魏超城，張 明，路彥忠，馬青海，羅 瑞

(1.新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，新疆 哈巴河 836700；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

0 引 言

地應(yīng)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(zhì)現(xiàn)象是地應(yīng)力的直接表現(xiàn)[1-3]。隨著礦山開采深度的不斷增加，地應(yīng)力顯現(xiàn)的頻率、強度均顯著增加，圍巖移動變形加劇，導致其自身承載能力不足，越來越難以實現(xiàn)自立自穩(wěn)，巷道斷面成型差、支護結(jié)構(gòu)破壞失效、采場局部失穩(wěn)等現(xiàn)象頻現(xiàn)。地應(yīng)力問題進一步制約礦山安全高效生產(chǎn)，是對深部資源開發(fā)的巨大挑戰(zhàn)[4-7]，因此，深入開展地應(yīng)力問題的研究，分析采掘活動過程中地應(yīng)力分布規(guī)律，采取針對性的措施解決影響采掘安全的地壓控制問題，有效化解生產(chǎn)過程中的各類矛盾和安全風險，對實現(xiàn)礦山企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展意義重大[8-11]。

阿舍勒銅礦位于阿爾泰山山脈西北段南麓低山丘陵區(qū)，屬火山噴發(fā)-沉積成因的黃鐵礦型銅、鋅多金屬大型礦床。礦山采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，主要采用大直徑深孔空場嗣后充填法和分段空場嗣后充填法開采。按照從上至下的總體開采順序，礦山分三期建設(shè)，一期開采+400 m中段以上礦體，二期工程開采+400～0 m中段，三期繼續(xù)向深部延伸，開采0 m中段以下礦體。經(jīng)過多年開發(fā)建設(shè)，淺部資源儲量日益減少，其中一期開采已基本結(jié)束，二期工程可采礦量也逐年降低。為保持生產(chǎn)的平穩(wěn)過渡，目前，已實施三期開采計劃，脈外運輸巷道、穿脈巷道等采準工程在0～-200 m中段已基本形成，開拓工程已推進至-200 m以下水平(埋深1 100 m)，逐步進入深部開采。

阿舍勒銅礦礦體賦存條件復雜，圍巖較為破碎，穩(wěn)定性較差，采場和巷道難以自穩(wěn)。礦山生產(chǎn)過程中，地壓問題持續(xù)受到關(guān)注，巷道和采場變形大、圍巖失穩(wěn)破壞、巷道維護困難、支護成本居高不下等負面效應(yīng)直接影響安全生產(chǎn)，對提升開采效率和安全管理水平構(gòu)成了較大阻礙。

本文采用套孔應(yīng)力解除法測量了-100 m中段和-50 m中段的地應(yīng)力，分析了地應(yīng)力分量隨深度的變化規(guī)律，并擬合得到了相應(yīng)的表達式，預測了-200 m的地應(yīng)力，以期為礦山后續(xù)有效進行地壓管控、合理開展支護設(shè)計和優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 地應(yīng)力測量方法

1.1 測量方法選擇

地應(yīng)力的測量方法種類繁多，依據(jù)測量基本原理的不同，國內(nèi)外學者將地應(yīng)力測量方法分為直接法和間接法兩大類[8,12]。直接測量法是利用儀器直接測量應(yīng)力、補償應(yīng)力、恢復應(yīng)力、平衡應(yīng)力等，通過應(yīng)力量與巖體應(yīng)力的關(guān)系直接計算獲得應(yīng)力值。該方法特點為直接測量相關(guān)應(yīng)力值，且計算公式簡單，具體方法包括扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)射法。間接測量法是借助傳感元件測量記錄與應(yīng)力相關(guān)的其他間接物理量，再通過間接物理量與應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系計算獲得巖體應(yīng)力值，其中間接物理量有多種，如巖體的變形或應(yīng)變、密度、孔隙率等。該方法特點是首先要確定間接物理量與應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系，具體方法包括應(yīng)力解除法、應(yīng)變解除法及地球物理探測法等，其中套孔應(yīng)力解除法是目前國內(nèi)外普遍采用的地應(yīng)力間接測量方法。

阿舍勒銅礦地應(yīng)力測量采取套孔應(yīng)力解除法，并采用CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計，可在單孔中測試求得測點的三維應(yīng)力大小和方向。

1.2 套孔應(yīng)力解除法

套孔應(yīng)力解除法在目前地應(yīng)力測量各種方法中精度最好[13]，該方法基本操作過程為：首先在地應(yīng)力測量點，打一個Φ130 mm的鉆孔，孔深為硐室或巷道斷面直徑的2～3倍，將孔底磨平，并在孔底打一個喇叭孔(起導正作用)，在大孔中心鉆一個Φ38 mm的測量小孔，測量小孔的深度約為60 cm，然后在測孔中安裝CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計，如圖1所示，并引線與孔外測量儀器相接，測得初始值。

圖1 CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計Fig.1 CSIRO HID Cell digital hollowinclusion stress gauge

進行孔底套芯應(yīng)力解除時，在安裝有空心包體應(yīng)力計的小孔外，再用Φ130 mm口徑的鉆頭同心鉆進，開挖應(yīng)力解除槽，在鉆進過程中，導線從鉆桿中心穿過，由水接頭處引出與測量儀器相連，測試應(yīng)力解除過程中的變化。隨著應(yīng)力解除槽的加深，巖芯逐漸與外界應(yīng)力場相隔離，巖芯發(fā)生彈性恢復，儀器測試值隨之發(fā)生變化，直至儀器讀數(shù)不再變化時，停止鉆進，取出巖芯。應(yīng)力解除槽鉆出前后儀器的讀數(shù)差值即為解除讀數(shù)值。通常每鉆進3～5 cm深，儀器讀數(shù)一次，求得儀器讀數(shù)隨解除深度的變化曲線，即應(yīng)力解除曲線。

取出的帶有測量探頭的完整巖芯后(圖2)，在現(xiàn)場或取回地表進行圍壓率定試驗。將巖芯放進橡膠襯墊雙軸室中，然后在巖芯上施加圍壓(圖3)，隨著壓力的變化，儀器讀數(shù)也跟著變化，根據(jù)應(yīng)變讀數(shù)繪出壓力與儀器讀數(shù)的關(guān)系曲線，即率定曲線。從率定結(jié)果可以求出巖石的彈性模量和泊松比。

圖2 帶有應(yīng)力計的巖芯Fig.2 Rock core with stress gauge

圖3 巖芯率定試驗Fig.3 Calibration test on rock cores

根據(jù)現(xiàn)場取得的原始資料，應(yīng)力解除數(shù)據(jù)和率定結(jié)果，進行資料整理，利用相關(guān)計算程序可求出最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的大小、方向和傾角等參數(shù)，并可計算水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分量等數(shù)據(jù)。圖4為采用套孔應(yīng)力解除法地應(yīng)力現(xiàn)場測量工藝流程圖。

圖4 套孔應(yīng)力解除法測定工藝流程圖Fig.4 Process flow chart of casing stress relief method

1.3 CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計

CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計是由澳大利亞ES & S公司生產(chǎn)的專用于現(xiàn)場監(jiān)測巖石應(yīng)力的儀器。區(qū)別于傳統(tǒng)空心包體應(yīng)力計，CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計包含高精度應(yīng)變計和能夠連續(xù)監(jiān)測應(yīng)變的預埋式微控制器，并通過串口連接報告數(shù)值，簡化了接線工作。進行地應(yīng)力測量時，應(yīng)變讀數(shù)在應(yīng)變計上就被直接數(shù)值化，從而消除了噪聲對測量結(jié)果的影響，同時克服了長距離電纜數(shù)據(jù)傳輸造成的信號衰減等問題。其具有操作簡單、能耗低、抗干擾能力強、精度高的突出技術(shù)優(yōu)勢，是國際巖石力學學會(ISRM)推薦的地應(yīng)力測量的儀器。

CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12個電阻應(yīng)變片組成3組應(yīng)變，封裝在已知彈性模量的空心圓筒壁內(nèi)并從中引出一根12芯讀數(shù)電纜(圖5)，接入轉(zhuǎn)換箱將應(yīng)變讀數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，直接通過計算機接收并讀取數(shù)據(jù)。空心包體應(yīng)力計被環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑固化在鉆孔中，可以監(jiān)測套孔應(yīng)力解除過程中的應(yīng)力，也可以把應(yīng)力計永久留在鉆孔中長期監(jiān)測應(yīng)力隨時間的變化。

圖5 CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接收裝置Fig.5 CSIRO HID Cell digital hollow inclusion stress gauge and data conversion device

1.4 測點選取原則

套孔應(yīng)力解除法施工選址時需重點考慮巖體條件較好的區(qū)域，以便獲取完整巖芯，盡量避開巖石破碎帶和巷道應(yīng)力集中區(qū)，如轉(zhuǎn)彎、岔口，并遠離現(xiàn)有生產(chǎn)擾動區(qū)[14-16]。為獲得準確可靠的地應(yīng)力資料，本文地應(yīng)力測量的測點布置嚴格遵循以下原則：①測點盡可能靠近研究對象，并具有代表性；②測點周圍巖體力求均質(zhì)完整，以保證取芯的完整性及地應(yīng)力測量結(jié)果的可信度；③避開應(yīng)力畸變區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)及干擾源，保證測量結(jié)果的真實性；避免地質(zhì)構(gòu)造帶(如斷層)對測定值的影響；④考慮測量點是否具備水、電、高壓風等條件，是否與正常生產(chǎn)施工相沖突，是否具備測試必要的空間(鉆機支撐空間，布置儀器設(shè)備的空間等)。

1.5 地應(yīng)力測量現(xiàn)場實施

由于阿舍勒銅礦的0 m中段的多個采場已開采結(jié)束，對其上下盤擾動較大，無合適地點進行測量。-150 m中段和-200 m中段巷道開拓工程較少，受現(xiàn)場條件限制，且?guī)r體節(jié)理裂隙發(fā)育，難以鉆孔取芯， 通過試驗， 鉆取的2個孔均非常破碎， 因此未取出大于30 cm巖芯， 根據(jù)測點選取原則，在-150 m中段和-200 m中段未進行應(yīng)力計安裝和地應(yīng)力測量。在-100 m中段測點完成2個應(yīng)力計安裝和地應(yīng)力測量，其中，1#孔因巖體較破碎，未取出完整巖芯，2#孔測量成功。在-50 m中段3#孔測點完成1個應(yīng)力計安裝和地應(yīng)力測量，3#孔測量成功。表1給出了阿舍勒銅礦地應(yīng)力測量的鉆孔參數(shù)，其中X軸為東西走向，Y軸為南北走向。

表1 阿舍勒銅礦地應(yīng)力測量的鉆孔參數(shù)Table 1 Drilling parameters of ground stress measurement in Ashele Copper Mine

2 地應(yīng)力測量結(jié)果與應(yīng)力分析

2.1 -100 m中段地應(yīng)力測量結(jié)果

圖6為-100 m中段地應(yīng)力測量套孔過程中輸出的應(yīng)力解除曲線。由圖6可知，在鉆孔套芯的前20 cm內(nèi)，各應(yīng)變片所獲取的應(yīng)變值較小，且由小到大呈逐漸增加趨勢，說明鉆孔深度已不斷接近空心包體應(yīng)力計的安裝位置。鉆孔位置越接近探頭，應(yīng)變值越大，可見探頭記錄巖石孔壁應(yīng)變的靈敏度相當高。鉆孔深度達到20～30 cm這一區(qū)間時，應(yīng)變值有一個明顯的劇增過程，然后很快趨于平穩(wěn)，數(shù)值基本不再發(fā)生變化，此時鉆孔已經(jīng)到達空心包體應(yīng)力計的安裝位置，應(yīng)力解除進入最關(guān)鍵的測量階段，此后應(yīng)變值不再發(fā)生變化，繼續(xù)鉆進折斷巖芯，取出含空心包體應(yīng)力計的巖芯，開展率定試驗測量巖石特性參數(shù)。

圖6 -100 m中段地應(yīng)力輸出應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.6 In situ stress output strain data of-100 m middle section

將帶有應(yīng)力計的巖芯從鉆孔取出后，放入橡膠襯墊雙軸室中率定，給巖芯加圍壓并同時使用應(yīng)變計跟蹤測量，同樣將測量數(shù)據(jù)導入到指定的計算程序中計算，可得到巖芯的彈性模量與泊松比。

圖7為-100 m中段套的出巖芯施加圍壓率定過程中的輸出曲線。 根據(jù)現(xiàn)場率定試驗求得-100 m中段測點巖芯的平均有效彈性模量為51.2 GPa，泊松比為0.25。

圖7 -100 m中段巖芯率定輸出曲線Fig.7 -100 m middle section core calibration output curve

綜合考慮應(yīng)力解除試驗數(shù)據(jù)和巖石特性試驗數(shù)據(jù)一并導入分析程序中進行計算，得到地應(yīng)力測量結(jié)果見表2。由表2可知，-100 m中段測點的最大主應(yīng)力為42.0 MPa，方向為251°，傾角12°，接近水平方向；中間主應(yīng)力為30.2 MPa，方向為162°，傾角3°，接近水平方向；最小主應(yīng)力為25.9 MPa，方向為266°，傾角78°，接近豎直方向。因此，阿舍勒銅礦-100 m中段的地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導。

表2 -100 m中段測點原巖應(yīng)力測量結(jié)果Table 2 Measurement results of original rock stressat -100 m middle section

2.2 -50 m中段地應(yīng)力測量結(jié)果

圖8和圖9分別為-50 m中段地應(yīng)力測量套孔過程中輸出的應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線以及取出巖芯施加圍壓率定過程中的輸出曲線。根據(jù)現(xiàn)場率定試驗求得-50 m中段測點巖芯的平均有效彈性模量為48.46 GPa，泊松比為0.27。

圖8 -50 m中段地應(yīng)力輸出應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.8 In situ stress output strain data of-50 m middle section

圖9 -50 m中段巖芯率定輸出曲線Fig.9 -50 m middle section core calibration output curve

將應(yīng)力解除試驗數(shù)據(jù)和巖石特性試驗數(shù)據(jù)導入分析計算程序中，得到-50 m中段的地應(yīng)力測量結(jié)果(表3)。由表3可知，-50 m中段測點的最大主應(yīng)力為41.4 MPa，方向為243°，傾角11°，接近水平方向；中間主應(yīng)力為28.2 MPa，方向為333°，傾角2°，接近水平方向；最小主應(yīng)力為24.5 MPa，方向為230°，傾角79°，接近豎直方向。因此，阿舍勒銅礦-50 m中段的地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導。

表3 -50 m中段測點原巖應(yīng)力測量結(jié)果Table 3 Monitored ground stress of the -50 m middle section

2.3 應(yīng)力分量隨深度的變化規(guī)律

為了方便分析地應(yīng)力分布狀態(tài)，以正西方向為X軸方向，正南方向為Y軸方向，豎直向下為Z軸方向，將此次測量地地應(yīng)力以及前期在300 m、200 m和100 m中段測得的地應(yīng)力(所采用的測量方法與-100 m和-50 m中段的方法完全相同)進行坐標轉(zhuǎn)化，得到當前坐標系下的應(yīng)力分量分別為σx、σy和σz(表4)。由表4可知，不同中段的水平應(yīng)力分量(σx和σy)均大于豎直應(yīng)力分量(σz)，且東西方向(X軸)的應(yīng)力分量大于南北方向(Y軸)的應(yīng)力分量，表明阿舍勒銅礦的地應(yīng)力由水平應(yīng)力主導。另外，根據(jù)表4數(shù)據(jù)可計算得側(cè)應(yīng)力系數(shù)(水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比)為1.5左右。

表4 地應(yīng)力分量測量結(jié)果Table 4 Monitored ground stresses of the different elevation

圖10給出了三個應(yīng)力分量隨礦巖深度的變化關(guān)系及擬合曲線。由圖10可知，深部水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力分量隨深度遞增。地應(yīng)力隨深度的變化基本呈線性關(guān)系，由最小二乘法擬合得到式(1)～式(3)。

圖10 應(yīng)力分量隨礦巖深度的變化Fig.10 Variation of ground stresses with the depth

σx=0.035h+4.568 3

(1)

σy=0.018h+13.936 0

(2)

σz=0.023 8h+2.562 9

(3)

由式(1)～式(3)可以推算出-200 m中段的地應(yīng)力為σx=43.07 MPa、σy=33.74 MPa和σz=28.74 MPa。所以，在之后的生產(chǎn)中巷道工程布置、支護設(shè)計以及掘進時機安排上均需要考慮地應(yīng)力的影響，并采取措施合理控制地壓。

3 結(jié) 論

本文采用套孔應(yīng)力解除法測量了阿舍勒銅礦深部地應(yīng)力，結(jié)果如下所述。

1) -100 m中段測點最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為42.0 MPa、30.2 MPa、25.9 MPa，-50 m中段測點最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為41.4 MPa、28.2 MPa、24.5 MPa。

2) 最大主應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，尤其以西偏南方向近水平應(yīng)力最高。地應(yīng)力基本分布規(guī)律是最大主應(yīng)力近東西方向(南偏西)，中間主應(yīng)力近南北(北偏東或北偏西)方向，最小主應(yīng)力近垂直方向，側(cè)壓力系數(shù)約為1.5。

3) 水平應(yīng)力及豎直應(yīng)力分量隨深度遞增。隨深度增加的梯度為深度每增加100 m，豎直方向增加應(yīng)力2.38 MPa左右，水平方向最大分量應(yīng)力增加1.8～3.5 MPa。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力將持續(xù)增大，可能對采掘工程穩(wěn)定性的影響更加顯著。