兩個中段選擇6個測點對礦區(qū)的地應(yīng)力場的變化及分布規(guī)律進行測試研究，其中以首采中段3 720m中段作為研究重點，布置了4個測點，在3 450m中段布置2個測點。

原巖地應(yīng)力場的測點的選擇一般要遵循以下幾個原則：測點周圍巖體力求均質(zhì)完整，鉆孔定位于該類巖石中，以保證取芯的完整性及地應(yīng)力測量結(jié)果的可信度；測點應(yīng)盡量靠近設(shè)計巷道，根據(jù)采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造資料，測點對于設(shè)計巷道所處地應(yīng)力場應(yīng)具有代表性；避開附近正在施工的巷硐工程，避開應(yīng)力崎變區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)及干擾源，保證原巖應(yīng)力的真實性；測點要布置在盡量遠離斷層和破碎帶的區(qū)域內(nèi)；兼顧鉆機作業(yè)條件，如水、電、道路運輸?shù)取?/p>

6個測點均布置在新鮮的巖體和礦體中，測點的選擇基本上避開了巷道和采場的彎、叉、拐等應(yīng)力集中區(qū)以及斷層、巖石破碎帶、斷裂發(fā)育帶，同時測點盡量遠離大的采空區(qū)和洞室。測點的布置情況如圖2所示。

圖2 測點與所在巷道的相對位置關(guān)系圖

2.3 測量結(jié)果

2.3.1 巖芯筒彈性參數(shù)測定與計算

巖芯筒彈性參數(shù)測定采用雙軸試驗的方法，雙軸試驗又叫圍壓率定試驗，其目的有兩個：一是測定所取巖芯的彈性參數(shù)，直接把“本地”巖石參數(shù)用于計算主應(yīng)力，使測試結(jié)果更加符合真實性；二是對應(yīng)變計的工作狀態(tài)進行檢查，如果在雙軸試驗中發(fā)現(xiàn)某個應(yīng)變計工作不正常，就要刪除其相應(yīng)的解除應(yīng)變值，以避免因應(yīng)變計本身或加工粘貼的原因造成的誤差。

巖石的彈性模量E和泊松比μ通過圍壓率定試驗來測定，其計算公式如下：

式中：p為圍壓／MPa；E為彈性模量／MPa；μ為泊松比；εθ、εl分別為環(huán)向和縱向應(yīng)變／‰；Di、Dy分別為筒狀巖芯內(nèi)外直徑／mm。

通過專用圍壓加載裝置，對巖芯管施加圍壓，測定管內(nèi)探頭應(yīng)變片的圍壓-應(yīng)變曲線，以計算巖石的彈性模量E和泊松比μ。每段巖芯管加卸載3次，E和μ取3次的平均值。本處只取3 720m中段的1＃測點的第一測段的圍壓-應(yīng)變加卸載全過程曲線加以說明，如圖3所示。

圖3 3 720m-1＃-1圍壓-應(yīng)變加卸載全過程曲線

經(jīng)過測試和計算，可以得到每個測點的彈性參數(shù)，見表1，這些數(shù)據(jù)將用來計算地應(yīng)力主應(yīng)力。

表1 測點彈性數(shù)計算結(jié)果表

2.3.2 應(yīng)力解除試驗結(jié)果

根據(jù)應(yīng)變計探頭上應(yīng)變花至探頭尾部尺寸加上小孔孔口栓塞所需長度和巖芯完整程度確定應(yīng)變片最佳粘貼位置，然后安裝應(yīng)變計探頭，最后把套孔鉆具送入鉆孔，進行等速解除。在探頭上接上數(shù)據(jù)記錄儀，每兩分鐘打印一次數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定。如果解除出的巖芯管溫度高于空氣溫度，等溫度下降再接數(shù)據(jù)記錄儀測定。

LUT巖石三軸應(yīng)變地應(yīng)力測量有專用的計算程序，其界面如圖4所示。該程序在輸入鉆孔方位角、傾角、彈性參數(shù)和解除應(yīng)變后，進行三次迭代計算，可通過屏幕顯示觀察記錄數(shù)據(jù)或借助寬行打印機打印數(shù)據(jù)。

圖4 地下礦山原巖應(yīng)力場計算專用程序界面

經(jīng)過綜合計算，普朗銅礦6個地應(yīng)力測點的空間應(yīng)力分量及主應(yīng)力計算結(jié)果見表2和表3。

表2 各測點應(yīng)力分量計算結(jié)果表MPa

3 礦區(qū)原巖應(yīng)力狀態(tài)分析和結(jié)論

3.1 各測點應(yīng)力分量的計算結(jié)果與分析

根據(jù)平面應(yīng)力狀態(tài)分析與計算，由表2數(shù)據(jù)，求出每個測點的水平最大主應(yīng)力σhmax和水平最小主應(yīng)力σhmin，同時取g＝10m／s2，ρ＝2.7g／cm3計算出每個測點的初始自重應(yīng)力σv，最后計算兩個水平應(yīng)力分量之比以及最大水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力σz之比（側(cè)壓系數(shù)），計算結(jié)果見表4。

各測點應(yīng)力分計算結(jié)果表明：

1.礦區(qū)的水平應(yīng)力存在明顯的方向性，六個測點東西向的水平應(yīng)力分量σy均大于南北向應(yīng)力分量σx，最大水平主應(yīng)力是最小水平主應(yīng)力的1.42～2.29倍。

2.所測區(qū)域范圍內(nèi)的側(cè)壓系數(shù)較為平均，比值在2左右波動，這與我國大陸區(qū)域地壓的側(cè)壓力系數(shù)分布規(guī)律基本相一致。

3.所有測點均表現(xiàn)出水平應(yīng)力分量大于垂直應(yīng)力分量的特征，說明該區(qū)域總體上以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

表3 地應(yīng)力測量結(jié)果一覽表

表4 各測點不同方向應(yīng)力分量比值變化情況

4.在3 540m中段的5、6號測點的應(yīng)力分量中存在較大的剪應(yīng)力，按照莫爾-庫侖理論，巖體的破壞通常是由于剪切破壞引起的，所以在開采設(shè)計及巷道支護中須引起一定的重視。

3.2 各測點主應(yīng)力計算結(jié)果與分析

各測點主應(yīng)力計算結(jié)果（見表3）表明：

1.礦區(qū)最大主應(yīng)力的傾角大部分均小于20°，這說明普朗礦區(qū)的地壓主要是由構(gòu)造應(yīng)力引起，自重對地壓的影響要小于構(gòu)造應(yīng)力的影響，在礦區(qū)開拓、生產(chǎn)及巷道支護上應(yīng)重點考慮水平方向的地壓影響。

2.六個測點中最大主應(yīng)力為17.09 MPa，最小為11.60 MPa，屬中等地壓范圍。

3.礦區(qū)最大主應(yīng)力的方向表現(xiàn)出較好的一致性，礦區(qū)最大主應(yīng)力接近于東西方向，這與礦區(qū)的地形、地貌和地質(zhì)構(gòu)造相符，說明本次普朗礦區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果的正確性。

4 結(jié) 論

1.普朗銅礦礦區(qū)的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力傾角較小，介于5.73°～29.41°之間；礦區(qū)的最大主應(yīng)力的方位大致呈東西向，與礦區(qū)的南北向為主導(dǎo)的褶皺等地質(zhì)構(gòu)造特征相符合。

2.普朗銅礦所測區(qū)域的最大主應(yīng)力值介于11.60～17.69 MPa之間，屬于中等地壓范圍；所測區(qū)域范圍內(nèi)的地應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)較為平均，與我國大陸區(qū)域地壓的側(cè)壓力系數(shù)分布規(guī)律基本相一致；所有測點的各應(yīng)力分量表現(xiàn)出如下特點：σy（東西向應(yīng)力分量）＞σx（南北向應(yīng)力分量）＞σz（垂直應(yīng)力分量）。

3.普朗銅礦地應(yīng)力的測量為采礦方法進行數(shù)值模擬計算時提供了真實邊界條件，對于選擇更適合該礦區(qū)的安全高效的開采方法、選擇巷道走向或硐室軸向有重要的意義。

［1］Amadei B，Stephansson O.Rock Stress and Its Measurement［M］. London：Chapman＆Hall，1997.490.

［2］康紅普，林建，張曉.深部礦井地應(yīng)力測量方法研究與應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（5）：929-933.

［3］張重遠，吳滿路，廖椿庭.金川三礦地應(yīng)力測量及應(yīng)力狀態(tài)特征研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34（11）：3 254-3 260.

［4］張永坤，程樺，蔡海兵.潘北礦地應(yīng)力測量及其結(jié)果分析［J］.中州煤炭，2012，195（3）：4-6.

［5］喬蘭，蔡美峰.應(yīng)力解除法在某金礦地應(yīng)力測量中的新進展［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1995，14（1）：25-32.

［6］徐紀成，王李管，陳楓，等.普朗銅礦井下大規(guī)模開采關(guān)鍵技術(shù)研究之三維地應(yīng)力測試研究報告［R］.長沙：中南大學(xué)，2013.

［7］陳楓，饒秋華，徐紀成，等.應(yīng)變解除法原理及其在大紅山鐵礦地應(yīng)力測量中的應(yīng)用［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，38（3）：545-550.

［8］馮興隆.自然崩落法礦巖工程質(zhì)量數(shù)字化評價及模擬技術(shù)研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2010.

Pulang Copper Miner In-situ Stress Measurements and Its Results Analysis

FENG Xing-long，LIU Hua-wu，GAO Zhao-wei，ZHU Yue-feng，WU Ming，ZHAO Bing-feng
（Yunnan Diqing Non-ferrous Metals Industry Co.，Ltd.，Diqing 674400，China）

Pulang Copper miner is prepare to mine the orebody using nature caving method.Before using the method，the ore rock cavability，caving law，etc.must to be study.The in-situ stress data of mining is the main basis for ore cavability evaluation，caving law research，mine working engineering design.System in-situ stress measurements has been to do in the 3 720m and 3 540m levels of Pulang copper miner firstly mining area.Field measurements use the hole wall strain release method，and the three dimensional stress data of six points is

.Measurement results show that in-situ stress is dominated by horizontal tectonic stress，and the maximum main stress value is between 11.60 MPa to 17.69 MPa，belonged to the medium pressure range.

pulang copper miner；in-situ stress measurements；the hole wall strain release method

TD311

A

1003-5540（2015）01-0001-04

2014-10-12

馮興?。?980-），男，高級工程師，博士，主要從事自然崩落法與數(shù)字礦山技術(shù)的研究。