高應力山區(qū)礦山井下地應力分布特征研究*

席世強,闞曉平,嚴立德

(1.四川德鑫礦業(yè)資源有限公司,四川 阿壩藏族羌族自治州 624199;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術研究中心,湖南 長沙 410012)

0 引言

地應力是導致礦山井巷變形與失穩(wěn)的主要因素,礦山高應力環(huán)境極易引發(fā)沖擊地壓(巖爆)以及巷道變形等地壓災害,威脅礦山的生產安全。地應力的分布方向與大小對地下礦體開采有較大影響[1-3]。掌握礦山的地應力分布規(guī)律,可有效確保礦山生產安全[4-6]。對于高應力山區(qū)礦山,地形地貌、地殼運動、地震斷層帶等因素造成礦區(qū)的地應力特征復雜多變,因此,亟需掌握井下地應力分布規(guī)律,揭示地應力分布特征。

目前,還有許多學者開展了礦山井下地應力測量、分布特征及建模反演等研究工作。朱明德等[7]以山東省三山島西嶺礦區(qū)為例擬建2000 m 深副井,采用水壓致裂法開展了深部豎井地應力現場測量工作,測量深度達到1899.00 m,通過數值仿真模擬方法反演了豎井工程區(qū)2017.56 m 深的地應力場。周亞博等[8]采用新型聲發(fā)射法進行地應力測量,掌握了柴胡子欄金礦深部地應力分布特征。孫健等[9]采用水壓致裂法對某礦山進行地應力測試,基于現場實測數據,對地應力大小與埋深的關系進行分析,得到該礦山地應力的分布規(guī)律和變化特征。使用有限差分法軟件FLAC 對礦區(qū)地應力場進行反演模擬,模擬結果用來驗證地應力現場實測結果的準確性。張君鵬等[10]采用應力解除法測量了某金屬礦深部原巖應力的大小與方向,并揭示了礦區(qū)的原巖應力分布特征。孫林等[11]采用空心包體應力解除法,對龍首礦開展了不同中段的地應力測量工作,根據原巖應力分布規(guī)律,保證了礦區(qū)采場開采和支護工程的順利實施。

綜合學者們開展的礦山地應力測試研究成果可知,套鉆孔應力解除法、水壓致裂法與鉆孔崩落法等測量方法,作為原巖應力測量的主要方法在原巖應力測試中得到了廣泛的應用,并取得了豐碩的研究成果[12]。對于不同的地區(qū),地應力分布差距較大,尤其對于高地應力的山區(qū),高地應力對礦山開采穩(wěn)定性影響較大[13]。依托某礦山工程案例,開展井下地應力分布特征研究,揭示該礦山井下地應力分布規(guī)律。

1 礦山概況

1.1 工程地質條件

礦區(qū)地處瑪沁～略陽深大斷裂帶、松潘～金川斷裂帶及鮮水河斷裂帶構成的三角形區(qū)域“阿壩地塊”南緣,位于松潘～甘孜地槽褶皺系,巴顏喀拉冒地槽褶皺帶馬爾康復式向斜之南端,屬巴顏喀拉秦嶺地層區(qū)馬爾康分區(qū)的金川小區(qū),礦區(qū)平均海拔為3000～4190 m,為典型的高海拔礦山,且山勢陡峭,屬構造剝蝕高山極深切割高山區(qū)。

區(qū)域出露地層為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組、上統(tǒng)侏倭組(原西康群大石函組)新都橋組,第四系地層零星分布,礦區(qū)工程地質條件為簡單～中等型。

1.2 井下開采現狀

礦山從3500 m 水平往上共掘進7個平硐,中段高度為50 m,并在3500 m 水平以下沿溝谷地帶建設了一座處理能力為500 t/d的選礦工業(yè)試驗廠,在3030 m 標高山谷溝邊坡上修建了一座35 k V 的變電站,并建設了若干輔助生產及生活設施?，F有的主要工程有:

(1)井下工程。目前已形成3500 m、3550 m、3600 m、3650 m、3700 m、3750 m 及3800 m 7個中段探礦工程及3800 m 至3500 m 中段溜井。

(2)地面設施。500 t/d 選廠及配套設施,35 k V 變電站,容量為2×6300 k VA,30 t地面炸藥庫。礦區(qū)公路已到3650 m 中段硐口附近。

2 地應力測量

2.1 測量方法

應力解除法是國際巖石力學學會推薦的地應力測量方法,該方法測試深度相對較淺,可在鉆孔中一次測得6個應力分量[14-15]。本次測量采用應力解除法中的孔壁應力解除法,采用CSIR 型三軸應變計,通過環(huán)氧樹脂與氣泵給風將應變片粘貼在鉆孔孔壁,通過測量套芯前后的應變數據反映測點的原巖應力狀態(tài),地應力測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 LUT三維地應力測試系統(tǒng)

2.2 測點布置

礦山地應力測量工作的目的是為了了解礦井生產區(qū)域各處的原巖應力場的大小和方向,通過測定地應力狀態(tài),為礦山采礦方法設計、礦山地壓管理以及井巷支護等提供理論支撐,并進一步保障井下生產安全。

為確定礦區(qū)原巖應力狀態(tài),針對礦區(qū)開展了現場原巖應力測量工作。為了使地應力測量工作不影響生產,確定了本次礦區(qū)的3個地應力測點位置,分別在3650 m 中段的東六1#、2#穿脈及東三穿脈合適位置布置3個測點。為保障測量的準確性,測點的選擇基本上避開了巷道和采場的彎道、叉口,以及拐角等應力集中區(qū),基于前期的勘探資料,使得測點鉆孔避開了礦區(qū)的斷層、巖石破碎帶、斷裂發(fā)育帶等區(qū)域。3個測點之間保持100 m 以上的水平距離,且具有一定的上履巖層埋深差距。3個測點(測孔)的布置位置、埋深及鉆孔參數見表1。

表1 測點布置及鉆孔參數情況

測點的鉆孔傾角、方位角等參數由地應力測試系統(tǒng)自帶的三維電子羅盤實測得出。本文約定鉆孔傾角中俯角為“＋”,仰角為“－”。

3 地應力測量數據處理與分析

3.1 地應力測量原理

本次原巖應力測量采用瑞典LUT 地應力測定儀測量地應力狀態(tài),該測量方法基于線彈性理論,假定孔壁巖體的變形屬于線彈性變形。通過應變片傳感器記錄所測測點巖體的應變情況,并結合相應測試測得的巖體力學參數,即可計算測得地應力的6個應力分量或者3個主應力的大小和方向[16-17]。其計算式見式(1)至式(6)。

式中,rθz′和xyz分別是柱坐標和笛卡爾坐標系;R為鉆孔半徑,m;r為計算點到鉆孔中心的距離,m;θ為計算鉆孔傾角,(°);μ為泊松比。

3.2 地應力計算

采用LUT-str專用巖體應力計算程序進行地應力計算。測試之前,記錄鉆孔方位角、傾角以及轉角等參數及巖體力學參數,結合相應參數與應變測試結果,通過數據處理程序進行迭代計算,即可獲取測點的原巖應力分量以及主應力大小、方位角以及傾角。根據計算軟件計算出各測點三維主應力值,結果見表2和表3。

表2 各測點地應力分量測試結果

表3 各測點三維主應力計算結果

3.3 地應力場模型

各測點所得的地應力結果只能反應該測點所在區(qū)域的原巖應力狀態(tài),為了反應礦山原巖應力狀態(tài)隨深度變化的規(guī)律,對3個測點計算所得的主應力值進行回歸分析,得到3個主應力隨深度變化的回歸曲線以及表達式,分別如圖2和式(7)所示。

圖2 地應力隨埋深變化及其回歸曲線

3.4 地應力分布規(guī)律及分析評價

根據地應力測量結果,礦區(qū)地應力分布規(guī)律如下。

(1)3 個測點最大主應力的方向均為北東東向,其中1#和3#測點最大主應力方向基本一致,比2#測點更靠近于東西向。1#測點與2#測點最大主應力傾角均較小,盡管3#測點數據達到38.81°,仍小于45°,3個測點最大主應力的傾角均較小,說明該區(qū)域仍以水平構造應力為主。

(2)3 個測點最大主應力介于7.66～11.12 MPa之間,均高于同埋深的自重應力。在同一水平,不同測點地應力的大小和方向雖然有一定變化,但并未產生突變現象,說明礦區(qū)地應力場仍屬較均勻分布。

(3)根據測量結果,3 個測點的東西向水平應力分量σy均大于南北向水平應力分量σx,表明礦區(qū)地應力場分布呈現出較明顯的方向差異性。

(4)礦區(qū)海拔較高,測點位于山坡坡面之下,同一中段測點埋深不同,地應力總體上表現出隨上覆巖層埋深增大而增大的趨勢。

根據測量結果可知,礦區(qū)的地應力場以水平構造應力為主,最大主應力大致呈近東西方向。因此礦區(qū)后續(xù)在構建巷道及其它地下結構時,應使巷道走向盡可能與測得的最大主應力方向一致,或盡可能接近最大主應力方向,從而減小地壓對巷道穩(wěn)定性的影響,提高井下安全性,減少巷道支護成本。此外,對由于開采工藝等方面限制而無法滿足這一條件的地下結構,應針對巷道的巖性條件及時加強支護和監(jiān)測。

根據相關研究,巖體所受最大主應力是巷道發(fā)生變形的最大原因,因此按照地應力水平評價標準,見式(8):

式中,Rc為巖石單軸飽和抗壓強度,MPa;σmax為測試最大地應力值,MPa。當K>7 時,為一般地應力;K=4～7 時,為高地應力;K<7 時,為極高地應力。

根據地應力測量結果,結合礦山巖石力學測試結果,礦巖單軸抗壓強度約為116.58 MPa,可知3個測點由于埋深較淺,K值均大于7,為一般地應力。根據地應力回歸曲線可知,當埋深深度H大于400 m 后,所處地應力為高地應力,當開采至相應深度后,需要加強巷道支護。

4 結論

以高應力山區(qū)某礦山為研究案例,開展了井下地應力大小和分布的現場測量工作,分析了地應力分布特征規(guī)律。得到了以下研究結論。

(1)現場測量的3個測點最大主應力方向均為NEE向,且3個測點最大主應力的傾角均較小,說明該礦區(qū)仍以水平構造應力為主。

(2)現場測量的3個測點最大應力介于7.66～11.12 MPa之間,均高于同埋深的自重應力。在同一水平、不同測點的地應力大小和方向雖然有一定變化,但沒有出現突變現象。

(3)根據測量結果,測點的東西向水平應力分量σy均明顯大于南北向的水平應力分量σx,地應力場分布呈現出較明顯的方向差異性。

(4)3個測點均為一般地應力,當開采深度超過400 m 后,地應力為高應力狀態(tài),需及時加強巷道支護。