西嶺礦區地應力測量及分布規律研究

摘 要：西嶺金礦已成為我國最大單體金礦床，收集地應力基礎技術數據對合理開采西嶺金礦具有重要意義。該文利用勘探期鉆孔巖心，通過聲發射試驗確定巖心聲發射Kaiser效應點，從而進一步計算獲得地應力大小及方向。最終，通過選定的5個鉆孔的地應力測量結果獲得整個西嶺礦區的地下地應力分布規律，為礦區的采礦設計提供重要的數據支撐。

關鍵詞：西嶺礦區；地應力；聲發射法；Kaiser點；分布規律

中圖分類號：TD32 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0075-07

Abstract： Xiling gold deposit has become the largest single gold deposit in China. The collection of basic technical data of geostress is of great significance for the rational mining of Xiling gold deposit. In this paper， by using the borehole core during the exploration period， the acoustic emission Kaiser effect point of the core is determined by acoustic emission test， and the magnitude and direction of geostress are further calculated. Finally， the underground geostress distribution law of the whole Xiling mining area is obtained through the geostress measurement results of the selected five boreholes， which provides important data support for the mining design of the mining area.

Keywords： Xiling mining area; geostress; acoustic emission method; Kaiser point; distribution law

地應力是反映地下巖體應力狀態的直觀數據，是礦山技術人員進行地下工程穩定性評價、工程開挖設計時所必需的原始資料[1]。在礦山安全生產過程中，研究地應力分布規律能夠進一步幫助我們優化巷道的規格及方位布置，合理選擇適當的支護方式[2-3]。隨著淺部資源的日漸枯竭，各類礦山都在不斷地向深部進軍，由地應力引發的支護失效、巖爆等災害的風險不斷加劇[4]。因此，充分研究礦區深部應力狀態對于安全生產至關重要。

完成勘探的西嶺礦區金金屬量達到580 t，使其成為國內發現的最大單體金礦床，屬世界級巨型單體金礦床。西嶺金礦的礦體特征及成礦規律已經有了較為系統的研究[5-7]，但對礦區地應力分布規律的研究較少。主礦體最大延深2 000多m，未來在開采過程中勢必會受到較大地應力的影響。為了將來更好地把資源量變成可以開發利用的儲量，在開采前進行地應力的相關研究十分有必要。因此，本文充分利用勘探期鉆孔巖心，進行巖心聲發射測試試驗，獲取巖心Kaiser效應點[8]，在礦區還未開采前便查明地下地應力大小及方向，為安全采礦提供必要數據支撐。

1 地應力測量試驗試樣選取

1.1 地應力測量點選擇

西嶺礦區施工鉆孔較多，實際地應力測試試驗不需要兼顧到每個鉆孔，因此優先選擇88號勘探線上的鉆孔，因為該勘探線基本上從中間橫穿整個礦區，該探勘線上的鉆孔更具有代表意義。垂直該勘探線向兩翼擴展選擇其他鉆孔，選擇94線和76線的鉆孔與88線呈十字分布，基本上能涵蓋整個礦區。最終確定5個具有代表性的探礦鉆孔（ZK88-18、ZK88-14、ZK88-21、ZK94-2和ZK76-2），如圖1所示，合計孔深8 702 m。計劃以每300 m劃分一個測點（深度為300、600、900、1 200、1 500、1 800 m等），進行編錄取樣據此。實際在編錄過程中，某些點位巖心過于破碎或者礦化段巖芯已劈樣化，則酌情選擇該點位上部或者下部就近的巖心進行取樣。

1.2 巖心地表重定向

在進行巖心地表重定向時，要用到鉆孔施工過程中的原始測斜數據，利用球面幾何原理及鉆孔彎曲計算準則，計算得出對定位有用的關鍵參數[9]。在校驗儀器上進行空間角度測量和位置調整，實現巖心空間的重新定位，如圖2所示。

1.3 試樣加工制備

鉆取試件的取樣方向如圖3所示，在巖芯垂直方向和重定位的0°、45°、90°共計4個方向制樣[10]。試樣為圓柱體，直徑為φ20 mm，高度為直徑的2～2.5倍，定為40 mm，試樣的高度平整度都要符合相關技術要求。

2 地應力測量過程

2.1 試驗儀器

巖石聲發射試驗試件壓縮由常規的伺服液壓系統（型號MTS815）完成，聲發射信號的采集由PCI-2多通道聲發射系統完成，整個試驗系統如圖4所示。

2.2 試驗方案

選擇不存在明顯節理的試件，用皮筋將聲發射探頭固定在試件側面，探頭與試件間涂抹凡士林進行耦合，然后將試件固定在液壓平臺上，探頭與聲發射系統連接好，進而進行采集參數的設定。試件壓縮過程中，液壓系統采用速率為0.05 mm/min位速度控制加載，聲發射系統設置門檻值為45 dB，避免低于該門檻值的信號干擾。準備工作完成后，同步開啟液壓機和聲發射監測系統，保證壓縮系統的試件時間和應變曲線與聲發射系統接收信號時間一致。

2.3 試驗數據及地應力值計算

在聲發射試驗過程中，PCI-2型聲發射測試系統可以記錄聲發射到達時間、持續時間、事件數、振鈴計數和能量等多種聲發射參數[11]。在確定試件的聲發射Kaiser效應特征點時，選用絕對能量和幅值作為測試參數。由于報告篇幅有限，這里只列出了部分信號圖（圖5）。

根據所得出的Kaiser點應力值，表1列出了ZK88-14鉆孔深度分別為300、600、900、1 200、1 500 m共計5個點位計算出來的測點地應力分布情況。由于篇幅有限，試驗過程數據過程僅以該鉆孔為例。

根據表1整理的不同角度試件的Kaiser點應力值計算得出空間應力分量σI、σII、σIII，見表2。之后根據式（1）計算出5個鉆孔各測點巖體所受的最大主應力σ1、最小主應力σ2及最大水平主應力方向，計算結果統計于表3。

對于水平方向上的3個應力值，基于彈性力學原理

式中：σⅠ、σⅡ、σⅢ為3個方向的正應力實測值；σ1、σ2為水平方向上的最大、最小主應力；θ為水平最大主應力與正北向夾角，逆時針轉到北方向為正。

分別作出各方向應力以及水平最大主應力方向隨著深度的變化趨勢，如圖6至圖11所示。

1）垂直主應力跟深度呈線性增長的正相關性，與自重應力相差不大，主要跟埋深、巖石密度、重力加速度有關，如圖6和圖10所示。

2）水平最大主應力也與埋深呈正相關性，根據試驗現象和計算結果，深度越深，最大水平主應力越大，2 000 m時高達50 MPa，嚴重危害礦山生產安全。

3）對比垂直方向主應力和水平最大主應力可發現，如圖11所示，西嶺礦區應力場受水平構造應力作用更明顯，淺部水平應力大于垂直應力，但深部垂直應力作用更明顯。這一現象符合巖體初始應力“平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小”這一客觀規律。

4）基于聲發射方法測得的水平最大主應力，方向比較集中，均為NWW～SEE方向，分布于N85°E～N120°E之間（如圖11所示）。與構造成礦后期殘余的應力方向一致。

5）除300 m深度以外，最大水平主應力與垂直主應力之比在1.01～1.81之間，最大水平主應力要遠大于最小水平主應力。因此在采礦工程施工過程中，巷道圍巖會受到2個水平方向應力的剪切作用，極易引起圍巖的破壞。

6）分析數據可知，不論是水平主應力還是垂直主應力都與深度呈線性關系，為方便今后的開采設計，以深度為變量進行應力大小的線性擬合，擬合計算公式如下

ZK88-14地應力擬合 ZK88-18地應力擬合

ZK88-21地應力擬合 ZK94-2地應力擬合

ZK76-2地應力擬合 區域地應力擬合

式中：σv為垂直主應力，MPa；σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；h為埋深（正值），m。

3 結論

西嶺礦區水平最大主應力方向N85°E～N120°E，在2 000 m以深的位置最大水平主應力將達到50 MPa，2個方向水平主應力差值較大易引起剪切破壞的發生。未來在礦山開采設計中，要充分考慮深部高應力可能引發的災害問題，依據地應力分布規律系統性設計巷道開挖的參數與范圍，選擇更安全的支護方式和更合理的卸壓方式，堅決杜絕因為地應力引發的礦山安全生產事故。

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基金項目：山東黃金集團科技項目（21B2005）

第一作者簡介：吳振宇（1990-），男，工程師。研究方向為礦山巖石力學。

*通信作者：劉震（1990-），男，碩士，工程師。研究方向為礦山地質與巖石力學。