黃金礦山深部地應(yīng)力測(cè)試與分布規(guī)律研究

摘要：高地應(yīng)力是深部開(kāi)采不可避免的難題。為確保新城金礦在高地應(yīng)力環(huán)境下的安全高效開(kāi)采，采用瑞典LUT地應(yīng)力測(cè)定儀，運(yùn)用應(yīng)力解除法對(duì)新城金礦-830 m、-930 m、-1 030 m中段共計(jì)6個(gè)鉆孔巖芯進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，并用LUT－str專(zhuān)用巖體應(yīng)力計(jì)算程序?qū)y(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析，采用赤平極射投影軟件繪制出測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力方位赤平面投影圖，使用線性回歸方法，對(duì)所測(cè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行回歸分析。研究結(jié)果表明：新城金礦地應(yīng)力場(chǎng)主要是水平構(gòu)造應(yīng)力，礦區(qū)圍巖含有較多的節(jié)理裂隙，巷道開(kāi)挖后，礦巖較為破碎、易風(fēng)化，片幫等災(zāi)害現(xiàn)象易發(fā)生，應(yīng)在開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)。此研究為新城金礦深豎井工程的安全施工、合理支護(hù)設(shè)計(jì)及深部開(kāi)采支護(hù)等提供了基礎(chǔ)資料與依據(jù)，同時(shí)也為類(lèi)似礦山豎井掘進(jìn)與礦山開(kāi)采起到示范作用。

關(guān)鍵詞：豎井掘進(jìn)；高地應(yīng)力；地應(yīng)力測(cè)試；地應(yīng)力場(chǎng)；應(yīng)力解除法；深部開(kāi)采；支護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD32文章編號(hào)：1001-1277（2024）11-0053-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20241107

引言

地應(yīng)力是一種在長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)活動(dòng)中，由地層活動(dòng)引起的地殼材料在長(zhǎng)時(shí)間作用下所形成的一種內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)。巖土工程的工程地質(zhì)情況是巖土工程穩(wěn)定性、工程施工等方面的基礎(chǔ)信息^［1-3］。在礦山生產(chǎn)中，地應(yīng)力的強(qiáng)度與方位對(duì)優(yōu)化井巷斷面形態(tài)、合理定向、合理巷道支撐具有一定的指導(dǎo)意義。隨著礦體開(kāi)采深度的不斷增加，巷道的支撐難度越來(lái)越高，導(dǎo)致了沖擊地震等災(zāi)害的出現(xiàn)^［4-6］。因此，研究地應(yīng)力的分布規(guī)律對(duì)于合理的巷道支護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦（下稱(chēng)“新城金礦”）位于山東省萊州市，隨著開(kāi)采深度的增加，巷道支護(hù)愈發(fā)困難，沖擊地震等災(zāi)害的發(fā)生概率也越來(lái)越高。因此，了解礦山深部地應(yīng)力分布特點(diǎn)及規(guī)律，是新城金礦深部開(kāi)采的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文采用應(yīng)力解除法對(duì)新城金礦-830 m、-930 m、-1 030 m中段共計(jì)6個(gè)鉆孔巖芯進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得到深部地應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，為新城金礦深豎井工程的安全施工、合理支護(hù)設(shè)計(jì)及深部開(kāi)采支護(hù)等提供基礎(chǔ)資料與依據(jù)。

1地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選擇

1.1測(cè)點(diǎn)選擇原則

通常，原巖地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的選擇遵循以下原則：

1）巖體質(zhì)量要求。為了確保巖芯的完整性和地應(yīng)力值的可靠性，在所述巖層中設(shè)置鉆孔。

2）就近研究原則。對(duì)于礦山來(lái)說(shuō)，一般都是以礦體為研究目標(biāo)，所以要把測(cè)點(diǎn)設(shè)置在礦體及其周?chē)?。測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能接近設(shè)計(jì)的巷道，在采區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)巷道所在的應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)具備一定的代表性。

3）典型性。對(duì)于所選的測(cè)點(diǎn)，要盡量避免鄰近開(kāi)挖的隧洞，避開(kāi)發(fā)生應(yīng)力畸變區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)和擾動(dòng)的來(lái)源，確保其應(yīng)力場(chǎng)的真實(shí)性。

4）完整性。為了防止斷裂對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾，選取沒(méi)有斷裂的地區(qū)進(jìn)行測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在大斷裂周?chē)?，不僅存在著較小的橫向應(yīng)力場(chǎng)，還會(huì)影響主應(yīng)力的走向。所以，應(yīng)將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在離斷裂和破碎帶盡可能遠(yuǎn)的地區(qū)。

5）實(shí)用性。在選取測(cè)點(diǎn)時(shí)，必須綜合考慮地應(yīng)力場(chǎng)的試驗(yàn)條件，以實(shí)用性為主。

6）便利性。在選取地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，要綜合考慮工程地質(zhì)情況和工程地點(diǎn)；在開(kāi)挖時(shí)，要保證測(cè)點(diǎn)（井眼）傾斜3°～5°，便于排水。

1.2礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的確定

礦山原巖應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量主要是為了掌握礦山各個(gè)部位的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，從而為礦井設(shè)計(jì)、礦井地壓合理控制、井巷支護(hù)提供依據(jù)^［7-9］。為了掌握礦床初期的應(yīng)力狀況，工作人員在野外進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量，確定了地應(yīng)力值。

2024年第11期/第45卷礦業(yè)工程礦業(yè)工程黃金

本次工程規(guī)劃了-830 m、-930 m、-1 030 m中段3個(gè)平巷，分別設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，但新城金礦的深、中、下3個(gè)工作面都處于緊鑼密鼓生產(chǎn)的狀態(tài)，特別是-930 m中段的中部，生產(chǎn)工作更加艱巨，測(cè)點(diǎn)的選取也受到了生產(chǎn)的限制，因此，在野外進(jìn)行地應(yīng)力試驗(yàn)的地方十分有限。同時(shí)要求在-930 m中段中部的2個(gè)測(cè)點(diǎn)，地應(yīng)力的測(cè)定不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工作造成干擾。后結(jié)合新城金礦的具體條件，在-830 m、-1 030 m中段中部大巷各設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，-895 m斜坡道、-940 m斜坡道調(diào)車(chē)硐室各設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的選取基本避免了巷道的彎、叉、拐等應(yīng)力集中區(qū)及破碎帶、斷裂發(fā)育帶，并盡可能地將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在較大的采空區(qū)和硐室區(qū)。測(cè)點(diǎn)布置情況、測(cè)點(diǎn)位置的巖石性質(zhì)和測(cè)點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2地應(yīng)力測(cè)量

2.1測(cè)量原理及方法

利用瑞典LUT地應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)新城金礦進(jìn)行了深井地應(yīng)力測(cè)量。孔內(nèi)應(yīng)變釋放方法的基本原則是假設(shè)孔壁圍巖為線性彈性形變，荷載與卸荷曲線一致。根據(jù)井筒內(nèi)二次應(yīng)力與井筒內(nèi)巖石的應(yīng)力、井筒內(nèi)的變形與井筒內(nèi)二次壓力之間的相關(guān)性，得出了孔壁內(nèi)應(yīng)變與巖石應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系^［10-12］。因此，若能測(cè)量到巖體內(nèi)徑的彈性形變，就可以從巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和已知的巖體塑性常量出發(fā)，得到巖體應(yīng)力。

孔壁應(yīng)變釋放是通過(guò)在硐口內(nèi)深挖，在硐壁上貼滿(mǎn)應(yīng)變片，應(yīng)變片的初始應(yīng)變調(diào)零，通過(guò)套管釋放井口周?chē)膲毫?，?shí)現(xiàn)巖芯的彈性恢復(fù)，測(cè)量巖芯筒的彈性恢復(fù)，從而得到巖芯套管的彈性恢復(fù)，然后得到巖芯的應(yīng)力值^［13-15］。

2.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

1）測(cè)量前準(zhǔn)備。通過(guò)對(duì)鉆井作業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)，確定了鉆機(jī)和鉆具，并在施工中設(shè)置了測(cè)點(diǎn)。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，必須依據(jù)地應(yīng)力測(cè)量的選點(diǎn)原則，并結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，來(lái)確定所需要的測(cè)點(diǎn)數(shù)及所處的具體方位。測(cè)點(diǎn)應(yīng)確保巖性完整性好、巖性單一、無(wú)泥巖性，然而新城金礦部分礦區(qū)巖體節(jié)理裂縫多、巖性極差，難以找到完整性好、巖性均勻的巖體，僅從巖層裸露部位選取巖性好的巖層，其巖層完整性尚不清楚，難以進(jìn)行進(jìn)一步勘探。此外，需要注意的是，要選擇在鉆機(jī)、儀器易于搬運(yùn)，靠近風(fēng)和水管路，有充足的工作場(chǎng)地，不會(huì)受到井下交通和其他操作干擾的通風(fēng)區(qū)域。

2）鉆具試驗(yàn)。在首次測(cè)量之前，根據(jù)測(cè)量需要鉆鑿大孔，磨平孔底，鉆鑿小孔。鉆孔角度為3°～10°，小孔長(zhǎng)為35 cm，鉆孔必須平整光滑，大孔與小孔的同軸性良好。技術(shù)精度和鉆孔深度都滿(mǎn)足要求后方能進(jìn)行正規(guī)測(cè)試。

3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。對(duì)小孔巖芯進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否可行，并決定應(yīng)變片定位。應(yīng)選擇小孔巖芯全斷面，避免出現(xiàn)微小裂縫與巖體相交的情況。在小孔中，要正確保存巖芯，將其按照斷裂處進(jìn)行縫合，并用膠帶纏繞，再依據(jù)應(yīng)變儀探針是否到探測(cè)器的末端，以及小孔孔口的插管和鉆芯的完好情況，來(lái)決定應(yīng)變板的最優(yōu)粘貼部位。然后清潔引導(dǎo)孔、試件，安裝探針，卸下套管，測(cè)試釋放應(yīng)力等。

4）巖芯筒彈性參數(shù)測(cè)定與計(jì)算。所謂“雙軸”試驗(yàn)，即“圍壓速率”試驗(yàn)，其主要目標(biāo)有2個(gè)：一是測(cè)量巖芯的彈性參量，以“本地”巖體參數(shù)作為主要應(yīng)力值，從而達(dá)到較高的擬合度；二是檢測(cè)應(yīng)變儀的工作狀況，測(cè)量時(shí)，若有一種應(yīng)變儀工作不規(guī)范，則應(yīng)將其對(duì)應(yīng)的卸載應(yīng)變量去掉，以防止由應(yīng)變儀自身或處理后產(chǎn)生的錯(cuò)誤^［16-20］。2個(gè)軸向測(cè)試的基本程序是：

（1）在雙軸腔內(nèi)安裝耐油聚乙烯套，倒入液壓油，將解套取出的巖芯管插入雙軸腔，使應(yīng)變片居中。

（2）用手搖泵進(jìn)行分級(jí)（按1，2，4，6，…，n MPa級(jí)序）加壓和分級(jí)卸壓的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，用數(shù)據(jù)記錄儀打印應(yīng)變值。最大壓力按式（1）確定：

pmax= h（MPa）（1）

式中：h為測(cè)點(diǎn)距地表深度（m）。

（3）作圍壓-應(yīng)變曲線。

（4）用卸載曲線或測(cè)定應(yīng)變計(jì)算彈性參數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）、式（3）。

E=pεθ×21－DiDy2（2）

μ=εjεθ（3）

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

3地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

采用LUT-str專(zhuān)用巖體應(yīng)力計(jì)算程序?qū)π鲁墙鸬V深部6個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了全面分析，得到三維主應(yīng)力分布及應(yīng)力數(shù)值，將主應(yīng)力的方向用赤平面投影圖表示，結(jié)果見(jiàn)圖1～6。各主應(yīng)力隨深度的回歸曲線見(jiàn)圖7。

由圖1～7可知：

1）主應(yīng)力，包含最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2、最小主應(yīng)力σ3，以及應(yīng)力和（橫向應(yīng)力和）。隨著深度的增加，主應(yīng)力逐漸增大。在相同地層中，各測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力值和方位都發(fā)生了一些改變，但未見(jiàn)明顯的突變，表明新城金礦深層地應(yīng)力區(qū)的分布較為均衡。

2） 最大主應(yīng)力出現(xiàn)在260°～285°，沿近東西向，略有NWW-SEE的傾向，與上覆中淺層的最大主應(yīng)力方位相吻合。6個(gè)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力的傾斜角度都比較低，為4°～16°，表明這一地區(qū)仍然是由橫向構(gòu)造的壓力所支配。

3）最大主應(yīng)力大于30 MPa，-1 030 m中段的最大主應(yīng)力達(dá)到42 MPa以上，處于高地應(yīng)力狀況。

4）中間主應(yīng)力場(chǎng)分布范圍很廣，大部分均大于60°，屬于接近豎直的應(yīng)力場(chǎng)，其與最大主應(yīng)力場(chǎng)的差異不大（0.65～0.76 MPa），表明重力對(duì)深部礦區(qū)的影響也很大。

5）東西向水平的應(yīng)力分量比南北向的要多，而且在方位上存在著顯著的差別。垂直應(yīng)力的分量與其水平深度的理論計(jì)算結(jié)果相近。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)新城金礦深部LUT鉆孔巖芯取樣測(cè)量，系統(tǒng)分析了LUT鉆孔結(jié)果，繪制出各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力方位赤平投影圖，并建立其應(yīng)力隨深度的回歸曲線，經(jīng)過(guò)分析，得到以下結(jié)論：

1）新城金礦深部礦區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力大致呈近東西向。因此，在未來(lái)構(gòu)建測(cè)點(diǎn)附近的硐室、巷道及其他地下結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)使巷道走向、硐室軸向盡可能與最大主應(yīng)力方向一致或盡可能接近最大主應(yīng)力方向，這樣可以大大減小地壓對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，從而提高安全性，降低生產(chǎn)過(guò)程中的巷道支護(hù)成本。

2）最大主應(yīng)力大于30 MPa，處于高地應(yīng)力狀況。中間主應(yīng)力場(chǎng)分布范圍很廣，屬于接近豎直的應(yīng)力場(chǎng)，重力對(duì)深部礦區(qū)的影響很大。

3）由于受到開(kāi)拓及生產(chǎn)進(jìn)度等方面的限制，本次測(cè)量?jī)H在少數(shù)中段運(yùn)輸平巷和斜坡道進(jìn)行6個(gè)測(cè)點(diǎn)的深部地應(yīng)力測(cè)量，但相對(duì)于廣闊的礦區(qū)，測(cè)點(diǎn)的數(shù)量明顯偏少。因此，建議在深部開(kāi)拓工程完畢后，在重點(diǎn)區(qū)域補(bǔ)測(cè)幾個(gè)點(diǎn)，以便更全面地掌握整個(gè)礦區(qū)的地壓變化規(guī)律，為礦區(qū)地應(yīng)力空間變化規(guī)律的研究提供更精確的數(shù)據(jù)，從而為新城金礦深部的開(kāi)拓和安全、高效開(kāi)采工作提供更準(zhǔn)確、更全面的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

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Ground stress testing and research on its distribution patterns in deep sections of gold mines

Jiang Wanfei

（Xincheng Gold Mine of Shandong Gold Mining Co.，Ltd.）

Abstract：High ground stress is an inevitable challenge in deep mining.To ensure safe and efficient mining operations in the high-stress environment of Xincheng Gold Mine，the Swedish LUT ground stress measurement instrument was used.A total of 6 borehole cores at the -830 m，-930 m，and -1030 m levels of Xincheng Gold Mine were measured using the stress relief method.The LUT-str dedicated rock stress calculation program was employed for comprehensive analysis of the test results.Stereographic projection software was used to create stereographic projection diagrams of the principal stress directions at the measurement points，and linear regression was applied for regression analysis of the stress values from the 6 measured points.The research result shows that the ground stress field in Xincheng Gold Mine is primarily horizontal tectonic stress.The surrounding rock in the mining area contains numerous joints and fissures，leading to more fragmented and weathered rock after excavation，which makes phenomena like spalling more likely.Therefore，timely support is recommended after excavation.This study provides fundamental data and references for safe construction of deep shafts，rational support design，and deep mining operations，while also serving as a model for shaft excavation and mining in similar mines.

Keywords：vertical shaft excavation;high ground stress;ground stress testing;ground stress field;stress relief method;deep mining;support

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC2907400）

作者簡(jiǎn)介：蔣萬(wàn)飛（1969—），男，工程師，碩士，從事采礦技術(shù)研究及管理工作；E-mail：jiangwanfei@sd-gold.com