某金屬礦深部原巖應(yīng)力測(cè)量及地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究

張君鵬 ，詹進(jìn) ，于濤 ，陸宇超

(1.招金礦業(yè)股份有限公司 大尹格莊金礦， 山東 招遠(yuǎn)市 265414；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

原巖應(yīng)力測(cè)試的方法比較多，為了防止測(cè)點(diǎn)周邊的圍巖穩(wěn)定性被破壞，使其物理力學(xué)性質(zhì)變化較大，影響原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，可從暴露的巖層表面向巖體的內(nèi)部打小孔，直至巖層內(nèi)部區(qū)域[1]。原巖應(yīng)力測(cè)試是在小孔中安裝測(cè)試傳感器。相對(duì)而言，小孔對(duì)原巖應(yīng)力測(cè)試區(qū)擾動(dòng)較小，能準(zhǔn)確掌握礦區(qū)的原巖應(yīng)力狀態(tài)。隨著測(cè)試方法的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)礦山主要采用應(yīng)力解除法和水壓致裂法。近年來(lái)，在巖石力學(xué)科研領(lǐng)域，運(yùn)用原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，建立開(kāi)采礦區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變模型，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)提供了科學(xué)的方法[2]。

隨著原巖應(yīng)力測(cè)試?yán)碚撗芯亢蜏y(cè)試設(shè)備不斷發(fā)展，巖石力學(xué)的測(cè)試方法非常多。水壓致裂法和應(yīng)力解除法是國(guó)內(nèi)礦山科研中最常用的原巖應(yīng)力測(cè)試方法[3-4]。近年來(lái)，學(xué)者們針對(duì)原巖應(yīng)力測(cè)量進(jìn)行了深入而廣泛的研究，李長(zhǎng)洪等[5]采用應(yīng)力解除法（溫度補(bǔ)償）對(duì)大同某礦區(qū)進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試，并結(jié)合原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與地質(zhì)構(gòu)造的資料進(jìn)行了科學(xué)的應(yīng)力分布分析；蔡美峰等[6]采用多點(diǎn)測(cè)量對(duì)比分析對(duì)玲瓏金礦深部進(jìn)行了試驗(yàn)，并研究分析了整個(gè)礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的分布；喬蘭等[7]針對(duì)三山島金礦的淺部礦區(qū)進(jìn)行了原巖應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)分析結(jié)果，構(gòu)建了地應(yīng)力模型;王雙紅等[8]詳細(xì)研究了套孔應(yīng)力解除法的測(cè)試，并深入分析測(cè)試結(jié)果；楊?lèi)傇龅萚9]利用原巖應(yīng)力場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)崩落法采場(chǎng)和充填法采場(chǎng)之間隔離礦柱回采過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行精細(xì)分析，取得了理想的科研成果。本研究以某金屬礦為例，采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法，對(duì)礦區(qū)相關(guān)巷道進(jìn)行了地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

1 礦山概況

某礦區(qū)地處低山丘陵區(qū)，絕對(duì)高度為127.60～197.66 m，第四紀(jì)地層覆蓋較廣，薄家河為區(qū)內(nèi)主要河流，流經(jīng)礦床東部，屬間歇性河流。沿河床第四系地下潛水水量豐富。本礦床礦體埋藏于地面200 m以下，為盲礦體。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，早期以韌性變形構(gòu)造為主，中生代以后以脆性斷裂發(fā)育為特征。

2 原巖應(yīng)力測(cè)試

本次研究采用常用的套孔應(yīng)力解除法測(cè)試礦區(qū)原巖應(yīng)力。空心包體地應(yīng)力測(cè)量使用CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計(jì)，通過(guò)測(cè)量測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力大小和方向，計(jì)算得出原巖應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果，測(cè)定的主應(yīng)力誤差為＜3%，方向誤差為2°～4°。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

由于在不同位置的地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，同一水平各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果可能相差較大。為到達(dá)測(cè)試的最佳效果，選擇在礦區(qū)2#礦體的-736 m二分段、-796 m一分段、-900 m一分段和1#礦體的-616 m南大運(yùn)輸巷、-496 m中段各巷道內(nèi)進(jìn)行地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。各測(cè)點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)及覆巖厚度

根據(jù)測(cè)試要求，主要的工程量是同心圓的大、小孔，其中每個(gè)測(cè)點(diǎn)：大孔Φ130 mm，孔深7～10 m，與大孔同心小孔 Φ36～38 mm，孔深 0.4～0.6 m。

2.2 測(cè)試步驟

原巖應(yīng)力測(cè)試主要技術(shù)流程分9步：打大孔、孔底磨平、打小孔定位孔、打小孔、清洗小孔及吹干、試安裝、安裝應(yīng)變計(jì)探頭、固定應(yīng)變計(jì)探頭、套孔解除。具體鉆孔施工步驟見(jiàn)圖1。

圖1 原巖應(yīng)力測(cè)試鉆孔施工步驟

2.3 測(cè)試結(jié)果以及應(yīng)力分布分析

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算程序的 EXCEL宏中，通過(guò)EXCEL數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)換，得出原巖應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果，并得出直觀的應(yīng)力解除曲線，見(jiàn)圖2、圖3。由圖2、圖3可知，應(yīng)力解除初期，數(shù)值變化較小，數(shù)值變化率逐步增加，說(shuō)明鉆孔深度已不斷接近空心包體應(yīng)力計(jì)的安裝位置[10]。測(cè)量探頭靈敏度逐漸增加，說(shuō)明應(yīng)力解除的位置已到空心包體探頭的位置。隨著鉆孔深度的增加，應(yīng)變值變化率明顯增大，然后進(jìn)入平穩(wěn)的狀態(tài)，最后應(yīng)變值不再發(fā)生變化，這說(shuō)明解除的位置已經(jīng)到達(dá)空心包體應(yīng)力計(jì)的安裝位置。繼續(xù)施工推進(jìn)鉆孔，最終鉆進(jìn)折斷巖芯，取出含空心包體應(yīng)力計(jì)的巖芯，套孔應(yīng)力解除第1階段的工作結(jié)束[11]。

圖2 應(yīng)力計(jì)在套芯過(guò)程中的輸出曲線（-796中段K3）

圖3 應(yīng)力計(jì)在套芯過(guò)程中的輸出曲線（-900中段K4）

套孔應(yīng)力測(cè)試效果較好，測(cè)試結(jié)果的曲線規(guī)律與理論分析的相關(guān)規(guī)律性接近，表明此次試驗(yàn)是成功的。

利用橡膠襯墊雙軸室對(duì)已取出應(yīng)力計(jì)的巖芯進(jìn)行率定，給巖芯加圍壓并測(cè)試其應(yīng)變的變化，同樣將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入到指定的EXCEL宏中計(jì)算，可得到巖芯的彈性模量與泊松比[12]。綜合以上測(cè)試的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析計(jì)算得到地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表2～表4。

表2 原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表3 應(yīng)力分量測(cè)試結(jié)果

表4 巖層側(cè)壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2～表4可知，最大主應(yīng)力方向以偏北為主。排除K6孔測(cè)量數(shù)據(jù)，由于近地表開(kāi)拓工程影響較大，垂直主應(yīng)力多接近于中間主應(yīng)力方向和數(shù)值。各測(cè)點(diǎn)的最大、中間、最小主應(yīng)力隨著埋深逐漸增大，最大主應(yīng)力變化率最大，中間、最小主應(yīng)力變化率較小，說(shuō)明淺部構(gòu)造應(yīng)力對(duì)原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果影響較大。

3 結(jié)論

（1）礦區(qū)原巖應(yīng)力場(chǎng)受水平構(gòu)造應(yīng)力影響為主。

（2）各水平測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力明顯以北偏西向?yàn)橹?，且整個(gè)礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向各水平中段相近。

（3）礦區(qū)的最大水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力隨著埋深增加有規(guī)律性地增長(zhǎng)，平均水平應(yīng)力隨著深度增加而接近于垂直應(yīng)力，側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1.4～1.75，當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)＞1.5時(shí)，礦區(qū)剪應(yīng)力較大，導(dǎo)致破壞巷道及采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

（4）隨著深度逐步增加，巖性變化較大，而應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律沒(méi)有隨巖性變化而有明顯的改變。