黔西南錦豐金礦地應(yīng)力測試及分布特征研究

左宇軍，榮 鵬*，林健云，鄭祿璟,2，潘 超，陳慶港，金開玥,2

(1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 黔西南布依族苗族自治州 562200)

地應(yīng)力是由巖體重力、地質(zhì)構(gòu)造運動、地層結(jié)構(gòu)、萬有引力、外部荷載等所引起的[1]。隨著淺部礦產(chǎn)資源日益枯竭，礦產(chǎn)資源的開采深度正逐年增加。對于深部巖體工程，地應(yīng)力的大小、方向及地下巖體本身特性直接決定了巷道圍巖應(yīng)力、變形與破壞的空間分布特征及穩(wěn)定程度[2]。隨著開采深度的增加，應(yīng)力環(huán)境變得極為復(fù)雜，巷道圍巖的力學行為與淺部存在明顯差異，造成巷道圍巖出現(xiàn)非均稱的變形失穩(wěn)破壞問題，對深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)帶來重大安全隱患。因此，對深部巖體進行原位地應(yīng)力測試，掌握深部地應(yīng)力場分布特征及其影響因素，可為深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

國內(nèi)外學者對地應(yīng)力場測量及分布特征進行了大量研究?？导t普等[3]收集了大量中國煤礦礦區(qū)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，建立了我國首個井下地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，并對礦區(qū)井下地應(yīng)力分布特征和主控因素進行了分析，取得一系列研究成果。趙德安等[4]將我國578組地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和擬合，總結(jié)出了σz/σH值隨深度的變化規(guī)律。李鵬等[5]對中國金屬礦區(qū)165組地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，討論了地應(yīng)力對礦區(qū)斷層穩(wěn)定性的影響，得出了不同埋深下地應(yīng)力對斷層的影響規(guī)律。文獻[6-8]利用空心包體應(yīng)力解除法對我國不同礦區(qū)進行了地應(yīng)力測量，結(jié)合應(yīng)力場與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系分析了地應(yīng)力場分布特征及其對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。王社光等[9]根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料及地質(zhì)構(gòu)造特征，采用理論分析、三維地質(zhì)建模和數(shù)值模擬的方法進行了地應(yīng)力場反演研究。GUO等[10]通過地應(yīng)力測量，獲得了研究區(qū)地應(yīng)力分布特征，基于彈性力學原理計算了理想巷道在地應(yīng)力作用下的力學效應(yīng)，分析了巷道的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布特征。LI等[11]為了解決深部巷道開挖過程中圍巖失穩(wěn)問題，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型，系統(tǒng)分析了不同地應(yīng)力分布形式對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。榮海等[12]針對某礦巷道變形嚴重問題，采用應(yīng)力解除法對該礦進行了原位測試，獲得地應(yīng)力場分布特征，并應(yīng)用地質(zhì)動力區(qū)劃法進行了應(yīng)力區(qū)劃分和巷道圍巖穩(wěn)定性分析。

黔西南錦豐金礦開采深度為750 m至-250 m，礦體最大埋深在900 m以上。隨著開采深度逐步增加，區(qū)域地應(yīng)力明顯增高，巷道圍巖失穩(wěn)問題日益突顯。針對黔西南錦豐金礦開發(fā)過程中面臨的礦體賦存狀態(tài)復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定性差等問題，結(jié)合研究區(qū)域的具體地質(zhì)背景和相關(guān)實測數(shù)據(jù)資料，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法，開展錦豐金礦深部地應(yīng)力分布特征及影響因素研究，對尋求合適的巷道支護方式，解決喀斯特地區(qū)高地應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)問題，以及指導(dǎo)礦產(chǎn)資源開采和促進礦山安全高效生產(chǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 工程地質(zhì)構(gòu)造背景

錦豐金礦位于中國貴州省黔西南布依族苗族自治州，是中國西南地區(qū)目前已探明的最大的卡林型金礦床(Carlin-type gold deposit)。該礦采用露天開采和井下開采的聯(lián)合開采方式。由于淺部資源枯竭，目前露天開采已經(jīng)結(jié)束，轉(zhuǎn)為井下開采。隨著井下作業(yè)不斷向深部發(fā)展，巖體賦存條件變得極為復(fù)雜。

錦豐金礦地面標高平均在680 m，礦體最大埋深約為-250 m水平，目前開采水平為30、90、150 m中段。該礦區(qū)地層主要為三疊系中統(tǒng)邊陽組(T2by)、尼羅組(T2nl)、許滿組(T2xm)及三疊系下統(tǒng)羅樓組(T1ll)，巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖和灰?guī)r為主。其中邊陽組下部為主要的含金層位，巖性以中厚層狀砂巖、粉砂巖為主，夾薄至中厚層狀泥巖，或砂巖、泥巖呈韻律性互層[13]。

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要有NW、NE及NS向三個走向組，如圖1所示。NW向組主要有F3、F5、F8、F20，分布于礦區(qū)中部及北部，為礦區(qū)主體構(gòu)造；NE向組斷裂構(gòu)造主要為F2；NS向組見于礦區(qū)西側(cè)，有F1、F9、F7等。其中F2、F3、F8為礦區(qū)的控礦斷層，NW向斷層F3、F8被NE向斷層F2切割。

圖1 錦豐金礦地形地質(zhì)圖Fig.1 Topographic and geological map of Jinfeng Gold Mine

2 地應(yīng)力現(xiàn)場測試及數(shù)值試驗

2.1 地應(yīng)力測量方法

目前，人們主要是通過現(xiàn)場實測的方式獲得地應(yīng)力的分布狀態(tài)。各國學者提出了近百種地應(yīng)力測量方法，按照測量原理可大致分為五類：基于巖芯的方法、基于鉆孔的方法、地球物理方法、地質(zhì)學方法、基于地下空間的方法[14]。每種測量方法有各自的適用背景，就礦山地應(yīng)力測量來說，通常采用應(yīng)力解除法、水壓致裂法和聲發(fā)射法。綜合考慮錦豐金礦現(xiàn)場地質(zhì)條件，地應(yīng)力原位測試采用空心包體套孔應(yīng)力解除法。該方法因測量結(jié)果準確、操作簡單便捷和可靠性高等顯著特點被廣泛采用。

測試使用CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計。該儀器具有操作簡單、能耗低、抗干擾能力強、精度高的突出技術(shù)優(yōu)勢，是目前使用較為廣泛的地應(yīng)力測試儀器。該儀器可在單孔中求得測點的三維應(yīng)力大小和方向，測定的主應(yīng)力誤差<3%，方向誤差為2～4°，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

1—安裝桿；2—定向器導(dǎo)向；3—定向器；4—讀數(shù)電纜；5—定向銷；6—密封圈；7—環(huán)氧樹脂筒；8—空腔；9—固定銷；10—孔壁與應(yīng)力計之間的空隙；11—柱塞；12—鉆孔;13—出膠小孔;14—密封圈;15—導(dǎo)向頭;16—應(yīng)變片；A、B、C為三組應(yīng)變花。圖2 空心包體應(yīng)力計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 A sketch showing the structure of hollow inclusion gauges for in situ stress

2.2 測點布置

地應(yīng)力測量是在已完成開挖的巷道內(nèi)進行。由于巷道開挖打破了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，因此，采用應(yīng)力解除法測量地應(yīng)力時，傳感器安裝位置應(yīng)處于影響范圍之外的原巖應(yīng)力中，一般為3～5倍巷道半徑的距離，其測量鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。除此之外，測點應(yīng)盡可能靠近研究對象，使其具有代表性；測點周圍巖體應(yīng)盡量均質(zhì)完整，以保證取芯的完整性及測量結(jié)果的可靠性；避開正在施工的巷道和硐室，避免不穩(wěn)定區(qū)和干擾源對測量結(jié)果產(chǎn)生影響；避免地質(zhì)構(gòu)造帶(如斷層等)對測量值的影響[1]。根據(jù)以上測點布置原則和現(xiàn)場實際情況考察，對錦豐金礦90 m、150 m中段的適當位置進行了測點布置，其中，1#測點布置在90 m中段，2#測點布置在150 m中段，各測點鉆孔參數(shù)如表1所示。

圖3 地應(yīng)力測量鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Drilling structure diagram of the in-situ stress-measuring

表1 地應(yīng)力測點及鉆孔技術(shù)參數(shù)Tab.1 Observing stations of in-situ stress and drilling parameters

2.3 地應(yīng)力解除實驗

通過在測量鉆孔內(nèi)鉆取含有應(yīng)力計的巖芯，可以得到巖芯在解除應(yīng)力作用下的應(yīng)變數(shù)據(jù)?；跍y量數(shù)據(jù)，通過理論公式計算測點的應(yīng)力分量，最終得到測點地應(yīng)力的賦存狀態(tài)。因此，獲取巖芯在解除應(yīng)力作用下的穩(wěn)定應(yīng)變數(shù)據(jù)是準確計算測點地應(yīng)力大小和方向的前提。傳感器獲得的數(shù)據(jù)為微電壓數(shù)據(jù)，由計算程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成微應(yīng)變數(shù)據(jù)，并繪制出應(yīng)力解除曲線。90 m、150 m中段測點應(yīng)力解除曲線如圖4所示。從應(yīng)力解除曲線可以看出，每一組曲線大致分為低應(yīng)力影響區(qū)、彈性區(qū)和應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)3個階段。

圖4 測點應(yīng)力解除曲線Fig.4 Stress relief curve of measuring points

2.4 巖石物理參數(shù)確定

將帶有應(yīng)力計的巖芯從鉆孔取出后，放入橡膠襯墊雙軸室中率定，給巖芯加圍壓并同時跟蹤測量變化數(shù)據(jù)，同樣將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入到指定的計算程序中進行分析計算，可得到巖芯的彈性模量與泊松比。但在本次測量中，90 m、150 m中段的測點所套取巖芯長度未達到試驗要求(大于10倍小孔直徑，約40 cm)，無法進行巖芯率定試驗，因此采用巖石力學試驗測定巖石彈性模量和泊松比。為保證試驗數(shù)據(jù)的準確，從巖芯庫中取出8～12 m巖芯，巖芯位置基本與地應(yīng)力測試傳感器安裝位置一致，巖性為砂巖。巖芯經(jīng)切磨加工制備成標準試樣(共6件)，由全數(shù)字型液壓伺服剛性巖石力學試驗系統(tǒng)測定試驗參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 彈性模量和泊松比試驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of elastic modulus and Poisson’s ratio

2.5 數(shù)值試驗

在地下巖體工程實踐中，地應(yīng)力現(xiàn)場實測是獲取研究區(qū)地應(yīng)力場分布特征最直接、最精確的方式，但存在測量成本高、測點數(shù)量有限、測量結(jié)果離散性大等諸多局限性。此外，由于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地應(yīng)力成因復(fù)雜，加上巖體的非均質(zhì)性等因素，測點結(jié)果僅能反映該點的局部范圍內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，不足以說明區(qū)域地應(yīng)力場分布特征。結(jié)合研究區(qū)域的具體地質(zhì)背景和相關(guān)實測數(shù)據(jù)資料，利用有限差分軟件進一步分析地應(yīng)力場分布特征影響因素。

根據(jù)錦豐金礦地質(zhì)地形圖及剖面圖等資料，掌握研究區(qū)地層分布及地質(zhì)構(gòu)造特征，結(jié)合地應(yīng)力實測點空間位置，確定模型范圍。模型原點坐標為(587 000，2 782 000，0)，Y方向為正北向。x,y,z軸的計算范圍分別為0～1 200，0～940，0～732 m?；贛IDAS GTS有限元軟件，考慮研究區(qū)控礦斷層F2、F3、F8建立三維地質(zhì)模型，實際礦區(qū)與三維地質(zhì)模型如圖5所示。

圖5 實際礦區(qū)與三維地質(zhì)模型Fig.5 Actual mining area and 3-D geological model

對三維地質(zhì)模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體單元，共劃分55 810個節(jié)點，305 616個單元(圖6)。通過接口文件，將建立好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用邊界荷載調(diào)整法對模型初始地應(yīng)力場進行計算，使數(shù)值計算結(jié)果趨近于實測值。模型水平方向x、y設(shè)為混合邊界條件；z方向頂部為自由邊界條件，底部為位移約束條件。重力加速度設(shè)為-9.8 m/s2，模型收斂條件默認為Mech.Ratio≤1.00×10-5。巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。結(jié)合巖石力學試驗與工程地質(zhì)條件，研究區(qū)物理力學參數(shù)如表3所示，斷層區(qū)域的處理采用弱化材料屬性的方法[15]。

表3 巖體物理力學參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of rock mass

圖6 三維網(wǎng)格模型Fig.6 3-D mesh model

3 結(jié)果與分析

3.1 地應(yīng)力測量結(jié)果

根據(jù)應(yīng)力解除作用下獲取的測點應(yīng)變數(shù)據(jù)及力學試驗測得的彈性模量和泊松比，通過式(1)—(3)[16]進行計算，得到實測地應(yīng)力的應(yīng)力分量大小及方向，計算結(jié)果見表4及表5。

(1)

(2)

(3)

式中：ερ,εφ,γρφ分別為徑向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和切應(yīng)變；σx,σy,σz分別為各方向正應(yīng)力，MPa；τxy,τyz,τzx為切應(yīng)力，MPa；θ為應(yīng)變片角度；k為修正系數(shù)(k1=1.15，k2=1.16，k3=1.10，k4=0.93)。

表4 地應(yīng)力測試主應(yīng)力計算結(jié)果Tab.4 Principal stress results of in-situ stress measurement

表5 地應(yīng)力測試分量計算結(jié)果Tab.5 Results of stress component

3.2 地應(yīng)力分布特征

由實測數(shù)據(jù)可知：礦區(qū)測點屬于中高等應(yīng)力水平，90 m、150 m中段埋深在523～590 m，垂直應(yīng)力為14.6～17.3 MPa；若以上覆巖層平均容重為27 kN/m3計算，實測σz基本等于上覆巖層重量γH。90 m中段σ1與σ3差值較大，表明開采區(qū)巖體內(nèi)剪應(yīng)力值相對較大，巷道易發(fā)生剪切破壞。150 m中段測點最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均接近水平位置，其與水平面的夾角小于15°；最小主應(yīng)力位于接近垂直的平面內(nèi)，其與鉛垂面的夾角小于25°。水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，其中σy為垂直應(yīng)力σz的1.43倍，σx為垂直應(yīng)力σz的1.17倍。各測點最大主應(yīng)力方位角處于187～245°，整體呈NE-SW向。

錦豐金礦位于右江盆地西北部，毗鄰揚子陸塊邊緣，礦區(qū)可分為臺地和盆地2個構(gòu)造單元。西部臺地由石炭-二疊系灰?guī)r組成，東部盆地由一系列強烈褶皺和陸源碎屑巖組成。礦區(qū)東部碎屑巖盆地區(qū)以NS、NE向造山型線性褶皺為主，NE向次級小褶皺疊加在NS向主體褶皺之上。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以及開采區(qū)內(nèi)次級褶曲方向，總體可以推斷研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為NE-SW向，與實測地應(yīng)力場分布方向基本一致。

利用數(shù)值模擬軟件計算得到精確滿足實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)的地應(yīng)力場，通過FISH語言編程，計算得到研究區(qū)垂直應(yīng)力等值線圖，90 m 、150 m中段平面最大主應(yīng)力等值線圖，如圖7所示。

圖7 應(yīng)力等值線圖Fig.7 Contour map of stress

由圖7可知：巖層的最大垂直應(yīng)力σz為13～18 MPa。錦豐金礦地處黔西南喀斯特地區(qū)，地形地貌崎嶇復(fù)雜，加上礦區(qū)前期開采方式為露天開采，地下采區(qū)上部存在巨大露天礦坑。在地應(yīng)力實測中，測點1#相較于測點2#埋深只增加67 m，垂直應(yīng)力卻相差2.7 MPa。通過對實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行綜合分析，可以認為，這是由于局部的地形差異而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，地形地貌的差異性對垂直應(yīng)力分布具有一定影響。同時，研究的3條斷層所在區(qū)域應(yīng)力值明顯降低，斷層帶相較于周圍巖體應(yīng)力水平降低了約0.4～0.6 MPa，說明斷層對地應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響，破碎的斷層帶釋放了部分應(yīng)力。150 m中段平面巖層的σ1值為15～21 MPa，其中大部分區(qū)域在15～19 MPa；90 m中段平面巖層的σ1值為17～23 MPa，大部分區(qū)域在17～20 MPa，屬于中高等應(yīng)力水平?？傮w來看，最大主應(yīng)力隨埋深的增加有增大的趨勢，東、西部較中部稍大。

4 結(jié)論

針對黔西南錦豐金礦開發(fā)過程中面臨的礦體賦存狀態(tài)復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定性差等問題，通過套孔應(yīng)力解除法和數(shù)值模擬方法對礦區(qū)90 m、150 m中段地應(yīng)力分布特征進行研究，掌握錦豐金礦深部地應(yīng)力分布規(guī)律，并分析了其影響因素。研究結(jié)論如下：

1) 由實測數(shù)據(jù)可知，礦區(qū)90 m、150 m中段測點屬于中高等應(yīng)力水平。各測點主應(yīng)力中有2個傾角較小，接近水平應(yīng)力，1個傾角較大，接近垂直應(yīng)力，實測σz基本等于上覆巖層重量γH。90 m中段σ1與σ3差值較大，表明開采區(qū)巖體內(nèi)剪應(yīng)力值相對較大，巷道易發(fā)生剪切破壞。

2) 最大主應(yīng)力方位角處于187～245°，整體呈NE-SW向，通過地應(yīng)力場與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系分析，總體可以推斷研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力與實測地應(yīng)力場分布方向基本一致。

3) 通過分析垂直應(yīng)力等值線圖，90 m、150 m水平標高巖層最大主應(yīng)力等值線圖，得到局部的地形差異可以導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象，研究區(qū)內(nèi)3條斷層所在區(qū)域應(yīng)力值明顯降低，最大主應(yīng)力隨埋深的增加有增大的趨勢，東、西部較中部最大主應(yīng)力要稍大。