金口嶺礦區地應力測試分析

蔣鋒

(銅陵有色金屬集團，安徽 銅陵 244000)

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金口嶺礦區地應力測試分析

蔣鋒

(銅陵有色金屬集團，安徽 銅陵 244000)

為了優化金口嶺銅礦礦區開采順序和巷道設計，采用三維套孔應力解除測量計和空心包體應變計，結合現場圍壓試驗，根據彈性理論計算出礦區原巖應力，得到礦區原巖應力大小、方向等參數及其分布規律。結果表明，每個測點最大主應力方向均接近水平方向，與區域構造應力場最大主應力的方向基本一致；最小主應力接近于垂直方向，三個主應力均為壓應力，沒有出現拉應力，與我國地應力實測得到的普遍規律相同，該方法可以為其他類似工程的地應力測試提供參考依據。

套孔應力解除法；空心包體應力計；原巖應力；圍壓試驗；最大主應力

地應力是存在于地層中未受工程擾動的天然應力，也稱巖體初始應力、絕對應力或原巖應力。傳統經驗類比法是在小規模開挖范圍和接近地表的深度內進行地應力測量。但是，隨著開挖規模的不斷擴大和向深部不斷發展，經驗類比法就逐漸失去作用，不能滿足現場實際要求。目前國內外普遍應用的測量地應力技術有應力解除法和水壓致裂法，其中，套孔應力解除法是發展時間最長、技術較成熟的一種測量方法[1-2]。

目前，很多學者利用套孔應力解除法測量現場工程實際的地應力并進行研究分析[3-12]。饒運章等[3]采用套孔應力解除法對龍門山礦區的地應力進行了測定，研究其變化規律，為礦山安全、設計和施工等方面提供了理論參考依據。蔡美峰等[4]應用三維套孔應力解除地應力測量技術和具有溫度補償功能的空心包體應變計完成了對平煤十礦地應力的測量，并利用數值模擬技術研究圍巖應力隨著采礦過程的變化規律。喬蘭等[5]利用完全溫度補償的空心應變技術的套孔應力解除法對三山島金礦采空區進行地應力測量，得出其地應力場以水平應力為主的分布規律。邱賢德等[6]利用空心包體應力計和自動實時記錄系統對某危巖邊坡地應力進行測量并研究其分布規律，為邊坡危巖治理工程設計與施工提供理論依據。鄭西貴等[7]根據深部煤礦巷道圍巖體應力分布力學特性和鉆孔應力解除法原理，對同一鉆孔內間隔一定距離進行反復多次解除地應力測試，推算出其他測點地應力與巷道半徑之間的關系。上述研究采用套孔應力解除法分別對不處于“三下”開采的礦區和城市圍巖邊坡進行地應力測量，而金口嶺城市地下礦區，是典型的“三下”礦區，對其地應力分布規律進行研究，對于進行安全經濟的“三下”開采具有重要意義。

因此，本文對含采空區的金口嶺城市地下礦區地應力場分布規律進行測定，為金口嶺深部及寶山“三下”開采安全論證提供了詳盡的基礎數據。

1 工程地質概況

金口嶺銅礦位于安徽銅陵市南郊，礦區中心地理坐標東經117°48′07″，北緯30°55′01″，礦山采用淺孔留礦法采礦，礦區地層巖性較復雜，地質構造簡單，巖溶作用中等，局部地段有破碎帶。區內礦體主要產于二迭系下統棲霞組矽卡巖和角巖以及石炭系黃龍船山組大理巖中，隔水巖組較厚，且分布連續，僅在局部巖石裂隙比較發育時有一定的賦水空間和導水能力，總體對礦床開采影響不大。礦體地表有大量的民用建筑及銅陵市市政設施，是極為典型的 “三下”開采礦山。為了充分利用寶貴的礦產資源，減少資源的損失，考慮在建筑物下進行開采。要確保安全經濟地進行開采，必須對礦山地質情況進行調查，而礦區地應力變化規律是影響工程穩定性最重要、最根本的因素之一，因而進行地應力測試極為重要。

2 地應力現場測試

2.1 測點布置

金口嶺礦區沒有進行過地應力場系統測量，開采設計和圍巖穩定性分析所需地應力主要是通過經驗定性分析或粗略估算，但隨著不斷向深部發展，根據經驗法確定的地應力進行開采設計容易導致施工事故，影響開采作業的正常進行，因此采用套孔應力解除試驗確定其地應力。根據測點布置原則[3]和現場實際條件，在-171 m中段、-450 m中段及-510 m中段布置了3個套孔應力解除測點，如圖1所示。

圖1 套孔應力解除測點Fig.1 Stress relief measuring points of boreholes

2.2 空心包體應變計測量

本工程采用KX-81型空心包體式三軸地應力計，這是一種利用孔壁應變解除法進行地應力測量的儀器。應變計是由嵌入環氧樹脂筒中的12個電阻應變片組成的。將3組應變花(每組應變花有4個應變片)沿環氧樹脂筒圓周相隔120°粘貼，排列如下：一個沿圓周的環向，一個沿包體應變計的軸向，另外兩個與其互成45°夾角，并且兩片之間成90°夾角，見圖2。軸向應變片為0°方向，周向應變片為90°方向，用方向表示應變花排列與編號對應見表1。然后再用環氧樹脂澆注外層，使電阻應變片嵌在筒壁內，外層厚度約為0.5 mm。

圖2 應變花位置分布Fig.2 Position distribution of strain rosette

表1 應變花位置對應表Table 1 Position corresponding table of strain rosette

根據空心包體應變計12只應變片測量得到的應變值，鉆孔周圍的三維應力狀態可以按下式進行計算[1]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，εθ、εz、εθz分別為空心包體所測周向應變、軸向應變和剪切應變值；E、v分別為測點巖石的彈性模量和泊松比，E的單位為GPa；σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx是位于三維直角坐標系中測點應力的6個分量，單位均為MPa；K1、K2、K3和K4為修正系數。

2.3 測點結果分析

本次試驗在-171 m、-450 m及-510 m 3個中段的同一測量孔中均進行了兩次解除，共計6次，每次應力解除試驗過程中鉆頭每鉆進3 cm進行一次人工采集數據，直到應變曲線到達穩定狀態時結束。各中段測點的應力解除過程應變曲線如圖3所示，去掉一些異常數據，取兩次解除過程中較好的一組數據分析計算。

圖3 各中段測點應力解除過程曲線Fig.3 Stress relief process curve of each measuring point

從圖3中可以看出，各應變片的應變值隨著應力解除深度變化符合一般規律，最終應變值趨于穩定，同時從應變曲線得出各中段最終穩定的應變值，如表2所示。

表2 各測點應變計測得的最終穩定應變值(με)Table 2 Ultimate stability strain of each measuring point

3 圍壓試驗求彈性常數

3.1 圍壓試驗

用套孔解除實測數據計算地應力分布時，巖石的彈性常數必須參與計算，并且取用值的精度直接影響地應力實測成果的精度。因此，將應力解除后含有應變計的巖芯進行圍壓加載試驗，試驗曲線如圖4所示。

圖4 各中段測點套孔巖芯圍壓試驗曲線Fig.4 Borehole surrounding rock stress curve of each measuring point

從試驗結果可以看出，除-171 m中段測點第二次套孔巖芯的C135應變片、-450 m中段測點第一次套孔巖芯的B135應變片及-510 m中段測點第二次套孔巖芯的A組應變片數據異常外，其余應變片所測數據符合基本規律，即軸向應變為正值，周向和斜向(與鉆孔軸線成45°或135°方向)應變均為負值，但斜向應變的值小于周向應變。同時，相同方向的應變值均比較接近，反映出解除巖芯具有良好的連續性和各向同性。圍壓曲線基本上是呈直線型，反映出金口嶺礦的巖體具有較好的線彈性。

3.2 彈性常數計算

試驗所用KX-81型空心包體式三軸地應力計的內半徑為a0=12 mm，環氧樹脂層應變片粘貼部位的半徑為ρ=17.75 mm，環氧樹脂層的彈性模量為E1=3 GPa，泊松比為μ1=0.36。設圍壓試驗巖石圈的彈性模量為E，泊松比為μ，外半徑為a，內半徑為a1，q為圍壓。根據彈性力學中的厚壁圓筒理論可導出：

(5)

(6)

由于試驗所用的空心包體應力計的應變片并不是直接粘貼在鉆孔巖壁上，而厚壁圓筒理論根據的是將應變片直接貼在巖壁上，計算彈性模量E誤差較大。因此，本試驗采用在巖石圈和環氧樹脂層應力分析基礎上修正的彈性模量計算公式：

(7)

根據公式(4)和(6)可以計算得出測點巖石圈的彈性模量和泊松比，具體值見表3。

4 地應力分析及結果

對金口嶺礦區-171 m、-450 m和-510 m 中段分別進行套孔應力解除和圍巖試驗測定工作，根據量測的應變值和彈性模量及泊松比代入公式(1)～(4)計算出三維直角坐標系中測點應力的6個分量，再根據彈性理論公式[13]計算出各中段測點主應力，如表4所示。

表4 各中段測點主應力Table 4 Main stress of each measuring point

5 結論

采用三維套孔應力解除測量計和空心包體應變計測定金口嶺城市地下礦區地應力場分布規律，對測量數據整理和分析后得到如下主要結論：

(1)所有測點，均采用套孔應力解除法經過計算得到，測試后，檢查巖芯中傳感器黏貼情況良好，試驗結果可靠。最大主應力方向為東-西偏北東-南西方向，與區域構造應力場最大主應力的方向基本一致。

(2)每個測點最大主應力方向均接近水平方向，與水平面夾角平均為11.04°，另一個主應力接近于垂直，三個主應力均為壓應力，沒有出現拉應力，該結論與我國地應力實測得到的普遍規律相同。

(3)最大水平主應力與最小水平主應力之比的情況是-171 m、-450 m、-510 m中段測點分別為2.52、2.69、2.4，平均為2.5，說明水平方向兩個主應力相差較大，這將對采場穩定性產生不利的影響。

(4)垂直應力與自重應力(容重按照2.7 t/m3估算)之比的情況是，-171 m、-450 m、-510 m中段測點分別為1.07、0.7、0.51。將以上數據與我國其他地區地應力測量結果的統計規律相比較，-171 m中段、-450 m中段規律一致，-510 m中段測點偏小，實測點原巖應力偏小的原因在于地表塌陷和開采擾動影響。測點處垂直應力是符合地應力場分布總體規律的。

本文對典型的“三下”開采礦區進行地應力測定，得到金口嶺礦區地應力分布規律，確定了工程巖體力學屬性并進行圍壓穩定性分析，為實現巖石工程開挖設計和決策科學化提供了必要的前提條件，對礦山地下開采設計、地壓管理以及安全生產具有非常重要的現實意義。

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Analysis of ground stress measurement and results for Jinkouling mining area

JIANG Feng

(Tongling Nonferrous Metals Group, Tongling 244000, China)

∶To optimize mining sequence and roadway design of Jinkouling copper mine, we calculate original rock mining stress and acquire its magnitude and direction and their distribution pattern with 3D borehole to relief meter, hollow inclusion strain, surrounding pressure test, and elasticity theory. Results show that maximum main stress direction of each measurement point approximates to horizontal direction, consistent with regional tectonic stress direction. However, minimum main stress direction is close to vertical direction. The three main stresses are all compressive stress, no tensile stress, identical to the measurement of Chinese universal ground stress. The method provides a reference for other similar engineering stress test.

∶stress relief method by overcoring; hollow inclusion strain; in-situ rock stress; confining pressure test; maximum principal stress

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.05.020

2016-05-10

蔣鋒(1989—)，工程師，研究方向為采礦工程。Email:624324685@qq.com

TD311

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