高應力山區礦山井下地應力分布特征研究*

席世強,闞曉平,嚴立德

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

0 引言

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

目前,還有許多學者開展了礦山井下地應力測量、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力現場測量工作,測量深度達到1899.00 m,通過數值仿真模擬方法反演了豎井工程區2017.56 m 深的地應力場。周亞博等[8]采用新型聲發射法進行地應力測量,掌握了柴胡子欄金礦深部地應力分布特征。孫健等[9]采用水壓致裂法對某礦山進行地應力測試,基于現場實測數據,對地應力大小與埋深的關系進行分析,得到該礦山地應力的分布規律和變化特征。使用有限差分法軟件FLAC 對礦區地應力場進行反演模擬,模擬結果用來驗證地應力現場實測結果的準確性。張君鵬等[10]采用應力解除法測量了某金屬礦深部原巖應力的大小與方向,并揭示了礦區的原巖應力分布特征。孫林等[11]采用空心包體應力解除法,對龍首礦開展了不同中段的地應力測量工作,根據原巖應力分布規律,保證了礦區采場開采和支護工程的順利實施。

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

1 礦山概況

1.1 工程地質條件

礦區地處瑪沁～略陽深大斷裂帶、松潘～金川斷裂帶及鮮水河斷裂帶構成的三角形區域“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式向斜之南端,屬巴顏喀拉秦嶺地層區馬爾康分區的金川小區,礦區平均海拔為3000～4190 m,為典型的高海拔礦山,且山勢陡峭,屬構造剝蝕高山極深切割高山區。

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

1.2 井下開采現狀

礦山從3500 m 水平往上共掘進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了一座處理能力為500 t/d的選礦工業試驗廠,在3030 m 標高山谷溝邊坡上修建了一座35 k V 的變電站,并建設了若干輔助生產及生活設施。現有的主要工程有:

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

2 地應力測量

2.1 測量方法

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

圖1 LUT三維地應力測試系統

2.2 測點布置

礦山地應力測量工作的目的是為了了解礦井生產區域各處的原巖應力場的大小和方向,通過測定地應力狀態,為礦山采礦方法設計、礦山地壓管理以及井巷支護等提供理論支撐,并進一步保障井下生產安全。

為確定礦區原巖應力狀態,針對礦區開展了現場原巖應力測量工作。為了使地應力測量工作不影響生產,確定了本次礦區的3個地應力測點位置,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。為保障測量的準確性,測點的選擇基本上避開了巷道和采場的彎道、叉口,以及拐角等應力集中區,基于前期的勘探資料,使得測點鉆孔避開了礦區的斷層、巖石破碎帶、斷裂發育帶等區域。3個測點之間保持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(測孔)的布置位置、埋深及鉆孔參數見表1。

表1 測點布置及鉆孔參數情況

測點的鉆孔傾角、方位角等參數由地應力測試系統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 地應力測量數據處理與分析

3.1 地應力測量原理

本次原巖應力測量采用瑞典LUT 地應力測定儀測量地應力狀態,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。通過應變片傳感器記錄所測測點巖體的應變情況,并結合相應測試測得的巖體力學參數,即可計算測得地應力的6個應力分量或者3個主應力的大小和方向[16-17]。其計算式見式(1)至式(6)。

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

3.2 地應力計算

采用LUT-str專用巖體應力計算程序進行地應力計算。測試之前,記錄鉆孔方位角、傾角以及轉角等參數及巖體力學參數,結合相應參數與應變測試結果,通過數據處理程序進行迭代計算,即可獲取測點的原巖應力分量以及主應力大小、方位角以及傾角。根據計算軟件計算出各測點三維主應力值,結果見表2和表3。

表2 各測點地應力分量測試結果

表3 各測點三維主應力計算結果

3.3 地應力場模型

各測點所得的地應力結果只能反應該測點所在區域的原巖應力狀態,為了反應礦山原巖應力狀態隨深度變化的規律,對3個測點計算所得的主應力值進行回歸分析,得到3個主應力隨深度變化的回歸曲線以及表達式,分別如圖2和式(7)所示。

圖2 地應力隨埋深變化及其回歸曲線

3.4 地應力分布規律及分析評價

根據地應力測量結果,礦區地應力分布規律如下。

(1)3 個測點最大主應力的方向均為北東東向,其中1#和3#測點最大主應力方向基本一致,比2#測點更靠近于東西向。1#測點與2#測點最大主應力傾角均較小,盡管3#測點數據達到38.81°,仍小于45°,3個測點最大主應力的傾角均較小,說明該區域仍以水平構造應力為主。

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

(3)根據測量結果,3 個測點的東西向水平應力分量σy均大于南北向水平應力分量σx,表明礦區地應力場分布呈現出較明顯的方向差異性。

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

根據測量結果可知,礦區的地應力場以水平構造應力為主,最大主應力大致呈近東西方向。因此礦區后續在構建巷道及其它地下結構時,應使巷道走向盡可能與測得的最大主應力方向一致,或盡可能接近最大主應力方向,從而減小地壓對巷道穩定性的影響,提高井下安全性,減少巷道支護成本。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構,應針對巷道的巖性條件及時加強支護和監測。

根據相關研究,巖體所受最大主應力是巷道發生變形的最大原因,因此按照地應力水平評價標準,見式(8):

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

根據地應力測量結果,結合礦山巖石力學測試結果,礦巖單軸抗壓強度約為116.58 MPa,可知3個測點由于埋深較淺,K值均大于7,為一般地應力。根據地應力回歸曲線可知,當埋深深度H大于400 m 后,所處地應力為高地應力,當開采至相應深度后,需要加強巷道支護。

4 結論

以高應力山區某礦山為研究案例,開展了井下地應力大小和分布的現場測量工作,分析了地應力分布特征規律。得到了以下研究結論。

(1)現場測量的3個測點最大主應力方向均為NEE向,且3個測點最大主應力的傾角均較小,說明該礦區仍以水平構造應力為主。

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

(3)根據測量結果,測點的東西向水平應力分量σy均明顯大于南北向的水平應力分量σx,地應力場分布呈現出較明顯的方向差異性。

(4)3個測點均為一般地應力,當開采深度超過400 m 后,地應力為高應力狀態,需及時加強巷道支護。