貴州開陽磷礦三維地應力場測量及分布規律研究＊

李文成,馬春德,李 凱,何忠國,王永奇,黎正強

(1.貴州開磷集團礦業總公司, 貴州貴陽 550302;2.中南大學資安院, 湖南長沙 410083)

貴州開陽磷礦三維地應力場測量及分布規律研究＊

李文成1,馬春德2,李 凱1,何忠國1,王永奇1,黎正強1

(1.貴州開磷集團礦業總公司, 貴州貴陽 550302;2.中南大學資安院, 湖南長沙 410083)

貴州開陽磷礦屬于國內埋藏較深的特大型地下磷礦山之一,礦區范圍廣大,地質構造非常復雜,具備發生巖爆災害的潛在條件。為了解礦區地應力場狀態及分布特征,采用瑞典LUT地應力測定系統開展了三維地應力測量工作。通過現場實測,獲得該礦區 4個礦段的 3個中段共 9個測點的三維地應力場狀態,發現最大主應力的主導方向為NES W向,最大主應力值隨著深度增加而增大,最深處達到了 34 MPa以上,礦區水平構造應力明顯,與該區域的地質構造相吻合。

開陽磷礦;三維地應力測量;套孔應力解除法;地應力場狀態

貴州開陽磷礦礦產資源儲量豐富,已探明的優質磷礦石(不經選礦就可直接用于生產高濃度磷肥和復合肥的重要原料)達 4.13億 t,占全國優質磷礦資源的 70%以上,對我國磷化工業的發展有著舉足輕重的作用。該磷礦洋水礦區目前共由 6個礦段組成,隨著礦山淺部資源逐漸開采完畢,其中的多個礦段的開拓采準已進入到 +600～+800 m水平,距地表深度達 600 m以上,與淺部開采相比,此時礦床地壓顯現嚴重,主要表現為開拓及采準巷道支護困難,原有的支護技術與措施失效,巷道返修率高,永久性巷道支護后存在經常性冒頂、片幫、底鼓等現象,需要多次維護與加固,維護工作量大,支護成本高,對礦山的正常安全開采帶來了嚴重影響。

為此,公司采用了國際上應用最廣泛,技術最成熟的套孔應力解除法,對整個礦區的三維地應力場的變化及分布規律進行了測試研究,為后續深部礦體的高效安全開采提供準確的地應力基礎數據。

1 地應力測量原理

本次測量采用瑞典LUT三維地應力測定系統,其實質就是孔壁應力解除法。該方法又稱鉆孔套芯應力解除法,其基本原理是根據彈性力學理論求解出鉆孔圍巖中次生應力場與原巖應力場的關系以及孔壁解除應變與鉆孔圍巖次生應力場的關系,從而導出孔壁應變與原巖應力場的關系。通過在鉆孔中安裝應變測量元件,測量出套芯應力解除前后孔壁應變值變化,并結合實測的巖石彈性常數最終求解巖體的原巖應力場。

2 地應力測點的布置和選擇

在工程地質調查的基礎上,結合現場施工條件,確定在洋水礦區的馬路坪、用沙壩、青菜沖和沙壩土4個礦段范圍內用 9個測點對礦區的地應力場的變化及分布規律進行測試研究,其中以開采深度最大的馬路坪礦作為研究重點,在其 750,700和 600 m 3個不同中段布置了 4個測點;在用沙壩礦段的 1120和 1070 m中段各布置一個測點;在沙壩土礦 700 m中段布置 2個測點;在青菜沖礦段 900 m中段布置1個測點。根據地應力測點的選取原則,9個測點的布置盡量避開了大的斷層和應力畸變區、不穩定區,以確保原巖應力測試的真實性和代表性。測點均布置在新鮮的巖體和礦體中,布置情況列于表1。測點的空間坐標及鉆孔方位角、仰角是在測試結束后由專業測量隊實測提供的,列于表2。將 9個測點的坐標水平投影到同一水平中,測點的相對位置關系如圖1所示。

3 地應力測試過程及結果

3.1 測試儀器

本次測試的主要設備是 UPM40巖石三軸應變地應力測定儀,它是國內唯一一套從瑞典引進的高精度地應力測量系統。該儀器具有 20個測試通道,可實現多通道解除應變的同步高速自動采集。與國內同類測試儀器相比較,該系統在測試精度、準確性和效率上具有明顯的優越性:首先,其擁有的探頭自動精確定位裝置可使 LUT三軸應變計探頭上的 12個應變計在極短的時間內實現在巖體內部的空間上嚴格按規定的角度排列,安裝誤差小于 0.1°。其次,該系統通過同一數據的多次采集和自動識別,可自動排除可疑數據,從而確保原巖地應力場中最大主應力的可靠性與精確性。同時,該系統具有的應變活塞瞬間同時彈射、快速固化技術使測試系統在幾分鐘之內即進入正常的測試狀態,極大地提高了測試的效率,使在短時間內完成對礦區原巖應力規律的測量研究成為可能。

表1 測點布置情況及所在位置的巖性

3.2 現場測試過程

現場實測過程主要包括以下 5項工藝過程:

第一步,打同心鉆孔。選擇穩定的液壓鉆機,用金剛石大鉆頭打Φ91 mm的近水平大鉆孔 (仰角 3°～6°,以利于排水),然后磨平大孔底,再沿著大孔打長度約 40 cm的同心小孔 (導向孔),要求鉆孔平直、光滑、大小孔同心度好。取出小孔巖芯,觀察它的節理情況,確定應變計的粘貼位置處完整無明顯節理。

第二步,用水和丙酮清洗導向孔,并用高壓風把小孔內壁吹干。

第三步,用專用安裝工具將三軸應變計探頭精確安裝在小孔的預定位置,并使應變計活塞牢固的粘在小孔孔壁上。

圖1 測點位置水平投影

表2 開陽磷礦地應力測點坐標及鉆孔參數

第四步,安裝成功后,把地應力測定儀的所有測試通道調零,進行套孔應力解除并測試解除應變。

第五步,將測量完解除應變后的巖芯管放入雙軸壓力儀中測定彈性模量和泊松比。

以上為一個完整的套孔應力解除測試過程,為減少隨機因素對測試結果準確性的影響,一般一個點位進行 2～3次同樣的測試,并進行比較,選擇測試結果較為接近的區段參與確定最終結果。

3.3 礦區原巖地應力測量結果

利用科羅拉多礦山大學William Hustruld教授編寫的巖體應力專用計算程序 LUT-str進行地應力計算,得出巖體應力的 6個分量及其標準差和主應力大小及其方位角、傾角。礦區 9個測點的地應力分量計算結果和主應力計算結果見表3、表4。

表3 各測點地應力分量及不同方向應力分量比值

表4 各測點主應力計算結果

4 結 論

通過對貴州開磷集團洋水礦區 9個測點的地應力數據的計算與分析,可得到以下幾點結論:

(1)最大主應力方向與洋水背斜走向大致相同,呈近南北方向,方位角為 4.37°～227.34°。9個測點中,馬路坪礦 700中段 (測點 1)附近地應力的最大主應力值最大,達到 34.49 MPa,這一結果與該礦現場地質調查結果一致,該測點附近的一些巷道在生產過程中的變形破壞較為嚴重。

(2)9個測點 (除受采空區影響的第 9測點外)的最大主應力的傾角均小于 30°,基本接近水平,屬于水平構造應力。因此,從測點地應力測試結果可以看出,該局部區域仍以水平構造應力為主,這與該礦區巷道破壞中出現的底鼓和水平大變形等破壞特征是相符的。

(3)最大主應力的大小隨測點埋深增加而增大,最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力值隨埋深變化的回歸特性方程如下:

式中:σ1,σhmax,σhmix和 σz分別為最大主應力、最大水平應力、最小水平應力和垂直應力,MPa;H為測點埋深,m。

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國家重點基礎研究發展計劃項目資助(2010CB732004).

2010-08-10)

李文成 (1963-),男,碩士,高級工程師,主要從事采礦方法、礦山地壓和巷道掘進與支護技術研究。