錦豐金礦深部地應力測量及分布規律分析

陳建新

摘要：錦豐金礦礦體最大埋深900 m以上，目前已逐步轉入深部500 m開采，區域地應力明顯增大，巷道支護體開裂變形、片幫、底鼓等問題日益突出。為了切實掌握深部地應力的實際狀態，采用空心包體應力解除法和DCDA法測得標高157 m、90 m、24 m、-59 m共4個標高段的9組應力數據，結果顯示：深部最大水平主應力方向為北東向，在90 m水平以上，地應力以垂直應力為主;90 m以下逐步轉為以水平構造應力為主。采深最低處90 m標高最大水平主應力為17.3 MPa。通過數據趨勢擬合推測礦體埋深最深處-250 m標高的最大水平主應力將達到42.97 MPa。本次地應力實測成果可作為礦山深部巷道工程布置和支護方案設計的重要依據。

關鍵詞：地應力測量;空心包體;應力解除法;DCDA法;巖心直徑;變形分析

引 言

地應力是存在于地殼中的原始力，地殼的移動、褶皺、斷層、褶曲、地下水位或溫度變化等地質現象就是地應力的直接表現。礦山井巷工程開挖過程對原始應力平衡狀態造成擾動，因此在應力重新分布的過程中使巷道發生冒頂、片幫、底鼓甚至巖爆等破壞現象。根據地應力的大小、方位角及地下巖體本身特性的不同，巷道破壞現象各異。研究普遍認為：不論是垂直方向還是水平方向上，地應力都會隨開采深度的增大而增大[1]。因此，深部礦山巷道工程布置、支護方案的選擇、后期巷道維護都將考慮到區域內地應力的分布狀態和總體規律。地應力已經成為研究地下巷道工程變形機理、確定支護方案的重要參考指標。

貴州錦豐礦業有限公司（下稱“錦豐金礦”）巖石松軟破碎，掘進工程延深至標高130 m以下時，表現出較大的應力釋放特征。其中，110 m、90 m、70 m平巷及150～70 m主斜坡道均發生不同程度的巷道開裂變形和底鼓，新掘巷道未投入使用就需要返修，嚴重影響工程進度和安全生產。因此，實測掌握深部地應力成為解決深部巷道支護問題的重要環節。

1 工程地質概況

錦豐礦區位于揚子準地臺西南緣，望漠北西向構造變形區西側，挾持于北東向賴子山背斜及其東翼洛帆逆沖斷裂、北西向板昌逆沖斷層和冊亨東西向構造帶組成的三角形構造變形區內。礦區內規模較大的褶皺有林壇背斜、爛泥溝向斜及上冗半向斜。斷裂發育，主要有北西向、南北向及北東向3組。北西向為礦區的主體構造，其中F3為本區主要控礦斷裂，實質上是一個強構造應變帶及強礦化蝕變帶，還發育了一系列的配套構造。

礦區地層主要為三疊系中統邊陽組、尼羅組、許滿組及三疊系下統羅樓組，巖性主要為細砂巖、粉砂巖、雜砂巖和黏土巖、灰巖等。其中，邊陽組下部為主要含金層位，巖性以薄—中厚層狀、厚層狀細砂巖、粉砂巖、雜砂巖為主，夾薄—中厚層狀黏土巖，砂巖、黏土巖呈韻律性互層產出[2]。

2 地應力測量方法

2.1 測量方法的選擇及選址

空心包體應力解除法施工選址時重點考慮選擇巖石條件較好的區段，以便獲取完整巖心，盡量避開巖石破碎帶和巷道應力集中區，如轉彎、岔口，并遠離現有生產擾動區[3]。鑒于錦豐金礦巖石普遍破碎，在用工程密集，因此僅在已完成開拓掘進尚未投入采礦（無生產擾動）的90 m水平選擇一處實施測量。為了獲取更多不同深度的地應力數據，便于對礦區地應力狀態進行綜合分析，又采用了巖心直徑變形分析法（DCDA法），對取自地表巖心庫的不同深度段完整巖心進行了室內測試分析。

2.2 空心包體應力解除法

空心包體應力解除法屬于典型的孔壁應變法，是一種高效率進行地應力測量的方法，可在單孔中通過一次解除得到多組應變片記錄的不同方向的應變值，根據應力-應變關系、彈性模量、泊松比等參數，求解該點的三維應力大小和方向[3]。

空心包體應力計安裝見圖1。施工時，首先施工130 mm、深7 m的盲孔，孔底上傾5°，利于水循環和沖洗孔底巖屑。打磨孔底后換上36 mm的鉆頭并接上導正器，按原方位角繼續鉆進測量小孔。在測孔中安裝測量元件，測量元件與孔壁緊密黏接。然后換用130 mm鉆頭在小孔外同心鉆取應力解除槽。隨著應力解除槽的加深，巖心漸漸脫離周圍應力場的作用，發生彈性恢復，測量元件的負荷隨之發生變化（見圖2），數據采集儀記錄應力解除前后儀器讀數的變化，自動生成應力-解除進程曲線。套心解除過程中注意觀察各應變片隨進尺變化的讀數變化，一般每隔3 cm讀一次數據（解除深度一般36～45 cm）。解除完成，待數據穩定后，停止鉆進。取出帶測量元件的巖心進行圍壓率定（見圖3），將取出帶有元件的巖心放到圍壓率定器中，給巖心加圍壓并進行讀數，繪制應力-應變曲線，計算巖石的彈性模量與泊松比，用作最終結果的解算。

2.3 DCDA法

DCDA法主要是利用巖心卸壓（取心，脫離地應力影響）后巖體發生微膨脹導致的截面方向不均勻的應變量，變形后的巖心截面視為由原位應力狀態下的等徑直圓變為橢圓，最大應力方向即是橢圓長軸方向;假設巖石為均質材料，根據線彈性理論可求出原位地應力的σmax和σmin差值。在利用古磁定向的基礎上，確定σmax和σmin的方向。根據Savage經典理論模型，對于垂直鉆孔，利用不同直徑方向上的變形和上述假定條件，可以估算得到最大和最小水平主應力的量值[4]，則σmax、σmin、σZ值（σZ值為上覆巖層的重力）均可得到。巖心直徑測試只需要采用配有激光測距儀、電動機驅動滾輪和數據采集處理系統的設備即可完成。

3 地應力測量結果

3.1 空心包體應力解除法

應力解除過程中，數據采集儀現場可直接讀取并繪制應力計的輸出曲線，即應力解除曲線（見圖4）。從圖4可以看出：在解除鉆進靠近應力計的中心位置時，曲線變化幅度逐漸達到最大，超過中心位置時，曲線逐漸趨于平穩[5]。為了獲取有效彈性模量（E）和有效泊松比（ν）而進行的圍壓率定試驗曲線見圖5。2種數據曲線均表明各應變片工作狀態較好。具體結果見表1、表2。

根據上述數據求解最大、最小水平方向應力，垂直應力等于σZ，得到的結果見表3。

3.2 DCDA法

DCDA法取巖心的垂直鉆孔孔口標高為680 m，取巖心深度分別為522～523 m、656～657 m和739 m共3個深度段，每個深度段取2塊巖心，每個巖心進行2次直徑（d1、d2）變形分析測試;剔除部分異常數據，結合巖心古地磁定向，得到測試結果，見表4。

由表4可知：最大水平主應力為9.39～27.49 MPa，最小水平主應力為3.23～8.54 MPa，垂直應力為14.36～19.95 MPa。最大和最小水平主應力值隨深度增加而增大，符合客觀規律[6-7]。同一深度段最大和最小水平主應力的幾組數據均較為接近，測試結果有較高的可靠性。

3個樣品523 m、657 m和739 m最大水平主應力方向計算結果分別為NE59°、NE55°和NE47°，礦區最大水平主應力方向基本為NE向。

3.3 數據綜合分析

將上述2種方法的測試結果進一步綜合分析，其中DCDA法同一深度（h）內應力值取加權平均值，見表5。

根據表5，繪制應力-深度變化曲線，見圖6。由圖6可知：

1）最大水平主應力σmax、最小水平主應力σmin和垂直應力σZ隨深度增加而增大，符合已有的認識和規律。

2）將上述數據進行數據擬合得到應力隨深度的變化基本呈線性關系，表達式為：以此推算出礦體賦存最深處-250 m標高的地應力或將達到σmax=42.97 MPa，σmin=13.56 MPa。

3）各深度段σmax與σmin差值均較大，且此差值隨著深度的增加同向增大，表明區域內剪應力值相對較大，剪切破壞因素較強。

4）礦區最大水平主應力方向基本為NE向。深部開拓工程巷道布置盡量以巷道軸線平行于NE向為宜。

5）在90 m水平以上，σmax<σZ，最大應力以垂直應力為主;在90 m水平以下，σmax>σZ，最大應力將變為以水平構造應力為主。從淺部157 m水平往下至-59 m水平，側壓系數[8]變化范圍為0.65～1.37。

6）空心包體應力解除法測點的垂向應力與σZ=0.027h（巖體密度為2.7 t/m3）直線較為接近，說明2種方法的測試結果均有較高的可靠性。

根據擬合曲線推測的礦體最深部水平應力將達到42.97 MPa，因此深部巷道工程在布置、支護設計、掘進時機安排上均需要考慮地應力的影響。尤其在支護設計方面，需要改變淺部常規的管縫錨桿+鋼網+噴漿的支護方式，根據具體不同的巖石狀況，優選適合錦豐金礦大型機械化施工的樹脂錨桿、注漿錨桿、長錨索等多種支護方式。

4 結 論

采用空心包體應力解除法和DCDA法，對90 m水平段巷道的測點和3個深度段垂直鉆孔的巖心開展了地應力測試，共取得了4個深度段的有效地應力數據。根據數據分析，礦區地應力基本分布特點為：

1）最大水平主應力σmax、最小水平主應力σmin和垂直應力σZ均隨深度增加而增大。在90 m水平以上，地應力以垂直應力為主;90 m水平以下逐步轉為以水平構造應力為主。

2）最大水平主應力方向為NE47°～NE59°，最大水平主應力優勢方向為NE向，即北東向;最深處測點-59 m水平的最大水平主應力達到26 MPa，應力較大，深部掘進、采礦都將面臨更多的支護難題和更大的安全挑戰。

3）目前轉入采礦的最低標高90 m水平的三維應力狀態為：σ1=13.9 MPa，方位角245°，傾角50°;σ2=3.4 MPa，方位角40°，傾角37°;σ3=5.7 MPa，方位角140°，傾角13°。

4）根據擬合曲線推測的礦體最深部水平應力將達到42.97 MPa，因此深部巷道工程在布置、支護設計、掘進時機安排上均需要考慮地應力的影響。

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