蔣鋒

(銅陵有色金屬集團(tuán)，安徽 銅陵 244000)

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金口嶺礦區(qū)地應(yīng)力測試分析

蔣鋒

(銅陵有色金屬集團(tuán)，安徽 銅陵 244000)

為了優(yōu)化金口嶺銅礦礦區(qū)開采順序和巷道設(shè)計，采用三維套孔應(yīng)力解除測量計和空心包體應(yīng)變計，結(jié)合現(xiàn)場圍壓試驗(yàn)，根據(jù)彈性理論計算出礦區(qū)原巖應(yīng)力，得到礦區(qū)原巖應(yīng)力大小、方向等參數(shù)及其分布規(guī)律。結(jié)果表明，每個測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向均接近水平方向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力的方向基本一致；最小主應(yīng)力接近于垂直方向，三個主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，與我國地應(yīng)力實(shí)測得到的普遍規(guī)律相同，該方法可以為其他類似工程的地應(yīng)力測試提供參考依據(jù)。

套孔應(yīng)力解除法；空心包體應(yīng)力計；原巖應(yīng)力；圍壓試驗(yàn)；最大主應(yīng)力

地應(yīng)力是存在于地層中未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)類比法是在小規(guī)模開挖范圍和接近地表的深度內(nèi)進(jìn)行地應(yīng)力測量。但是，隨著開挖規(guī)模的不斷擴(kuò)大和向深部不斷發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)類比法就逐漸失去作用，不能滿足現(xiàn)場實(shí)際要求。目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的測量地應(yīng)力技術(shù)有應(yīng)力解除法和水壓致裂法，其中，套孔應(yīng)力解除法是發(fā)展時間最長、技術(shù)較成熟的一種測量方法[1-2]。

目前，很多學(xué)者利用套孔應(yīng)力解除法測量現(xiàn)場工程實(shí)際的地應(yīng)力并進(jìn)行研究分析[3-12]。饒運(yùn)章等[3]采用套孔應(yīng)力解除法對龍門山礦區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行了測定，研究其變化規(guī)律，為礦山安全、設(shè)計和施工等方面提供了理論參考依據(jù)。蔡美峰等[4]應(yīng)用三維套孔應(yīng)力解除地應(yīng)力測量技術(shù)和具有溫度補(bǔ)償功能的空心包體應(yīng)變計完成了對平煤十礦地應(yīng)力的測量，并利用數(shù)值模擬技術(shù)研究圍巖應(yīng)力隨著采礦過程的變化規(guī)律。喬蘭等[5]利用完全溫度補(bǔ)償?shù)目招膽?yīng)變技術(shù)的套孔應(yīng)力解除法對三山島金礦采空區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測量，得出其地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主的分布規(guī)律。邱賢德等[6]利用空心包體應(yīng)力計和自動實(shí)時記錄系統(tǒng)對某危巖邊坡地應(yīng)力進(jìn)行測量并研究其分布規(guī)律，為邊坡危巖治理工程設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。鄭西貴等[7]根據(jù)深部煤礦巷道圍巖體應(yīng)力分布力學(xué)特性和鉆孔應(yīng)力解除法原理，對同一鉆孔內(nèi)間隔一定距離進(jìn)行反復(fù)多次解除地應(yīng)力測試，推算出其他測點(diǎn)地應(yīng)力與巷道半徑之間的關(guān)系。上述研究采用套孔應(yīng)力解除法分別對不處于“三下”開采的礦區(qū)和城市圍巖邊坡進(jìn)行地應(yīng)力測量，而金口嶺城市地下礦區(qū)，是典型的“三下”礦區(qū)，對其地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，對于進(jìn)行安全經(jīng)濟(jì)的“三下”開采具有重要意義。

因此，本文對含采空區(qū)的金口嶺城市地下礦區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律進(jìn)行測定，為金口嶺深部及寶山“三下”開采安全論證提供了詳盡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

金口嶺銅礦位于安徽銅陵市南郊，礦區(qū)中心地理坐標(biāo)東經(jīng)117°48′07″，北緯30°55′01″，礦山采用淺孔留礦法采礦，礦區(qū)地層巖性較復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖溶作用中等，局部地段有破碎帶。區(qū)內(nèi)礦體主要產(chǎn)于二迭系下統(tǒng)棲霞組矽卡巖和角巖以及石炭系黃龍船山組大理巖中，隔水巖組較厚，且分布連續(xù)，僅在局部巖石裂隙比較發(fā)育時有一定的賦水空間和導(dǎo)水能力，總體對礦床開采影響不大。礦體地表有大量的民用建筑及銅陵市市政設(shè)施，是極為典型的 “三下”開采礦山。為了充分利用寶貴的礦產(chǎn)資源，減少資源的損失，考慮在建筑物下進(jìn)行開采。要確保安全經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行開采，必須對礦山地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，而礦區(qū)地應(yīng)力變化規(guī)律是影響工程穩(wěn)定性最重要、最根本的因素之一，因而進(jìn)行地應(yīng)力測試極為重要。

2 地應(yīng)力現(xiàn)場測試

2.1 測點(diǎn)布置

金口嶺礦區(qū)沒有進(jìn)行過地應(yīng)力場系統(tǒng)測量，開采設(shè)計和圍巖穩(wěn)定性分析所需地應(yīng)力主要是通過經(jīng)驗(yàn)定性分析或粗略估算，但隨著不斷向深部發(fā)展，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法確定的地應(yīng)力進(jìn)行開采設(shè)計容易導(dǎo)致施工事故，影響開采作業(yè)的正常進(jìn)行，因此采用套孔應(yīng)力解除試驗(yàn)確定其地應(yīng)力。根據(jù)測點(diǎn)布置原則[3]和現(xiàn)場實(shí)際條件，在-171 m中段、-450 m中段及-510 m中段布置了3個套孔應(yīng)力解除測點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 套孔應(yīng)力解除測點(diǎn)Fig.1 Stress relief measuring points of boreholes

2.2 空心包體應(yīng)變計測量

本工程采用KX-81型空心包體式三軸地應(yīng)力計，這是一種利用孔壁應(yīng)變解除法進(jìn)行地應(yīng)力測量的儀器。應(yīng)變計是由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12個電阻應(yīng)變片組成的。將3組應(yīng)變花(每組應(yīng)變花有4個應(yīng)變片)沿環(huán)氧樹脂筒圓周相隔120°粘貼，排列如下：一個沿圓周的環(huán)向，一個沿包體應(yīng)變計的軸向，另外兩個與其互成45°夾角，并且兩片之間成90°夾角，見圖2。軸向應(yīng)變片為0°方向，周向應(yīng)變片為90°方向，用方向表示應(yīng)變花排列與編號對應(yīng)見表1。然后再用環(huán)氧樹脂澆注外層，使電阻應(yīng)變片嵌在筒壁內(nèi)，外層厚度約為0.5 mm。

圖2 應(yīng)變花位置分布Fig.2 Position distribution of strain rosette

表1 應(yīng)變花位置對應(yīng)表Table 1 Position corresponding table of strain rosette

根據(jù)空心包體應(yīng)變計12只應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變值，鉆孔周圍的三維應(yīng)力狀態(tài)可以按下式進(jìn)行計算[1]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，εθ、εz、εθz分別為空心包體所測周向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變值；E、v分別為測點(diǎn)巖石的彈性模量和泊松比，E的單位為GPa；σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx是位于三維直角坐標(biāo)系中測點(diǎn)應(yīng)力的6個分量，單位均為MPa；K1、K2、K3和K4為修正系數(shù)。

2.3 測點(diǎn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)在-171 m、-450 m及-510 m 3個中段的同一測量孔中均進(jìn)行了兩次解除，共計6次，每次應(yīng)力解除試驗(yàn)過程中鉆頭每鉆進(jìn)3 cm進(jìn)行一次人工采集數(shù)據(jù)，直到應(yīng)變曲線到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時結(jié)束。各中段測點(diǎn)的應(yīng)力解除過程應(yīng)變曲線如圖3所示，去掉一些異常數(shù)據(jù)，取兩次解除過程中較好的一組數(shù)據(jù)分析計算。

圖3 各中段測點(diǎn)應(yīng)力解除過程曲線Fig.3 Stress relief process curve of each measuring point

從圖3中可以看出，各應(yīng)變片的應(yīng)變值隨著應(yīng)力解除深度變化符合一般規(guī)律，最終應(yīng)變值趨于穩(wěn)定，同時從應(yīng)變曲線得出各中段最終穩(wěn)定的應(yīng)變值，如表2所示。

表2 各測點(diǎn)應(yīng)變計測得的最終穩(wěn)定應(yīng)變值(με)Table 2 Ultimate stability strain of each measuring point

3 圍壓試驗(yàn)求彈性常數(shù)

3.1 圍壓試驗(yàn)

用套孔解除實(shí)測數(shù)據(jù)計算地應(yīng)力分布時，巖石的彈性常數(shù)必須參與計算，并且取用值的精度直接影響地應(yīng)力實(shí)測成果的精度。因此，將應(yīng)力解除后含有應(yīng)變計的巖芯進(jìn)行圍壓加載試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 各中段測點(diǎn)套孔巖芯圍壓試驗(yàn)曲線Fig.4 Borehole surrounding rock stress curve of each measuring point

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，除-171 m中段測點(diǎn)第二次套孔巖芯的C135應(yīng)變片、-450 m中段測點(diǎn)第一次套孔巖芯的B135應(yīng)變片及-510 m中段測點(diǎn)第二次套孔巖芯的A組應(yīng)變片數(shù)據(jù)異常外，其余應(yīng)變片所測數(shù)據(jù)符合基本規(guī)律，即軸向應(yīng)變?yōu)檎担芟蚝托毕?與鉆孔軸線成45°或135°方向)應(yīng)變均為負(fù)值，但斜向應(yīng)變的值小于周向應(yīng)變。同時，相同方向的應(yīng)變值均比較接近，反映出解除巖芯具有良好的連續(xù)性和各向同性。圍壓曲線基本上是呈直線型，反映出金口嶺礦的巖體具有較好的線彈性。

3.2 彈性常數(shù)計算

試驗(yàn)所用KX-81型空心包體式三軸地應(yīng)力計的內(nèi)半徑為a0=12 mm，環(huán)氧樹脂層應(yīng)變片粘貼部位的半徑為ρ=17.75 mm，環(huán)氧樹脂層的彈性模量為E1=3 GPa，泊松比為μ1=0.36。設(shè)圍壓試驗(yàn)巖石圈的彈性模量為E，泊松比為μ，外半徑為a，內(nèi)半徑為a1，q為圍壓。根據(jù)彈性力學(xué)中的厚壁圓筒理論可導(dǎo)出：

(5)

(6)

由于試驗(yàn)所用的空心包體應(yīng)力計的應(yīng)變片并不是直接粘貼在鉆孔巖壁上，而厚壁圓筒理論根據(jù)的是將應(yīng)變片直接貼在巖壁上，計算彈性模量E誤差較大。因此，本試驗(yàn)采用在巖石圈和環(huán)氧樹脂層應(yīng)力分析基礎(chǔ)上修正的彈性模量計算公式：

(7)

根據(jù)公式(4)和(6)可以計算得出測點(diǎn)巖石圈的彈性模量和泊松比，具體值見表3。

4 地應(yīng)力分析及結(jié)果

對金口嶺礦區(qū)-171 m、-450 m和-510 m 中段分別進(jìn)行套孔應(yīng)力解除和圍巖試驗(yàn)測定工作，根據(jù)量測的應(yīng)變值和彈性模量及泊松比代入公式(1)～(4)計算出三維直角坐標(biāo)系中測點(diǎn)應(yīng)力的6個分量，再根據(jù)彈性理論公式[13]計算出各中段測點(diǎn)主應(yīng)力，如表4所示。

表4 各中段測點(diǎn)主應(yīng)力Table 4 Main stress of each measuring point

5 結(jié)論

采用三維套孔應(yīng)力解除測量計和空心包體應(yīng)變計測定金口嶺城市地下礦區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律，對測量數(shù)據(jù)整理和分析后得到如下主要結(jié)論：

(1)所有測點(diǎn)，均采用套孔應(yīng)力解除法經(jīng)過計算得到，測試后，檢查巖芯中傳感器黏貼情況良好，試驗(yàn)結(jié)果可靠。最大主應(yīng)力方向?yàn)闁|-西偏北東-南西方向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力的方向基本一致。

(2)每個測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向均接近水平方向，與水平面夾角平均為11.04°，另一個主應(yīng)力接近于垂直，三個主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，該結(jié)論與我國地應(yīng)力實(shí)測得到的普遍規(guī)律相同。

(3)最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之比的情況是-171 m、-450 m、-510 m中段測點(diǎn)分別為2.52、2.69、2.4，平均為2.5，說明水平方向兩個主應(yīng)力相差較大，這將對采場穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

(4)垂直應(yīng)力與自重應(yīng)力(容重按照2.7 t/m3估算)之比的情況是，-171 m、-450 m、-510 m中段測點(diǎn)分別為1.07、0.7、0.51。將以上數(shù)據(jù)與我國其他地區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果的統(tǒng)計規(guī)律相比較，-171 m中段、-450 m中段規(guī)律一致，-510 m中段測點(diǎn)偏小，實(shí)測點(diǎn)原巖應(yīng)力偏小的原因在于地表塌陷和開采擾動影響。測點(diǎn)處垂直應(yīng)力是符合地應(yīng)力場分布總體規(guī)律的。

本文對典型的“三下”開采礦區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測定，得到金口嶺礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，確定了工程巖體力學(xué)屬性并進(jìn)行圍壓穩(wěn)定性分析，為實(shí)現(xiàn)巖石工程開挖設(shè)計和決策科學(xué)化提供了必要的前提條件，對礦山地下開采設(shè)計、地壓管理以及安全生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Analysis of ground stress measurement and results for Jinkouling mining area

JIANG Feng

(Tongling Nonferrous Metals Group, Tongling 244000, China)

∶To optimize mining sequence and roadway design of Jinkouling copper mine, we calculate original rock mining stress and acquire its magnitude and direction and their distribution pattern with 3D borehole to relief meter, hollow inclusion strain, surrounding pressure test, and elasticity theory. Results show that maximum main stress direction of each measurement point approximates to horizontal direction, consistent with regional tectonic stress direction. However, minimum main stress direction is close to vertical direction. The three main stresses are all compressive stress, no tensile stress, identical to the measurement of Chinese universal ground stress. The method provides a reference for other similar engineering stress test.

∶stress relief method by overcoring; hollow inclusion strain; in-situ rock stress; confining pressure test; maximum principal stress

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.05.020

2016-05-10

蔣鋒(1989—)，工程師，研究方向?yàn)椴傻V工程。Email:624324685@qq.com

TD311

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