錦豐金礦深部地應(yīng)力測量及分布規(guī)律分析

陳建新

摘要：錦豐金礦礦體最大埋深900 m以上，目前已逐步轉(zhuǎn)入深部500 m開采，區(qū)域地應(yīng)力明顯增大，巷道支護(hù)體開裂變形、片幫、底鼓等問題日益突出。為了切實(shí)掌握深部地應(yīng)力的實(shí)際狀態(tài)，采用空心包體應(yīng)力解除法和DCDA法測得標(biāo)高157 m、90 m、24 m、-59 m共4個標(biāo)高段的9組應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：深部最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向，在90 m水平以上，地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主;90 m以下逐步轉(zhuǎn)為以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。采深最低處90 m標(biāo)高最大水平主應(yīng)力為17.3 MPa。通過數(shù)據(jù)趨勢擬合推測礦體埋深最深處-250 m標(biāo)高的最大水平主應(yīng)力將達(dá)到42.97 MPa。本次地應(yīng)力實(shí)測成果可作為礦山深部巷道工程布置和支護(hù)方案設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力測量;空心包體;應(yīng)力解除法;DCDA法;巖心直徑;變形分析

引 言

地應(yīng)力是存在于地殼中的原始力，地殼的移動、褶皺、斷層、褶曲、地下水位或溫度變化等地質(zhì)現(xiàn)象就是地應(yīng)力的直接表現(xiàn)。礦山井巷工程開挖過程對原始應(yīng)力平衡狀態(tài)造成擾動，因此在應(yīng)力重新分布的過程中使巷道發(fā)生冒頂、片幫、底鼓甚至巖爆等破壞現(xiàn)象。根據(jù)地應(yīng)力的大小、方位角及地下巖體本身特性的不同，巷道破壞現(xiàn)象各異。研究普遍認(rèn)為：不論是垂直方向還是水平方向上，地應(yīng)力都會隨開采深度的增大而增大[1]。因此，深部礦山巷道工程布置、支護(hù)方案的選擇、后期巷道維護(hù)都將考慮到區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力的分布狀態(tài)和總體規(guī)律。地應(yīng)力已經(jīng)成為研究地下巷道工程變形機(jī)理、確定支護(hù)方案的重要參考指標(biāo)。

貴州錦豐礦業(yè)有限公司（下稱“錦豐金礦”）巖石松軟破碎，掘進(jìn)工程延深至標(biāo)高130 m以下時，表現(xiàn)出較大的應(yīng)力釋放特征。其中，110 m、90 m、70 m平巷及150～70 m主斜坡道均發(fā)生不同程度的巷道開裂變形和底鼓，新掘巷道未投入使用就需要返修，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和安全生產(chǎn)。因此，實(shí)測掌握深部地應(yīng)力成為解決深部巷道支護(hù)問題的重要環(huán)節(jié)。

1 工程地質(zhì)概況

錦豐礦區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺西南緣，望漠北西向構(gòu)造變形區(qū)西側(cè)，挾持于北東向賴子山背斜及其東翼洛帆逆沖斷裂、北西向板昌逆沖斷層和冊亨東西向構(gòu)造帶組成的三角形構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)。礦區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的褶皺有林壇背斜、爛泥溝向斜及上冗半向斜。斷裂發(fā)育，主要有北西向、南北向及北東向3組。北西向?yàn)榈V區(qū)的主體構(gòu)造，其中F3為本區(qū)主要控礦斷裂，實(shí)質(zhì)上是一個強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)變帶及強(qiáng)礦化蝕變帶，還發(fā)育了一系列的配套構(gòu)造。

礦區(qū)地層主要為三疊系中統(tǒng)邊陽組、尼羅組、許滿組及三疊系下統(tǒng)羅樓組，巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、雜砂巖和黏土巖、灰?guī)r等。其中，邊陽組下部為主要含金層位，巖性以薄—中厚層狀、厚層狀細(xì)砂巖、粉砂巖、雜砂巖為主，夾薄—中厚層狀黏土巖，砂巖、黏土巖呈韻律性互層產(chǎn)出[2]。

2 地應(yīng)力測量方法

2.1 測量方法的選擇及選址

空心包體應(yīng)力解除法施工選址時重點(diǎn)考慮選擇巖石條件較好的區(qū)段，以便獲取完整巖心，盡量避開巖石破碎帶和巷道應(yīng)力集中區(qū)，如轉(zhuǎn)彎、岔口，并遠(yuǎn)離現(xiàn)有生產(chǎn)擾動區(qū)[3]。鑒于錦豐金礦巖石普遍破碎，在用工程密集，因此僅在已完成開拓掘進(jìn)尚未投入采礦（無生產(chǎn)擾動）的90 m水平選擇一處實(shí)施測量。為了獲取更多不同深度的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，便于對礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，又采用了巖心直徑變形分析法（DCDA法），對取自地表巖心庫的不同深度段完整巖心進(jìn)行了室內(nèi)測試分析。

2.2 空心包體應(yīng)力解除法

空心包體應(yīng)力解除法屬于典型的孔壁應(yīng)變法，是一種高效率進(jìn)行地應(yīng)力測量的方法，可在單孔中通過一次解除得到多組應(yīng)變片記錄的不同方向的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、泊松比等參數(shù)，求解該點(diǎn)的三維應(yīng)力大小和方向[3]。

空心包體應(yīng)力計(jì)安裝見圖1。施工時，首先施工130 mm、深7 m的盲孔，孔底上傾5°，利于水循環(huán)和沖洗孔底巖屑。打磨孔底后換上36 mm的鉆頭并接上導(dǎo)正器，按原方位角繼續(xù)鉆進(jìn)測量小孔。在測孔中安裝測量元件，測量元件與孔壁緊密黏接。然后換用130 mm鉆頭在小孔外同心鉆取應(yīng)力解除槽。隨著應(yīng)力解除槽的加深，巖心漸漸脫離周圍應(yīng)力場的作用，發(fā)生彈性恢復(fù)，測量元件的負(fù)荷隨之發(fā)生變化（見圖2），數(shù)據(jù)采集儀記錄應(yīng)力解除前后儀器讀數(shù)的變化，自動生成應(yīng)力-解除進(jìn)程曲線。套心解除過程中注意觀察各應(yīng)變片隨進(jìn)尺變化的讀數(shù)變化，一般每隔3 cm讀一次數(shù)據(jù)（解除深度一般36～45 cm）。解除完成，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止鉆進(jìn)。取出帶測量元件的巖心進(jìn)行圍壓率定（見圖3），將取出帶有元件的巖心放到圍壓率定器中，給巖心加圍壓并進(jìn)行讀數(shù)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算巖石的彈性模量與泊松比，用作最終結(jié)果的解算。

2.3 DCDA法

DCDA法主要是利用巖心卸壓（取心，脫離地應(yīng)力影響）后巖體發(fā)生微膨脹導(dǎo)致的截面方向不均勻的應(yīng)變量，變形后的巖心截面視為由原位應(yīng)力狀態(tài)下的等徑直圓變?yōu)闄E圓，最大應(yīng)力方向即是橢圓長軸方向;假設(shè)巖石為均質(zhì)材料，根據(jù)線彈性理論可求出原位地應(yīng)力的σmax和σmin差值。在利用古磁定向的基礎(chǔ)上，確定σmax和σmin的方向。根據(jù)Savage經(jīng)典理論模型，對于垂直鉆孔，利用不同直徑方向上的變形和上述假定條件，可以估算得到最大和最小水平主應(yīng)力的量值[4]，則σmax、σmin、σZ值（σZ值為上覆巖層的重力）均可得到。巖心直徑測試只需要采用配有激光測距儀、電動機(jī)驅(qū)動滾輪和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)備即可完成。

3 地應(yīng)力測量結(jié)果

3.1 空心包體應(yīng)力解除法

應(yīng)力解除過程中，數(shù)據(jù)采集儀現(xiàn)場可直接讀取并繪制應(yīng)力計(jì)的輸出曲線，即應(yīng)力解除曲線（見圖4）。從圖4可以看出：在解除鉆進(jìn)靠近應(yīng)力計(jì)的中心位置時，曲線變化幅度逐漸達(dá)到最大，超過中心位置時，曲線逐漸趨于平穩(wěn)[5]。為了獲取有效彈性模量（E）和有效泊松比（ν）而進(jìn)行的圍壓率定試驗(yàn)曲線見圖5。2種數(shù)據(jù)曲線均表明各應(yīng)變片工作狀態(tài)較好。具體結(jié)果見表1、表2。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)求解最大、最小水平方向應(yīng)力，垂直應(yīng)力等于σZ，得到的結(jié)果見表3。

3.2 DCDA法

DCDA法取巖心的垂直鉆孔孔口標(biāo)高為680 m，取巖心深度分別為522～523 m、656～657 m和739 m共3個深度段，每個深度段取2塊巖心，每個巖心進(jìn)行2次直徑（d1、d2）變形分析測試;剔除部分異常數(shù)據(jù)，結(jié)合巖心古地磁定向，得到測試結(jié)果，見表4。

由表4可知：最大水平主應(yīng)力為9.39～27.49 MPa，最小水平主應(yīng)力為3.23～8.54 MPa，垂直應(yīng)力為14.36～19.95 MPa。最大和最小水平主應(yīng)力值隨深度增加而增大，符合客觀規(guī)律[6-7]。同一深度段最大和最小水平主應(yīng)力的幾組數(shù)據(jù)均較為接近，測試結(jié)果有較高的可靠性。

3個樣品523 m、657 m和739 m最大水平主應(yīng)力方向計(jì)算結(jié)果分別為NE59°、NE55°和NE47°，礦區(qū)最大水平主應(yīng)力方向基本為NE向。

3.3 數(shù)據(jù)綜合分析

將上述2種方法的測試結(jié)果進(jìn)一步綜合分析，其中DCDA法同一深度（h）內(nèi)應(yīng)力值取加權(quán)平均值，見表5。

根據(jù)表5，繪制應(yīng)力-深度變化曲線，見圖6。由圖6可知：

1）最大水平主應(yīng)力σmax、最小水平主應(yīng)力σmin和垂直應(yīng)力σZ隨深度增加而增大，符合已有的認(rèn)識和規(guī)律。

2）將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到應(yīng)力隨深度的變化基本呈線性關(guān)系，表達(dá)式為：以此推算出礦體賦存最深處-250 m標(biāo)高的地應(yīng)力或?qū)⑦_(dá)到σmax=42.97 MPa，σmin=13.56 MPa。

3）各深度段σmax與σmin差值均較大，且此差值隨著深度的增加同向增大，表明區(qū)域內(nèi)剪應(yīng)力值相對較大，剪切破壞因素較強(qiáng)。

4）礦區(qū)最大水平主應(yīng)力方向基本為NE向。深部開拓工程巷道布置盡量以巷道軸線平行于NE向?yàn)橐恕?/p>

5）在90 m水平以上，σmax<σZ，最大應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主;在90 m水平以下，σmax>σZ，最大應(yīng)力將變?yōu)橐运綐?gòu)造應(yīng)力為主。從淺部157 m水平往下至-59 m水平，側(cè)壓系數(shù)[8]變化范圍為0.65～1.37。

6）空心包體應(yīng)力解除法測點(diǎn)的垂向應(yīng)力與σZ=0.027h（巖體密度為2.7 t/m3）直線較為接近，說明2種方法的測試結(jié)果均有較高的可靠性。

根據(jù)擬合曲線推測的礦體最深部水平應(yīng)力將達(dá)到42.97 MPa，因此深部巷道工程在布置、支護(hù)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)時機(jī)安排上均需要考慮地應(yīng)力的影響。尤其在支護(hù)設(shè)計(jì)方面，需要改變淺部常規(guī)的管縫錨桿+鋼網(wǎng)+噴漿的支護(hù)方式，根據(jù)具體不同的巖石狀況，優(yōu)選適合錦豐金礦大型機(jī)械化施工的樹脂錨桿、注漿錨桿、長錨索等多種支護(hù)方式。

4 結(jié) 論

采用空心包體應(yīng)力解除法和DCDA法，對90 m水平段巷道的測點(diǎn)和3個深度段垂直鉆孔的巖心開展了地應(yīng)力測試，共取得了4個深度段的有效地應(yīng)力數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，礦區(qū)地應(yīng)力基本分布特點(diǎn)為：

1）最大水平主應(yīng)力σmax、最小水平主應(yīng)力σmin和垂直應(yīng)力σZ均隨深度增加而增大。在90 m水平以上，地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主;90 m水平以下逐步轉(zhuǎn)為以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

2）最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E47°～NE59°，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)镹E向，即北東向;最深處測點(diǎn)-59 m水平的最大水平主應(yīng)力達(dá)到26 MPa，應(yīng)力較大，深部掘進(jìn)、采礦都將面臨更多的支護(hù)難題和更大的安全挑戰(zhàn)。

3）目前轉(zhuǎn)入采礦的最低標(biāo)高90 m水平的三維應(yīng)力狀態(tài)為：σ1=13.9 MPa，方位角245°，傾角50°;σ2=3.4 MPa，方位角40°，傾角37°;σ3=5.7 MPa，方位角140°，傾角13°。

4）根據(jù)擬合曲線推測的礦體最深部水平應(yīng)力將達(dá)到42.97 MPa，因此深部巷道工程在布置、支護(hù)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)時機(jī)安排上均需要考慮地應(yīng)力的影響。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[2] 陳懋弘，毛景文，PHLLIP J，等.貴州錦豐（爛泥溝）超大型金礦構(gòu)造解析及構(gòu)造成礦作用[J].礦床地質(zhì)，2007，26（4）：380-392.

[3] 馮興隆，劉華武，高兆偉，等.普朗銅礦地應(yīng)力測量及其結(jié)果分析[J].湖南有色金屬，2015，31（1）：3-4.

[4] 楊躍輝，孫東生，鄭秀華，等.巖芯直徑變形分析法及其在松科2井深部地應(yīng)力調(diào)查中的應(yīng)用[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，50（12）：3 107-3 111.

[5] 蔡增祥，劉蔚俊，秦云東，等.千米深井深部地應(yīng)力測量與分布規(guī)律探索[J].中國礦業(yè)，2019，28（增刊1）：276-277.

[6] 張曉.基于地應(yīng)力測量的應(yīng)力場研究[J].煤礦開采，2012，17（2）：25.

[7] 劉元坤，石安池，韓曉玉，等.裂隙較發(fā)育巖體的地應(yīng)力測量與研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2017，34（12）：63-67.

[8] 陳志敏.不同巖性側(cè)壓比隨深度變化規(guī)律探討[J].西部探礦工程，2006，18（6）：99-101.