某金屬礦深部原巖應力測量及地應力場分布規律研究

張君鵬 ，詹進 ，于濤 ，陸宇超

(1.招金礦業股份有限公司 大尹格莊金礦， 山東 招遠市 265414；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

原巖應力測試的方法比較多，為了防止測點周邊的圍巖穩定性被破壞，使其物理力學性質變化較大，影響原巖應力測試結果的準確性，可從暴露的巖層表面向巖體的內部打小孔，直至巖層內部區域[1]。原巖應力測試是在小孔中安裝測試傳感器。相對而言，小孔對原巖應力測試區擾動較小，能準確掌握礦區的原巖應力狀態。隨著測試方法的不斷發展，國內礦山主要采用應力解除法和水壓致裂法。近年來，在巖石力學科研領域，運用原巖應力測試結果，建立開采礦區的應力應變模型，為準確預測礦區的應力分布狀態提供了科學的方法[2]。

隨著原巖應力測試理論研究和測試設備不斷發展，巖石力學的測試方法非常多。水壓致裂法和應力解除法是國內礦山科研中最常用的原巖應力測試方法[3-4]。近年來，學者們針對原巖應力測量進行了深入而廣泛的研究，李長洪等[5]采用應力解除法（溫度補償）對大同某礦區進行原巖應力測試，并結合原巖應力測試結果與地質構造的資料進行了科學的應力分布分析；蔡美峰等[6]采用多點測量對比分析對玲瓏金礦深部進行了試驗，并研究分析了整個礦區地應力場的分布；喬蘭等[7]針對三山島金礦的淺部礦區進行了原巖應力測試，通過分析結果，構建了地應力模型;王雙紅等[8]詳細研究了套孔應力解除法的測試，并深入分析測試結果；楊悅增等[9]利用原巖應力場的相關數據，對崩落法采場和充填法采場之間隔離礦柱回采過程中的穩定性進行精細分析，取得了理想的科研成果。本研究以某金屬礦為例，采用鉆孔套芯應力解除法，對礦區相關巷道進行了地應力現場測試。

1 礦山概況

某礦區地處低山丘陵區，絕對高度為127.60～197.66 m，第四紀地層覆蓋較廣，薄家河為區內主要河流，流經礦床東部，屬間歇性河流。沿河床第四系地下潛水水量豐富。本礦床礦體埋藏于地面200 m以下，為盲礦體。區內構造活動強烈，早期以韌性變形構造為主，中生代以后以脆性斷裂發育為特征。

2 原巖應力測試

本次研究采用常用的套孔應力解除法測試礦區原巖應力?？招陌w地應力測量使用CSIRO HID Cell數字式空心包體應力計，通過測量測點的三維應力大小和方向，計算得出原巖應力的測試結果，測定的主應力誤差為＜3%，方向誤差為2°～4°。

2.1 測點布置

由于在不同位置的地應力狀態的復雜性和多變性，同一水平各測點的測試結果可能相差較大。為到達測試的最佳效果，選擇在礦區2#礦體的-736 m二分段、-796 m一分段、-900 m一分段和1#礦體的-616 m南大運輸巷、-496 m中段各巷道內進行地應力現場測試。各測點參數見表1。

表1 測點坐標及覆巖厚度

根據測試要求，主要的工程量是同心圓的大、小孔，其中每個測點：大孔Φ130 mm，孔深7～10 m，與大孔同心小孔 Φ36～38 mm，孔深 0.4～0.6 m。

2.2 測試步驟

原巖應力測試主要技術流程分9步：打大孔、孔底磨平、打小孔定位孔、打小孔、清洗小孔及吹干、試安裝、安裝應變計探頭、固定應變計探頭、套孔解除。具體鉆孔施工步驟見圖1。

圖1 原巖應力測試鉆孔施工步驟

2.3 測試結果以及應力分布分析

將數據導入計算程序的 EXCEL宏中，通過EXCEL數據計算轉換，得出原巖應力測試的結果，并得出直觀的應力解除曲線，見圖2、圖3。由圖2、圖3可知，應力解除初期，數值變化較小，數值變化率逐步增加，說明鉆孔深度已不斷接近空心包體應力計的安裝位置[10]。測量探頭靈敏度逐漸增加，說明應力解除的位置已到空心包體探頭的位置。隨著鉆孔深度的增加，應變值變化率明顯增大，然后進入平穩的狀態，最后應變值不再發生變化，這說明解除的位置已經到達空心包體應力計的安裝位置。繼續施工推進鉆孔，最終鉆進折斷巖芯，取出含空心包體應力計的巖芯，套孔應力解除第1階段的工作結束[11]。

圖2 應力計在套芯過程中的輸出曲線（-796中段K3）

圖3 應力計在套芯過程中的輸出曲線（-900中段K4）

套孔應力測試效果較好，測試結果的曲線規律與理論分析的相關規律性接近，表明此次試驗是成功的。

利用橡膠襯墊雙軸室對已取出應力計的巖芯進行率定，給巖芯加圍壓并測試其應變的變化，同樣將測試數據導入到指定的EXCEL宏中計算，可得到巖芯的彈性模量與泊松比[12]。綜合以上測試的數據，通過分析計算得到地應力測量結果，見表2～表4。

表2 原巖應力測試結果

表3 應力分量測試結果

表4 巖層側壓系數計算結果

由表2～表4可知，最大主應力方向以偏北為主。排除K6孔測量數據，由于近地表開拓工程影響較大，垂直主應力多接近于中間主應力方向和數值。各測點的最大、中間、最小主應力隨著埋深逐漸增大，最大主應力變化率最大，中間、最小主應力變化率較小，說明淺部構造應力對原巖應力測試結果影響較大。

3 結論

（1）礦區原巖應力場受水平構造應力影響為主。

（2）各水平測點的最大水平主應力明顯以北偏西向為主，且整個礦區構造應力場方向各水平中段相近。

（3）礦區的最大水平主應力、垂直主應力、最小水平主應力隨著埋深增加有規律性地增長，平均水平應力隨著深度增加而接近于垂直應力，側應力系數為1.4～1.75，當側應力系數＞1.5時，礦區剪應力較大，導致破壞巷道及采場的穩定性。

（4）隨著深度逐步增加，巖性變化較大，而應力場的分布規律沒有隨巖性變化而有明顯的改變。