濱海金屬礦區域地應力場測量與規律分析①

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）

地應力是礦業工程中地下深部開采和其他各種巖土工程發生失穩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，地下硐室和地下結構的穩定性都要考慮地應力場和地質構造的影響，所以礦區地應力場的準確測量及其規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，測量技術相對其他方法更成熟，測量結果也更準確。眾多學者采用應力解除法進行了實測研究，并對地應力與構造關系進行了研究［5?8］。

三山島金礦新立礦區位于渤海邊，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，避免礦區地下結構和硐室的失穩破壞，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進行了地應力測量，以獲得礦區所在區域的地應力場分布規律，為海底礦產安全開采提供理論依據。

1 地應力測量

1.1 礦區概況

三山島金礦新立礦區位于山東省境內，瀕臨渤海，處在萊州灣畔，礦區內海拔高度范圍為1.2～4.5 m，礦區整體被第四系和海水覆蓋［9］。礦區所在區域位于膠東半島西北部，大地構造位置處于華北地臺南緣膠北地體之膠北隆起區，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?即墨構造混雜帶。礦區所處位置的主要地質構造為斷裂構造，其中，F3斷層穿過新立礦區，走向300°，其破碎帶以角礫巖為主，未被膠結，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的聯系，造成采礦坑道大量涌水，對礦井安全生產造成重大威脅。

1.2 測點選擇

結合礦區前期地質調查資料以及礦區開采現場具體施工情況，在礦區主要開采部分－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內的采空區及硐室，遠離施工引起的應力集中區，避開斷層、斷裂帶和巖石破碎區，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據有較大影響［10］，本次測量在測試系統內設置一個補償電路，能夠抵消溫度變化對測量結果產生的影響。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，根據彈性參數和解除應變，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由礦山測量隊測出，結果列于表2中。

表2 礦區地應力測點坐標及相關參數

2 測量結果與規律分析

2.1 各測點彈性參數和應變值

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?應變全過程曲線，并通過計算得到所測測點巖石的彈性模量和泊松比，結果見表3。現場實測的各測點應變值見表4。

表3 巖石彈性參數計算結果

表4 最終應力解除應變實測值

圖1 某測段加卸載圍壓?應變全過程曲線

2.2 各測點主應力計算結果

由所測得的巖石彈性參數和最終解除應變值，經過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］，計算結果列于表5。

表5 主應力計算結果

2.3 地應力值隨深度變化規律

為了方便礦區開采設計時參考地應力數據，利用空間坐標轉換將表3中數據轉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。回歸曲線見圖2。

圖2 主應力隨深度變化回歸曲線

2.4 礦區地應力分布情況分析

由表5及圖2可知：①新立礦區水平應力分量在不同方向上存在較大差異，這與本區較復雜的地質構造有關。計算結果顯示，該測區的水平主應力與垂直應力之比（側壓系數）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個測點都是水平構造應力主導，這與該區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果相差較大，具體表現為，－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果相差較大，說明－400 m埋深處存在較為復雜的地質構造，在進行采礦設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斷層發育，加劇礦井涌水。⑤主應力隨深度變化呈較好的線性相關，與現有理論相符。

3 結 論

1）礦區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深度處地應力受構造應力影響分布不均，地質情況復雜，應當予以關注。

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

3）采用套孔應力解除法對新立礦區的地應力進行測量，所得結果可為新立礦區開采設計提供依據。