白音呼布礦地應(yīng)力分布特征及其與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

范文濤 紀(jì)永剛 高紅利 張杰

摘要：白音呼布礦最大開采深度已達(dá)900 m，地應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，深部圍巖較為破碎，并伴隨巖爆等地質(zhì)災(zāi)害。為進(jìn)一步研究開采過程中圍巖穩(wěn)定性及其控制措施，采用應(yīng)力解除法對(duì)礦區(qū)5個(gè)水平中段共7個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，基于改進(jìn)算法編制的LabVIEW計(jì)算程序，獲得了測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的大小、方向和傾角，并以此建立地應(yīng)力場(chǎng)模型，分析礦區(qū)應(yīng)力狀態(tài)空間分布規(guī)律及應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。研究結(jié)果表明：地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力平均方位角為236°;NE向張性斷裂構(gòu)造F2對(duì)礦區(qū)有控制作用，礦區(qū)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向全部為NE—SW向，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向與實(shí)測(cè)原巖應(yīng)力場(chǎng)方向相同。

關(guān)鍵詞：深部開采;地應(yīng)力測(cè)量;應(yīng)力解除法;地質(zhì)構(gòu)造;構(gòu)造應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TD32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2020）08-0043-06doi：10.11792/hj20200807

引 言

地應(yīng)力是地層中賦存的初始應(yīng)力，與地質(zhì)構(gòu)造和地形變化關(guān)系密切，能夠引起地下工程圍巖和工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形破壞[1-3]。隨著礦山逐步進(jìn)入深部開采階段，高地應(yīng)力作用下圍巖變形破壞更加嚴(yán)重[4-6]，并伴隨巖爆等地質(zhì)災(zāi)害，給礦山安全高效的資源開采帶來更多的困難和問題。地應(yīng)力測(cè)量可以掌握應(yīng)力狀態(tài)的空間分布規(guī)律，是巖體穩(wěn)定性分析和工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于巷道布置優(yōu)化、巷道支護(hù)與圍巖關(guān)系的研究中，普遍以地壓分布和活動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)。近幾十年，地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，相關(guān)專家學(xué)者做了很多研究工作。蔡美峰等[7-8]研發(fā)的空心包體應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)了完全溫度補(bǔ)償，對(duì)玲瓏金礦、大同礦區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，獲得了礦區(qū)原巖應(yīng)力。肖同強(qiáng)等[9]采用應(yīng)力解除法對(duì)巨野礦區(qū)深部進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，得到了構(gòu)造區(qū)域地應(yīng)力分布特征，研究了地質(zhì)構(gòu)造與巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)系?？导t普等[10]采用水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法，基于西部5省共88個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，研究了淺部地應(yīng)力分布特征和變化規(guī)律。李兵等[11]采用水壓致裂法研究了廣西盆地地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造的對(duì)應(yīng)關(guān)系。鐘山等[12]對(duì)錦屏深部地下實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用改進(jìn)的鉆孔變形計(jì)測(cè)量技術(shù)，得到了地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硐室破壞情況和工程區(qū)域地質(zhì)進(jìn)行了驗(yàn)證。閆振雄等[13]改進(jìn)了空心包體應(yīng)變計(jì)地應(yīng)力的計(jì)算方法，采用改進(jìn)算法測(cè)得了弓長(zhǎng)嶺井下地應(yīng)力。上述地應(yīng)力測(cè)量方法在工程實(shí)踐中均取得了成功應(yīng)用，其中套孔應(yīng)力解除法技術(shù)最為成熟，在此基礎(chǔ)上的研究也更加完善，應(yīng)用也更為廣泛[14-15]。

錫林郭勒盟山金白音呼布礦業(yè)有限公司（下稱“白音呼布礦”）47勘探線—77勘探線年采選礦石60萬t，該礦山海拔高度為945～1 186 m，井下采場(chǎng)主要分布在100～400 m水平中段。隨著井下開采深度逐漸增大，復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境造成礦山深部巷道圍巖出現(xiàn)片幫、頂層圍巖破裂等問題，并伴隨巖爆現(xiàn)象發(fā)生。因此，采用套孔應(yīng)力解除法對(duì)礦區(qū)350 m水平中段到80 m水平中段進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，基于改進(jìn)型空心包體應(yīng)變計(jì)計(jì)算方法編制的LabVIEW 計(jì)算程序，獲得測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，以此建立地應(yīng)力場(chǎng)模型，分析地應(yīng)力空間分布規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與巷道穩(wěn)定性控制具有重要意義。

1 地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

1.1 測(cè)量方法

白音呼布礦深部主運(yùn)巷、穿脈聯(lián)巷尚處開拓階段，適宜采用套孔應(yīng)力解除法[16]，其應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)探頭為原位數(shù)字化空心包體應(yīng)變計(jì)，如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)采集應(yīng)力解除初始應(yīng)變等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合室內(nèi)溫度補(bǔ)償試驗(yàn)、圍壓率定試驗(yàn)及相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)，反演原地應(yīng)力場(chǎng)。

針對(duì)礦山賦存礦巖以花崗巖等硬巖為主的實(shí)際情況，采用完全雙溫度補(bǔ)償和原位數(shù)字化采集技術(shù)的改進(jìn)型空心包體應(yīng)變計(jì)探頭。應(yīng)力計(jì)主體為環(huán)氧樹脂制成的空心圓筒，其中間部位嵌埋3組電阻應(yīng)變花，應(yīng)變花布置位置如圖2所示。應(yīng)變花間隔120°順時(shí)針排列為A、B、C，每組中沿鉆孔方向的應(yīng)變片為0°，依次為45°、90°、135°。

1—應(yīng)變計(jì)電纜 2—連接銷 3—密封圈 4—環(huán)氧樹脂

5—電阻應(yīng)變花 6—空腔（內(nèi)裝黏結(jié)劑） 7—出膠小孔

8—密封圈 9—導(dǎo)向頭 A、B、C—應(yīng)變片位置

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

白音呼布礦巷道圍巖應(yīng)力在工程擾動(dòng)作用下應(yīng)力重新分布，采用套孔應(yīng)力解除法時(shí)，必須保證應(yīng)變傳感器處于未受工程擾動(dòng)的原巖之中。地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置的選取應(yīng)按照以下原則：所選測(cè)點(diǎn)應(yīng)保證原巖應(yīng)力的真實(shí)性;保證測(cè)點(diǎn)圍巖均質(zhì)完整和取心的完整性;避免巷道施工的相互影響。

結(jié)合白音呼布礦的地質(zhì)開采條件，選取井下7個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，位于350～80 m的5個(gè)水平中段，各測(cè)點(diǎn)的布置位置和鉆孔情況如表1所示，地應(yīng)力測(cè)量鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及分布特征

2.1 應(yīng)力解除曲線

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力大小和方向以巖心在解除應(yīng)力過程中的應(yīng)變曲線為基礎(chǔ)，再結(jié)合圍壓率定試驗(yàn)計(jì)算獲得。250 m水平中段液壓硐室測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力解除曲線如圖4所示。在套孔巖心應(yīng)力解除過程中，初始狀態(tài)測(cè)量斷面的應(yīng)變片數(shù)值變化基本為零，隨著解除深度的增大，應(yīng)變逐漸增加。圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中，會(huì)出現(xiàn)某些應(yīng)變片為負(fù)值的情況，這與“開挖效應(yīng)”相似。最終套孔應(yīng)力曲線趨于穩(wěn)定，作為地應(yīng)力計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。

2.2 巖石物理參數(shù)確定

地下巖體所處的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，在利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原始巖心進(jìn)行圍壓率定試驗(yàn)，以確定巖石的彈性模量和泊松比，能夠準(zhǔn)確表示該測(cè)點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)。

圍壓率定試驗(yàn)對(duì)套孔巖心逐級(jí)施加壓應(yīng)力，根據(jù)圍壓產(chǎn)生的應(yīng)變來修正空心包體應(yīng)變計(jì)在測(cè)量過程中的應(yīng)變值，由此得到圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。巖石的彈性模量計(jì)算見式（1），泊松比計(jì)算見式（2），巖心圍壓率定曲線如圖5所示。

式中：E為測(cè)點(diǎn)巖石的彈性模量（MPa）;K1為修正系數(shù);p0為圍壓（MPa）;R為套孔巖心外徑（m）;r為套孔巖心內(nèi)徑（m）;ν為測(cè)點(diǎn)巖石的泊松比;εθ為孔壁周向應(yīng)變值;εz為孔壁軸向應(yīng)變值。

2.3 地應(yīng)力計(jì)算

利用空心包體應(yīng)變值、巖石彈性模量和泊松比值，由式（3）[17]計(jì)算得到不同區(qū)域的原巖應(yīng)力值。

基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的應(yīng)變值與原巖應(yīng)力分量的關(guān)系，判斷井下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)，并采用LabVIEW編制的地應(yīng)力計(jì)算程序[18]，獲得測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力的大小、方向和傾角。該程序操作界面如圖6所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖6 地應(yīng)力計(jì)算程序操作界面

2.4 地應(yīng)力場(chǎng)模型

白音呼布礦主應(yīng)力隨深度變化的應(yīng)力場(chǎng)模型采用線性回歸的方法建立，如圖7所示，地應(yīng)力場(chǎng)模型與埋深的函數(shù)關(guān)系見式（7）～（9）。

2.5 地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

根據(jù)地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析整個(gè)解除過程中白音呼布礦地應(yīng)力場(chǎng)分布存在如下的規(guī)律：

1）地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力（σhmax）和最小水平主應(yīng)力（σhmin）接近于水平方向，其傾角變化范圍為2.73°～34.87°;中間主應(yīng)力與垂直方向夾角不大于20°。

2）礦區(qū)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力與水平面的夾角很小，接近于水平;與垂直主應(yīng)力的比值均超過1.5倍，最大為1.89倍，最小為1.57倍，如表3所示。因此，白音呼布礦地應(yīng)力場(chǎng)并非以自重應(yīng)力為主導(dǎo)，而是以水平應(yīng)力為主導(dǎo)控制。

3）測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力是最小水平主應(yīng)力的2.34倍，二者的最大比值為2.84。在莫爾-庫侖強(qiáng)度理論中，剪應(yīng)力為2個(gè)主應(yīng)力的差值，較大的剪應(yīng)力是引起巷道和采場(chǎng)變形、發(fā)生剪切破壞的主要因素。

4）3個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系是：σhmax>σv>σhmin，屬于σhmax·v型應(yīng)力場(chǎng)。主應(yīng)力值均隨著深度的增加近似呈線性增長(zhǎng)。

3 地應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

3.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

白音呼布礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗東北部花腦特銀多金屬礦區(qū)，地理坐標(biāo)：E117°44′00″，N46°01′15″。在全國(guó)地震烈度百年區(qū)劃圖中，礦區(qū)位于烈度小于Ⅵ度的范圍內(nèi)，屬于地震活動(dòng)較弱的地區(qū)。區(qū)域上位于東烏旗褶皺束的東部地段，白音呼布爾—額仁高比一帶。

礦區(qū)北部為查干楚魯特巖體，南西部為白音呼布巖株，地層主要受到NE、NW向構(gòu)造應(yīng)力影響[19];西北部巖體傾向135°～185°、傾角53°～88°，西南部巖體傾向310°～10°、傾角32°～68°。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)北部中偏東為NWW向構(gòu)造破碎帶;礦體走向298°，傾向NE，傾角25°～87°，礦體走向與構(gòu)造破碎帶一致。礦區(qū)中東部有一背斜褶皺構(gòu)造，背斜軸向傾伏SW向，傾伏角為15°，其南東翼被小斷裂錯(cuò)斷，可見長(zhǎng)度約100 m，寬約60 m。

花腦特銀多金屬礦床區(qū)域構(gòu)造概況如圖8所示，區(qū)域內(nèi)近EW向、NWW向斷裂構(gòu)造較發(fā)育，有一定寬度的破碎蝕變帶。其中，NWW向張扭性斷裂是區(qū)域主要的控礦、容礦構(gòu)造;NE向張性斷裂構(gòu)造F2（白音呼布爾—滿都寶力格大斷裂[20]）為規(guī)模最大的斷裂構(gòu)造。

1—逆斷層 2—平移斷層 3—推測(cè)斷層 4—張扭性斷層 5—壓扭性斷層

6—地層產(chǎn)狀 7—向斜構(gòu)造 8—背斜構(gòu)造 9—斷層編號(hào)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景和花腦特銀多金屬礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及礦區(qū)內(nèi)褶曲方向，總體可判定該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向?yàn)镹E—SW向，方向大約為NE60°。礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?10°～260°，平均傾角為9.93°，測(cè)點(diǎn)最大水平擠壓應(yīng)力方向由NE—SW向NEE—SWW略有轉(zhuǎn)動(dòng)，總體方向與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向相同。

4 結(jié) 論

1）礦區(qū)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力接近水平方向，傾角2.73°～34.87°;中間主應(yīng)力接近豎直方向，與垂直方向夾角不大于20°。

2）實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力與自重應(yīng)力的平均比值為1.76，說明白音呼布礦地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)控制。80 m水平中段最大水平主應(yīng)力為37.97 MPa，實(shí)測(cè)地應(yīng)力值及應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)工程設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。

3）地應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切：在NE向張性斷裂構(gòu)造F2的控制作用下，花腦特銀多金屬礦區(qū)最大水平應(yīng)力方向基本為NEE向;礦區(qū)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向全部位于NE—SW向，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向與實(shí)測(cè)原巖應(yīng)力方向相同。

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