席世強(qiáng),闞曉平,嚴(yán)立德

(1.四川德鑫礦業(yè)資源有限公司,四川 阿壩藏族羌族自治州 624199;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410012)

0 引言

地應(yīng)力是導(dǎo)致礦山井巷變形與失穩(wěn)的主要因素,礦山高應(yīng)力環(huán)境極易引發(fā)沖擊地壓(巖爆)以及巷道變形等地壓災(zāi)害,威脅礦山的生產(chǎn)安全。地應(yīng)力的分布方向與大小對地下礦體開采有較大影響[1-3]。掌握礦山的地應(yīng)力分布規(guī)律,可有效確保礦山生產(chǎn)安全[4-6]。對于高應(yīng)力山區(qū)礦山,地形地貌、地殼運(yùn)動、地震斷層帶等因素造成礦區(qū)的地應(yīng)力特征復(fù)雜多變,因此,亟需掌握井下地應(yīng)力分布規(guī)律,揭示地應(yīng)力分布特征。

目前,還有許多學(xué)者開展了礦山井下地應(yīng)力測量、分布特征及建模反演等研究工作。朱明德等[7]以山東省三山島西嶺礦區(qū)為例擬建2000 m 深副井,采用水壓致裂法開展了深部豎井地應(yīng)力現(xiàn)場測量工作,測量深度達(dá)到1899.00 m,通過數(shù)值仿真模擬方法反演了豎井工程區(qū)2017.56 m 深的地應(yīng)力場。周亞博等[8]采用新型聲發(fā)射法進(jìn)行地應(yīng)力測量,掌握了柴胡子欄金礦深部地應(yīng)力分布特征。孫健等[9]采用水壓致裂法對某礦山進(jìn)行地應(yīng)力測試,基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),對地應(yīng)力大小與埋深的關(guān)系進(jìn)行分析,得到該礦山地應(yīng)力的分布規(guī)律和變化特征。使用有限差分法軟件FLAC 對礦區(qū)地應(yīng)力場進(jìn)行反演模擬,模擬結(jié)果用來驗證地應(yīng)力現(xiàn)場實測結(jié)果的準(zhǔn)確性。張君鵬等[10]采用應(yīng)力解除法測量了某金屬礦深部原巖應(yīng)力的大小與方向,并揭示了礦區(qū)的原巖應(yīng)力分布特征。孫林等[11]采用空心包體應(yīng)力解除法,對龍首礦開展了不同中段的地應(yīng)力測量工作,根據(jù)原巖應(yīng)力分布規(guī)律,保證了礦區(qū)采場開采和支護(hù)工程的順利實施。

綜合學(xué)者們開展的礦山地應(yīng)力測試研究成果可知,套鉆孔應(yīng)力解除法、水壓致裂法與鉆孔崩落法等測量方法,作為原巖應(yīng)力測量的主要方法在原巖應(yīng)力測試中得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了豐碩的研究成果[12]。對于不同的地區(qū),地應(yīng)力分布差距較大,尤其對于高地應(yīng)力的山區(qū),高地應(yīng)力對礦山開采穩(wěn)定性影響較大[13]。依托某礦山工程案例,開展井下地應(yīng)力分布特征研究,揭示該礦山井下地應(yīng)力分布規(guī)律。

1 礦山概況

1.1 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)地處瑪沁～略陽深大斷裂帶、松潘～金川斷裂帶及鮮水河斷裂帶構(gòu)成的三角形區(qū)域“阿壩地塊”南緣,位于松潘～甘孜地槽褶皺系,巴顏喀拉冒地槽褶皺帶馬爾康復(fù)式向斜之南端,屬巴顏喀拉秦嶺地層區(qū)馬爾康分區(qū)的金川小區(qū),礦區(qū)平均海拔為3000～4190 m,為典型的高海拔礦山,且山勢陡峭,屬構(gòu)造剝蝕高山極深切割高山區(qū)。

區(qū)域出露地層為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組、上統(tǒng)侏倭組(原西康群大石函組)新都橋組,第四系地層零星分布,礦區(qū)工程地質(zhì)條件為簡單～中等型。

1.2 井下開采現(xiàn)狀

礦山從3500 m 水平往上共掘進(jìn)7個平硐,中段高度為50 m,并在3500 m 水平以下沿溝谷地帶建設(shè)了一座處理能力為500 t/d的選礦工業(yè)試驗廠,在3030 m 標(biāo)高山谷溝邊坡上修建了一座35 k V 的變電站,并建設(shè)了若干輔助生產(chǎn)及生活設(shè)施?，F(xiàn)有的主要工程有:

(1)井下工程。目前已形成3500 m、3550 m、3600 m、3650 m、3700 m、3750 m 及3800 m 7個中段探礦工程及3800 m 至3500 m 中段溜井。

(2)地面設(shè)施。500 t/d 選廠及配套設(shè)施,35 k V 變電站,容量為2×6300 k VA,30 t地面炸藥庫。礦區(qū)公路已到3650 m 中段硐口附近。

2 地應(yīng)力測量

2.1 測量方法

應(yīng)力解除法是國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的地應(yīng)力測量方法,該方法測試深度相對較淺,可在鉆孔中一次測得6個應(yīng)力分量[14-15]。本次測量采用應(yīng)力解除法中的孔壁應(yīng)力解除法,采用CSIR 型三軸應(yīng)變計,通過環(huán)氧樹脂與氣泵給風(fēng)將應(yīng)變片粘貼在鉆孔孔壁,通過測量套芯前后的應(yīng)變數(shù)據(jù)反映測點(diǎn)的原巖應(yīng)力狀態(tài),地應(yīng)力測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 LUT三維地應(yīng)力測試系統(tǒng)

2.2 測點(diǎn)布置

礦山地應(yīng)力測量工作的目的是為了了解礦井生產(chǎn)區(qū)域各處的原巖應(yīng)力場的大小和方向,通過測定地應(yīng)力狀態(tài),為礦山采礦方法設(shè)計、礦山地壓管理以及井巷支護(hù)等提供理論支撐,并進(jìn)一步保障井下生產(chǎn)安全。

為確定礦區(qū)原巖應(yīng)力狀態(tài),針對礦區(qū)開展了現(xiàn)場原巖應(yīng)力測量工作。為了使地應(yīng)力測量工作不影響生產(chǎn),確定了本次礦區(qū)的3個地應(yīng)力測點(diǎn)位置,分別在3650 m 中段的東六1#、2#穿脈及東三穿脈合適位置布置3個測點(diǎn)。為保障測量的準(zhǔn)確性,測點(diǎn)的選擇基本上避開了巷道和采場的彎道、叉口,以及拐角等應(yīng)力集中區(qū),基于前期的勘探資料,使得測點(diǎn)鉆孔避開了礦區(qū)的斷層、巖石破碎帶、斷裂發(fā)育帶等區(qū)域。3個測點(diǎn)之間保持100 m 以上的水平距離,且具有一定的上履巖層埋深差距。3個測點(diǎn)(測孔)的布置位置、埋深及鉆孔參數(shù)見表1。

表1 測點(diǎn)布置及鉆孔參數(shù)情況

測點(diǎn)的鉆孔傾角、方位角等參數(shù)由地應(yīng)力測試系統(tǒng)自帶的三維電子羅盤實測得出。本文約定鉆孔傾角中俯角為“＋”,仰角為“－”。

3 地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 地應(yīng)力測量原理

本次原巖應(yīng)力測量采用瑞典LUT 地應(yīng)力測定儀測量地應(yīng)力狀態(tài),該測量方法基于線彈性理論,假定孔壁巖體的變形屬于線彈性變形。通過應(yīng)變片傳感器記錄所測測點(diǎn)巖體的應(yīng)變情況,并結(jié)合相應(yīng)測試測得的巖體力學(xué)參數(shù),即可計算測得地應(yīng)力的6個應(yīng)力分量或者3個主應(yīng)力的大小和方向[16-17]。其計算式見式(1)至式(6)。

式中,rθz′和xyz分別是柱坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)系;R為鉆孔半徑,m;r為計算點(diǎn)到鉆孔中心的距離,m;θ為計算鉆孔傾角,(°);μ為泊松比。

3.2 地應(yīng)力計算

采用LUT-str專用巖體應(yīng)力計算程序進(jìn)行地應(yīng)力計算。測試之前,記錄鉆孔方位角、傾角以及轉(zhuǎn)角等參數(shù)及巖體力學(xué)參數(shù),結(jié)合相應(yīng)參數(shù)與應(yīng)變測試結(jié)果,通過數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行迭代計算,即可獲取測點(diǎn)的原巖應(yīng)力分量以及主應(yīng)力大小、方位角以及傾角。根據(jù)計算軟件計算出各測點(diǎn)三維主應(yīng)力值,結(jié)果見表2和表3。

表2 各測點(diǎn)地應(yīng)力分量測試結(jié)果

表3 各測點(diǎn)三維主應(yīng)力計算結(jié)果

3.3 地應(yīng)力場模型

各測點(diǎn)所得的地應(yīng)力結(jié)果只能反應(yīng)該測點(diǎn)所在區(qū)域的原巖應(yīng)力狀態(tài),為了反應(yīng)礦山原巖應(yīng)力狀態(tài)隨深度變化的規(guī)律,對3個測點(diǎn)計算所得的主應(yīng)力值進(jìn)行回歸分析,得到3個主應(yīng)力隨深度變化的回歸曲線以及表達(dá)式,分別如圖2和式(7)所示。

圖2 地應(yīng)力隨埋深變化及其回歸曲線

3.4 地應(yīng)力分布規(guī)律及分析評價

根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果,礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律如下。

(1)3 個測點(diǎn)最大主應(yīng)力的方向均為北東東向,其中1#和3#測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向基本一致,比2#測點(diǎn)更靠近于東西向。1#測點(diǎn)與2#測點(diǎn)最大主應(yīng)力傾角均較小,盡管3#測點(diǎn)數(shù)據(jù)達(dá)到38.81°,仍小于45°,3個測點(diǎn)最大主應(yīng)力的傾角均較小,說明該區(qū)域仍以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

(2)3 個測點(diǎn)最大主應(yīng)力介于7.66～11.12 MPa之間,均高于同埋深的自重應(yīng)力。在同一水平,不同測點(diǎn)地應(yīng)力的大小和方向雖然有一定變化,但并未產(chǎn)生突變現(xiàn)象,說明礦區(qū)地應(yīng)力場仍屬較均勻分布。

(3)根據(jù)測量結(jié)果,3 個測點(diǎn)的東西向水平應(yīng)力分量σy均大于南北向水平應(yīng)力分量σx,表明礦區(qū)地應(yīng)力場分布呈現(xiàn)出較明顯的方向差異性。

(4)礦區(qū)海拔較高,測點(diǎn)位于山坡坡面之下,同一中段測點(diǎn)埋深不同,地應(yīng)力總體上表現(xiàn)出隨上覆巖層埋深增大而增大的趨勢。

根據(jù)測量結(jié)果可知,礦區(qū)的地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力大致呈近東西方向。因此礦區(qū)后續(xù)在構(gòu)建巷道及其它地下結(jié)構(gòu)時,應(yīng)使巷道走向盡可能與測得的最大主應(yīng)力方向一致,或盡可能接近最大主應(yīng)力方向,從而減小地壓對巷道穩(wěn)定性的影響,提高井下安全性,減少巷道支護(hù)成本。此外,對由于開采工藝等方面限制而無法滿足這一條件的地下結(jié)構(gòu),應(yīng)針對巷道的巖性條件及時加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測。

根據(jù)相關(guān)研究,巖體所受最大主應(yīng)力是巷道發(fā)生變形的最大原因,因此按照地應(yīng)力水平評價標(biāo)準(zhǔn),見式(8):

式中,Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度,MPa;σmax為測試最大地應(yīng)力值,MPa。當(dāng)K>7 時,為一般地應(yīng)力;K=4～7 時,為高地應(yīng)力;K<7 時,為極高地應(yīng)力。

根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果,結(jié)合礦山巖石力學(xué)測試結(jié)果,礦巖單軸抗壓強(qiáng)度約為116.58 MPa,可知3個測點(diǎn)由于埋深較淺,K值均大于7,為一般地應(yīng)力。根據(jù)地應(yīng)力回歸曲線可知,當(dāng)埋深深度H大于400 m 后,所處地應(yīng)力為高地應(yīng)力,當(dāng)開采至相應(yīng)深度后,需要加強(qiáng)巷道支護(hù)。

4 結(jié)論

以高應(yīng)力山區(qū)某礦山為研究案例,開展了井下地應(yīng)力大小和分布的現(xiàn)場測量工作,分析了地應(yīng)力分布特征規(guī)律。得到了以下研究結(jié)論。

(1)現(xiàn)場測量的3個測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向均為NEE向,且3個測點(diǎn)最大主應(yīng)力的傾角均較小,說明該礦區(qū)仍以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

(2)現(xiàn)場測量的3個測點(diǎn)最大應(yīng)力介于7.66～11.12 MPa之間,均高于同埋深的自重應(yīng)力。在同一水平、不同測點(diǎn)的地應(yīng)力大小和方向雖然有一定變化,但沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象。

(3)根據(jù)測量結(jié)果,測點(diǎn)的東西向水平應(yīng)力分量σy均明顯大于南北向的水平應(yīng)力分量σx,地應(yīng)力場分布呈現(xiàn)出較明顯的方向差異性。

(4)3個測點(diǎn)均為一般地應(yīng)力,當(dāng)開采深度超過400 m 后,地應(yīng)力為高應(yīng)力狀態(tài),需及時加強(qiáng)巷道支護(hù)。