黃金礦山深部地應力測試與分布規律研究

摘要：高地應力是深部開采不可避免的難題。為確保新城金礦在高地應力環境下的安全高效開采，采用瑞典LUT地應力測定儀，運用應力解除法對新城金礦-830 m、-930 m、-1 030 m中段共計6個鉆孔巖芯進行地應力測量，并用LUT－str專用巖體應力計算程序對測試結果進行綜合分析，采用赤平極射投影軟件繪制出測點主應力方位赤平面投影圖，使用線性回歸方法，對所測6個測點的應力值進行回歸分析。研究結果表明：新城金礦地應力場主要是水平構造應力，礦區圍巖含有較多的節理裂隙，巷道開挖后，礦巖較為破碎、易風化，片幫等災害現象易發生，應在開挖后及時支護。此研究為新城金礦深豎井工程的安全施工、合理支護設計及深部開采支護等提供了基礎資料與依據，同時也為類似礦山豎井掘進與礦山開采起到示范作用。

關鍵詞：豎井掘進；高地應力；地應力測試；地應力場；應力解除法；深部開采；支護

中圖分類號：TD32文章編號：1001-1277（2024）11-0053-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241107

引言

地應力是一種在長時間地質活動中，由地層活動引起的地殼材料在長時間作用下所形成的一種內應力場。巖土工程的工程地質情況是巖土工程穩定性、工程施工等方面的基礎信息^［1-3］。在礦山生產中，地應力的強度與方位對優化井巷斷面形態、合理定向、合理巷道支撐具有一定的指導意義。隨著礦體開采深度的不斷增加，巷道的支撐難度越來越高，導致了沖擊地震等災害的出現^［4-6］。因此，研究地應力的分布規律對于合理的巷道支護具有一定的指導意義。

山東黃金礦業股份有限公司新城金礦（下稱“新城金礦”）位于山東省萊州市，隨著開采深度的增加，巷道支護愈發困難，沖擊地震等災害的發生概率也越來越高。因此，了解礦山深部地應力分布特點及規律，是新城金礦深部開采的一個關鍵環節。

本文采用應力解除法對新城金礦-830 m、-930 m、-1 030 m中段共計6個鉆孔巖芯進行地應力測量，并對測試結果進行綜合分析，得到深部地應力場的變化規律，為新城金礦深豎井工程的安全施工、合理支護設計及深部開采支護等提供基礎資料與依據。

1地應力測點選擇

1.1測點選擇原則

通常，原巖地應力測點的選擇遵循以下原則：

1）巖體質量要求。為了確保巖芯的完整性和地應力值的可靠性，在所述巖層中設置鉆孔。

2）就近研究原則。對于礦山來說，一般都是以礦體為研究目標，所以要把測點設置在礦體及其周圍。測點應盡可能接近設計的巷道，在采區地質結構數據的基礎上，設計巷道所在的應力場應具備一定的代表性。

3）典型性。對于所選的測點，要盡量避免鄰近開挖的隧洞，避開發生應力畸變區、不穩定區和擾動的來源，確保其應力場的真實性。

4）完整性。為了防止斷裂對測量結果產生干擾，選取沒有斷裂的地區進行測量。現場觀測發現，在大斷裂周圍，不僅存在著較小的橫向應力場，還會影響主應力的走向。所以，應將測點設置在離斷裂和破碎帶盡可能遠的地區。

5）實用性。在選取測點時，必須綜合考慮地應力場的試驗條件，以實用性為主。

6）便利性。在選取地應力場時，要綜合考慮工程地質情況和工程地點；在開挖時，要保證測點（井眼）傾斜3°～5°，便于排水。

1.2礦區地應力測點的確定

礦山原巖應力場測量主要是為了掌握礦山各個部位的應力場分布情況，從而為礦井設計、礦井地壓合理控制、井巷支護提供依據^［7-9］。為了掌握礦床初期的應力狀況，工作人員在野外進行了應力場測量，確定了地應力值。

2024年第11期/第45卷礦業工程礦業工程黃金

本次工程規劃了-830 m、-930 m、-1 030 m中段3個平巷，分別設置2個測點，但新城金礦的深、中、下3個工作面都處于緊鑼密鼓生產的狀態，特別是-930 m中段的中部，生產工作更加艱巨，測點的選取也受到了生產的限制，因此，在野外進行地應力試驗的地方十分有限。同時要求在-930 m中段中部的2個測點，地應力的測定不會對現場的工作造成干擾。后結合新城金礦的具體條件，在-830 m、-1 030 m中段中部大巷各設置2個測點，-895 m斜坡道、-940 m斜坡道調車硐室各設置1個測點。測點的選取基本避免了巷道的彎、叉、拐等應力集中區及破碎帶、斷裂發育帶，并盡可能地將測點設置在較大的采空區和硐室區。測點布置情況、測點位置的巖石性質和測點的各項指標見表1。

2地應力測量

2.1測量原理及方法

利用瑞典LUT地應力測定儀對新城金礦進行了深井地應力測量。孔內應變釋放方法的基本原則是假設孔壁圍巖為線性彈性形變，荷載與卸荷曲線一致。根據井筒內二次應力與井筒內巖石的應力、井筒內的變形與井筒內二次壓力之間的相關性，得出了孔壁內應變與巖石應力之間的對應關系^［10-12］。因此，若能測量到巖體內徑的彈性形變，就可以從巖體的應力-應變曲線和已知的巖體塑性常量出發，得到巖體應力。

孔壁應變釋放是通過在硐口內深挖，在硐壁上貼滿應變片，應變片的初始應變調零，通過套管釋放井口周圍的壓力，實現巖芯的彈性恢復，測量巖芯筒的彈性恢復，從而得到巖芯套管的彈性恢復，然后得到巖芯的應力值^［13-15］。

2.2現場測量

1）測量前準備。通過對鉆井作業的技術培訓，確定了鉆機和鉆具，并在施工中設置了測點。實際試驗時，必須依據地應力測量的選點原則，并結合實際的地質結構，來確定所需要的測點數及所處的具體方位。測點應確保巖性完整性好、巖性單一、無泥巖性，然而新城金礦部分礦區巖體節理裂縫多、巖性極差，難以找到完整性好、巖性均勻的巖體，僅從巖層裸露部位選取巖性好的巖層，其巖層完整性尚不清楚，難以進行進一步勘探。此外，需要注意的是，要選擇在鉆機、儀器易于搬運，靠近風和水管路，有充足的工作場地，不會受到井下交通和其他操作干擾的通風區域。

2）鉆具試驗。在首次測量之前，根據測量需要鉆鑿大孔，磨平孔底，鉆鑿小孔。鉆孔角度為3°～10°，小孔長為35 cm，鉆孔必須平整光滑，大孔與小孔的同軸性良好。技術精度和鉆孔深度都滿足要求后方能進行正規測試。

3）現場測量。對小孔巖芯進行檢測，判斷是否可行，并決定應變片定位。應選擇小孔巖芯全斷面，避免出現微小裂縫與巖體相交的情況。在小孔中，要正確保存巖芯，將其按照斷裂處進行縫合，并用膠帶纏繞，再依據應變儀探針是否到探測器的末端，以及小孔孔口的插管和鉆芯的完好情況，來決定應變板的最優粘貼部位。然后清潔引導孔、試件，安裝探針，卸下套管，測試釋放應力等。

4）巖芯筒彈性參數測定與計算。所謂“雙軸”試驗，即“圍壓速率”試驗，其主要目標有2個：一是測量巖芯的彈性參量，以“本地”巖體參數作為主要應力值，從而達到較高的擬合度；二是檢測應變儀的工作狀況，測量時，若有一種應變儀工作不規范，則應將其對應的卸載應變量去掉，以防止由應變儀自身或處理后產生的錯誤^［16-20］。2個軸向測試的基本程序是：

（1）在雙軸腔內安裝耐油聚乙烯套，倒入液壓油，將解套取出的巖芯管插入雙軸腔，使應變片居中。

（2）用手搖泵進行分級（按1，2，4，6，…，n MPa級序）加壓和分級卸壓的循環加卸載試驗，用數據記錄儀打印應變值。最大壓力按式（1）確定：

pmax= h（MPa）（1）

式中：h為測點距地表深度（m）。

（3）作圍壓-應變曲線。

（4）用卸載曲線或測定應變計算彈性參數，計算公式見式（2）、式（3）。

E=pεθ×21－DiDy2（2）

μ=εjεθ（3）

式中：E為彈性模量（MPa）；p為圍壓（MPa）；Di、Dy分別為筒狀巖芯內、外直徑（mm）；μ為泊松比；εθ、εj分別為環向和縱向應變（‰）。

3地應力測量結果與數據處理

采用LUT-str專用巖體應力計算程序對新城金礦深部6個測點應力進行了全面分析，得到三維主應力分布及應力數值，將主應力的方向用赤平面投影圖表示，結果見圖1～6。各主應力隨深度的回歸曲線見圖7。

由圖1～7可知：

1）主應力，包含最大主應力σ1、中間主應力σ2、最小主應力σ3，以及應力和（橫向應力和）。隨著深度的增加，主應力逐漸增大。在相同地層中，各測點地應力值和方位都發生了一些改變，但未見明顯的突變，表明新城金礦深層地應力區的分布較為均衡。

2） 最大主應力出現在260°～285°，沿近東西向，略有NWW-SEE的傾向，與上覆中淺層的最大主應力方位相吻合。6個測點最大主應力的傾斜角度都比較低，為4°～16°，表明這一地區仍然是由橫向構造的壓力所支配。

3）最大主應力大于30 MPa，-1 030 m中段的最大主應力達到42 MPa以上，處于高地應力狀況。

4）中間主應力場分布范圍很廣，大部分均大于60°，屬于接近豎直的應力場，其與最大主應力場的差異不大（0.65～0.76 MPa），表明重力對深部礦區的影響也很大。

5）東西向水平的應力分量比南北向的要多，而且在方位上存在著顯著的差別。垂直應力的分量與其水平深度的理論計算結果相近。

4結論

通過對新城金礦深部LUT鉆孔巖芯取樣測量，系統分析了LUT鉆孔結果，繪制出各測點主應力方位赤平投影圖，并建立其應力隨深度的回歸曲線，經過分析，得到以下結論：

1）新城金礦深部礦區的地應力場以水平構造應力為主，最大主應力大致呈近東西向。因此，在未來構建測點附近的硐室、巷道及其他地下結構時，應使巷道走向、硐室軸向盡可能與最大主應力方向一致或盡可能接近最大主應力方向，這樣可以大大減小地壓對巷道穩定性的影響，從而提高安全性，降低生產過程中的巷道支護成本。

2）最大主應力大于30 MPa，處于高地應力狀況。中間主應力場分布范圍很廣，屬于接近豎直的應力場，重力對深部礦區的影響很大。

3）由于受到開拓及生產進度等方面的限制，本次測量僅在少數中段運輸平巷和斜坡道進行6個測點的深部地應力測量，但相對于廣闊的礦區，測點的數量明顯偏少。因此，建議在深部開拓工程完畢后，在重點區域補測幾個點，以便更全面地掌握整個礦區的地壓變化規律，為礦區地應力空間變化規律的研究提供更精確的數據，從而為新城金礦深部的開拓和安全、高效開采工作提供更準確、更全面的基礎研究數據。

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Ground stress testing and research on its distribution patterns in deep sections of gold mines

Jiang Wanfei

（Xincheng Gold Mine of Shandong Gold Mining Co.，Ltd.）

Abstract：High ground stress is an inevitable challenge in deep mining.To ensure safe and efficient mining operations in the high-stress environment of Xincheng Gold Mine，the Swedish LUT ground stress measurement instrument was used.A total of 6 borehole cores at the -830 m，-930 m，and -1030 m levels of Xincheng Gold Mine were measured using the stress relief method.The LUT-str dedicated rock stress calculation program was employed for comprehensive analysis of the test results.Stereographic projection software was used to create stereographic projection diagrams of the principal stress directions at the measurement points，and linear regression was applied for regression analysis of the stress values from the 6 measured points.The research result shows that the ground stress field in Xincheng Gold Mine is primarily horizontal tectonic stress.The surrounding rock in the mining area contains numerous joints and fissures，leading to more fragmented and weathered rock after excavation，which makes phenomena like spalling more likely.Therefore，timely support is recommended after excavation.This study provides fundamental data and references for safe construction of deep shafts，rational support design，and deep mining operations，while also serving as a model for shaft excavation and mining in similar mines.

Keywords：vertical shaft excavation;high ground stress;ground stress testing;ground stress field;stress relief method;deep mining;support

基金項目：國家重點研發計劃項目（2023YFC2907400）

作者簡介：蔣萬飛（1969—），男，工程師，碩士，從事采礦技術研究及管理工作；E-mail：jiangwanfei@sd-gold.com