侯奎奎，郭良銀，劉煥新，彭 超，張 俊

（1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，山東 萊州 261400；3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺 261438；4.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083）

地應力是礦業(yè)工程中地下深部開采和其他各種巖土工程發(fā)生失穩(wěn)并造成破壞的重要因素［1?2］。特別是在深部地下開采過程中，地下硐室和地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都要考慮地應力場和地質(zhì)構(gòu)造的影響，所以礦區(qū)地應力場的準確測量及其規(guī)律研究對礦山開采有著重大意義［3］。

套孔應力解除法［4］是目前使用較為廣泛的地應力測量方法，測量技術(shù)相對其他方法更成熟，測量結(jié)果也更準確。眾多學者采用應力解除法進行了實測研究，并對地應力與構(gòu)造關(guān)系進行了研究［5?8］。

三山島金礦新立礦區(qū)位于渤海邊，已探明的可開采量大，但大部分礦體位于渤海以下，海水和礦體間的隔水帶對海底開采的防水提出了更高要求。為了保證合理開挖和安全生產(chǎn)，避免礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)和硐室的失穩(wěn)破壞，采用應力解除法，使用高精度UPM40巖石三軸應變地應力測定儀對三山島金礦新立礦區(qū)進行了地應力測量，以獲得礦區(qū)所在區(qū)域的地應力場分布規(guī)律，為海底礦產(chǎn)安全開采提供理論依據(jù)。

1 地應力測量

1.1 礦區(qū)概況

三山島金礦新立礦區(qū)位于山東省境內(nèi)，瀕臨渤海，處在萊州灣畔，礦區(qū)內(nèi)海拔高度范圍為1.2～4.5 m，礦區(qū)整體被第四系和海水覆蓋［9］。礦區(qū)所在區(qū)域位于膠東半島西北部，大地構(gòu)造位置處于華北地臺南緣膠北地體之膠北隆起區(qū)，西靠沂沭斷裂帶，南接膠北地體之膠萊拗陷，北鄰龍口斷陷盆地和渤海拗陷，東接牟平?即墨構(gòu)造混雜帶。礦區(qū)所處位置的主要地質(zhì)構(gòu)造為斷裂構(gòu)造，其中，F(xiàn)3斷層穿過新立礦區(qū)，走向300°，其破碎帶以角礫巖為主，未被膠結(jié)，故富水性和導水性良好。又因其切割F1斷層向西北端伸入渤海，其不僅局部破壞了F1的隔水層，而且溝通海水與采區(qū)的聯(lián)系，造成采礦坑道大量涌水，對礦井安全生產(chǎn)造成重大威脅。

1.2 測點選擇

結(jié)合礦區(qū)前期地質(zhì)調(diào)查資料以及礦區(qū)開采現(xiàn)場具體施工情況，在礦區(qū)主要開采部分－240 m中段選擇3個測點，在較淺的－165 m中段選擇1個測點，在深部－400 m中段選擇2個測點，共6個測點。按測點所在深度進行編號，如－240 m中段的3個測點分別記為－240 m?1＃、－240 m?2＃和－240 m?3＃。測點具體選擇時避開礦區(qū)內(nèi)的采空區(qū)及硐室，遠離施工引起的應力集中區(qū)，避開斷層、斷裂帶和巖石破碎區(qū)，選擇新鮮的巖體和礦體。測點布置情況及測點位置巖性見表1。

表1 測點布置情況及所在位置的巖性

1.3 測量設(shè)備及測量步驟

采用高精度UPM40巖石三軸應變地應力測定儀及LUT應變計探頭進行測量。因測量過程中溫度變化對應變數(shù)據(jù)有較大影響［10］，本次測量在測試系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個補償電路，能夠抵消溫度變化對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。在所選測點使用水平液壓鉆機鉆出同心大小孔，保證鉆孔平直光滑，然后對鉆孔進行徹底清洗；清洗干凈后安裝探頭，然后對小孔進行等速套孔解除，測量巖芯的解除應變；最后測量巖芯彈性參數(shù)，根據(jù)彈性參數(shù)和解除應變，計算得到測點地應力。每個測點的鉆孔口中心點坐標及鉆孔參數(shù)由礦山測量隊測出，結(jié)果列于表2中。

表2 礦區(qū)地應力測點坐標及相關(guān)參數(shù)

2 測量結(jié)果與規(guī)律分析

2.1 各測點彈性參數(shù)和應變值

在實驗室對解套取出的巖芯開展了圍壓率定實驗，獲得如圖1所示的加卸載圍壓?應變?nèi)^程曲線，并通過計算得到所測測點巖石的彈性模量和泊松比，結(jié)果見表3?，F(xiàn)場實測的各測點應變值見表4。

表3 巖石彈性參數(shù)計算結(jié)果

表4 最終應力解除應變實測值

圖1 某測段加卸載圍壓?應變?nèi)^程曲線

2.2 各測點主應力計算結(jié)果

由所測得的巖石彈性參數(shù)和最終解除應變值，經(jīng)過LUT?str三維地應力計算程序計算可得各測點的主應力，計算原理及公式詳見文獻［11］，計算結(jié)果列于表5。

表5 主應力計算結(jié)果

2.3 地應力值隨深度變化規(guī)律

為了方便礦區(qū)開采設(shè)計時參考地應力數(shù)據(jù)，利用空間坐標轉(zhuǎn)換將表3中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到應變計軸線平行于地理北向線、y軸垂直于大地水平面的坐標系中，得到水平最大主應力、水平最小主應力以及垂直主應力。并將6個測點所測得的水平最大主應力和垂直主應力結(jié)果進行線性回歸，得到回歸方程如下：

式中σhmax為最大水平主應力，MPa；σhmin為最小水平主應力，MPa；σz為垂直應力，MPa；H為測點埋深，m?；貧w曲線見圖2。

圖2 主應力隨深度變化回歸曲線

2.4 礦區(qū)地應力分布情況分析

由表5及圖2可知：①新立礦區(qū)水平應力分量在不同方向上存在較大差異，這與本區(qū)較復雜的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。計算結(jié)果顯示，該測區(qū)的水平主應力與垂直應力之比（側(cè)壓系數(shù)）在1.32～5.22之間，存在較明顯的方向效應。②6個測點所測最大主應力方位均為NW向，傾角0.81°～34.7°，均近似處于水平，說明6個測點都是水平構(gòu)造應力主導，這與該區(qū)域總體地應力分布情況較為一致。③－400 m中段2個測點地應力測量結(jié)果相差較大，具體表現(xiàn)為，－400 m?1＃測點最大主應力比－400 m?2＃號測點最大主應力大了將近6 MPa，而其中間主應力與最小主應力比－400 m?2＃號測點分別小了約10 MPa和9 MPa。相同埋深的2個測點測得的地應力結(jié)果相差較大，說明－400 m埋深處存在較為復雜的地質(zhì)構(gòu)造，在進行采礦設(shè)計施工時應高度重視。④各中段最大主應力走向均為北西向，與F3斷層走向接近，意味著最大主應力會促進F3斷層發(fā)育，加劇礦井涌水。⑤主應力隨深度變化呈較好的線性相關(guān)，與現(xiàn)有理論相符。

3 結(jié) 論

1）礦區(qū)水平最大主應力方位為NW向，應力場中以水平最大主應力為主導，－400 m深度處地應力受構(gòu)造應力影響分布不均，地質(zhì)情況復雜，應當予以關(guān)注。

2）各中段最大主應力走向均平行于溝通礦區(qū)與海水的F3斷層，新立礦區(qū)存在較大安全隱患，應采取進一步礦區(qū)防阻水措施。

3）采用套孔應力解除法對新立礦區(qū)的地應力進行測量，所得結(jié)果可為新立礦區(qū)開采設(shè)計提供依據(jù)。