某礦山深部地應力特征及巖體穩定性分析

熊贊民, 王恒濤, 孫 堯

(1.中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038; 2.中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081)

1 前言

某礦目前開采最低標高為-378 m,埋深超過600 m。隨著開采深度不斷增加,可能引起巖爆、沖擊地壓、圍巖大變形等工程地質問題[1-3]。因此在礦區開展原位地應力測量,掌握原巖應力場的基本特征,為合理的井巷工程設計、巷道圍巖支護、地壓控制等有著重要的指導意義。

地應力測量方法包括水壓致裂法、套芯解除法、巖芯滯彈性恢復法(ASR)等。其中套芯解除法是20世紀70年代發展起來的能夠比較準確地確定巖體中三維應力狀態的方法,也是最經濟合理的方法。

2 區域地質構造概況

礦山屬丘陵中低山地貌,因受風化和雨水侵蝕作用,山坡坡角約為10°～35°,并形成呈樹枝狀的沖溝、山前谷地和中低山脈。礦區地勢北東高、南西低,海拔標高307.63 m,地形最大相對高差為227.63 m。

2.1 構造

礦區所跨兩個二級大地構造單元,分別是贛東北韌性剪切蛇綠巖造混雜帶和泗洲廟復向斜。區內發育多組方向的斷裂構造,有東西向、北東向、北北東向、北西向四組斷裂,東西向斷裂形成較早,多以擠壓破碎帶形式存在;北東向和北北東向斷裂普遍發育;北西向斷裂形成最晚。

2.2 地層巖性

區域出露地層有中元古界雙橋山群(Pt2sh)、上元古界登山群(Pt3d)和震旦系(Z)、古生界寒武系(∈)、中生界侏羅系(J)和白堊系(K)及新生界第四系(Q)。礦體賦存于千枚巖、變石英閃長巖和石英斑巖中。

3 礦區應力場概況

由于水壓致裂地應力測量僅能測出水平的二維應力,豎直應力依靠上覆巖體的重量估算,且近年來礦體深部的采掘對原巖應力場狀態有影響,為進一步獲取擾動后的礦區地應力狀態,于2022年6月～8月期間,在礦體的-258 m中段和-378 m中段,開展了4個測點的套芯解除法地應力測量,進而獲取深部礦體在開采擾動后的三維地應力狀態。

3.1 套芯解除法地應力測量設備及基本原理

套芯解除法地應力測量使用的應變計簡記為CSIRO型空芯包體[4],本次測試采用KX-81型空芯包體三軸地應力計,具體如圖1所示。

鉆孔應力解除技術,就是將一段巖石通過取芯(套芯技術)從周圍巖體施加給它的應力場內隔離開來的方法,應力解除過程如圖2所示。現場解除完成后,使用率定器向套取的巖芯施加圍壓,從而獲取測點巖石的彈性模量及泊松比。

圖2 鉆孔應力解除過程示意圖

3.2 測點選取與測量結果

經實地踏勘,將4個地應力測點分別布置在-258 m中段(3個測點,鉆孔編號ZK258-1、ZK258-2、ZK258-3)和-378 m中段(1個測點,鉆孔編號ZK378-1)。鉆孔位于巷道旁側,為近水平孔,傾角為上傾3°～5°;鉆孔深度為巷道寬度的2.5倍以上,約為8 m,鉆孔直徑為130 mm。現場試驗過程按照《原地應力測量水壓致裂法和套芯解除法技術規范》進行[5]。各測點應變實測曲線如圖3所示。

圖3 套芯解除法應變實測曲線

對套孔解除取出的帶包體巖芯用彈模率定器進行彈性參數率定,率定實驗結果表明:礦區各測點的彈性模量約為50 GPa,泊松比約為0.25。分析計算得出礦區地應力分量及主應力的大小和方向見表1。

表1 礦區地應力測量結果匯總表

3.3 礦區地應力場分布規律

通過套芯解除法地應力實測,2個工作面4個鉆孔中最大水平主應力值為14.25～20.17 MPa;中間主應力值分別為8.34～11.35 MPa;最小主應力值分別為5.67～8.68 MPa。按照套芯解除法地應力測量理論,豎直主應力可以按其上覆巖層的重力進行估算。從表1可知,全部4個鉆孔測量的最大主應力、中間主應力均接近水平方向,其中最大主應力與水平面的平均夾角為4.9°,中間應力與水平面的夾角為8.9°;最小主應力為近似豎直方向。表明該區應力場狀態變化很小,比較穩定,應力場狀態為逆沖型。

從表1可以看出,-258 m中段3個應力測點中的最大主應力量值在15.15 MPa左右,最大主應力方向平均N42°E附近;-378 m中段應力測點的最大主應力量值為20.17 MPa,最大主應力方向N36°E附近。可以看出4個測點的最大主應力方向NNE～NEE,受礦坑及巷道開挖的影響,最大主應力方位角差異較大,各測點最大主應力方向如圖4所示。

圖4 各測點最大主應力方向

得到測區水平主應力隨深度變化曲線如圖5所示。

圖5 主應力值隨深度變化圖

各測點的水平主應力最大值(SH)和最小值(Sh)線性回歸方程如下:

SH=-9.23+0.077D
Sh=-7.14+0.052D

式中,D為鉆孔深度,單位為m。

通常利用水平最大主應力與垂向應力的比值研究各測點構造應力場的特征,其中-258 m中段σ1/σ3=2.51～2.77,-378 m中段σ1/σ3=2.32。可見兩個中段最大主應力與最小主應力的相差較大,其比值平均在2.54左右,會造成剪應力值相對較大。

4 巖體穩定性分析

礦井開采深度不斷增加,礦山深部巷道和工作面的高應力環境易引起硬巖巖爆[6-10]、軟巖大變形、沖擊地壓等工程災害,嚴重影響著礦山開采的安全。巖爆或軟巖大變形的外因是巖體開挖引起地下洞室圍巖應力重新分布、應力集中造成的局部高地應力;其內因是巖石硬度,一般來講在高應力作用下的硬巖易發生巖爆現象,而軟巖則具有大變形特征。通過對現場圍巖樣品開展巖石力學試驗,測定了巖石的力學參數,具體參數見表2。

表2 主要圍巖巖石力學參數

針對較硬的英安斑巖、閃長巖,用工程區巖石單軸抗壓強度Rc與巷道截面內最大主應力σmax的比值Rc/σmax作為巖爆判定標準之一[11];對于較軟的石英斑巖、絹云母千枚巖,參照國內大型軟巖巷道烏鞘嶺巷道的大變形分級標準[12-13]確定大變形。主要圍巖巖爆傾向見表3。

表3 主要圍巖巖爆評價

礦山主要巷道圍巖大變形等級見表4。

表4 主要圍巖大變形評價

5 結論

(1)勘探區應力場主要以水平應力為主導,實測得出2個工作面4個鉆孔中最大水平主應力值為14.25～20.17 MPa;中間主應力值分別為8.34～11.35 MPa;最小主應力值分別為5.67～8.68 MPa。最小主應力為豎直應力,顯示出逆沖應力狀態。

(2)-258 m中段3個應力測點最大主應力方向平均N42°E附近;-378 m中段應力測點最大主應力方向N36°E附近。可以看出4個測點的最大主應力方向NNE～NEE,與區域構造應力場方向近似。設計時應盡可能布置巷道長軸線與最大應力方向小角度相交,以減少硐壁的切向應力。

(3)-258 m中段σ1/σ3=2.51～2.77,-378 m中段σ1/σ3=2.32,兩個中段最大主應力與最小主應力的相差較大,其比值平均在2.54左右,會造成剪應力值相對較大。

(4)通過Rc/σmax評價巖體穩定性,-258 m中段,英安斑巖、閃長巖、石英斑巖圍巖屬于低應力,無巖爆;絹云母千枚巖圍巖大變形等級輕微。-378 m中段,英安斑巖、石英斑巖圍巖為高應力,有巖爆傾向;閃長巖圍巖屬于低應力,無巖爆;絹云母千枚巖圍巖大變形等級輕微。對于有巖爆傾向的英安斑巖、石英斑巖,測試的2個中段,巖體完整性較差,未發生巖爆。隨著中段延深,需對英安斑巖和石英斑巖重點關注。