白音呼布礦地應力分布特征及其與地質構造關系

范文濤 紀永剛 高紅利 張杰

摘要：白音呼布礦最大開采深度已達900 m，地應力環(huán)境復雜，深部圍巖較為破碎，并伴隨巖爆等地質災害。為進一步研究開采過程中圍巖穩(wěn)定性及其控制措施，采用應力解除法對礦區(qū)5個水平中段共7個測點進行了地應力測量，基于改進算法編制的LabVIEW計算程序，獲得了測點應力的大小、方向和傾角，并以此建立地應力場模型，分析礦區(qū)應力狀態(tài)空間分布規(guī)律及應力場與地質構造的關系。研究結果表明：地應力以水平應力為主導，最大主應力平均方位角為236°;NE向張性斷裂構造F2對礦區(qū)有控制作用，礦區(qū)測點最大水平主應力方向全部為NE—SW向，區(qū)域構造應力場的方向與實測原巖應力場方向相同。

關鍵詞：深部開采;地應力測量;應力解除法;地質構造;構造應力

中圖分類號：TD32文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）08-0043-06doi：10.11792/hj20200807

引 言

地應力是地層中賦存的初始應力，與地質構造和地形變化關系密切，能夠引起地下工程圍巖和工程支護結構的變形破壞[1-3]。隨著礦山逐步進入深部開采階段，高地應力作用下圍巖變形破壞更加嚴重[4-6]，并伴隨巖爆等地質災害，給礦山安全高效的資源開采帶來更多的困難和問題。地應力測量可以掌握應力狀態(tài)的空間分布規(guī)律，是巖體穩(wěn)定性分析和工程設計的重要基礎。

國內(nèi)外對于巷道布置優(yōu)化、巷道支護與圍巖關系的研究中，普遍以地壓分布和活動規(guī)律為基礎。近幾十年，地應力測量技術不斷發(fā)展，相關專家學者做了很多研究工作。蔡美峰等[7-8]研發(fā)的空心包體應變計實現(xiàn)了完全溫度補償，對玲瓏金礦、大同礦區(qū)進行地應力測量，獲得了礦區(qū)原巖應力。肖同強等[9]采用應力解除法對巨野礦區(qū)深部進行地應力測量，得到了構造區(qū)域地應力分布特征，研究了地質構造與巷道圍巖穩(wěn)定的關系?？导t普等[10]采用水壓致裂地應力測量方法，基于西部5省共88個測點的地應力測量結果，研究了淺部地應力分布特征和變化規(guī)律。李兵等[11]采用水壓致裂法研究了廣西盆地地應力與地質構造的對應關系。鐘山等[12]對錦屏深部地下實驗室應用改進的鉆孔變形計測量技術，得到了地應力測點的應力狀態(tài)，并對現(xiàn)場硐室破壞情況和工程區(qū)域地質進行了驗證。閆振雄等[13]改進了空心包體應變計地應力的計算方法，采用改進算法測得了弓長嶺井下地應力。上述地應力測量方法在工程實踐中均取得了成功應用，其中套孔應力解除法技術最為成熟，在此基礎上的研究也更加完善，應用也更為廣泛[14-15]。

錫林郭勒盟山金白音呼布礦業(yè)有限公司（下稱“白音呼布礦”）47勘探線—77勘探線年采選礦石60萬t，該礦山海拔高度為945～1 186 m，井下采場主要分布在100～400 m水平中段。隨著井下開采深度逐漸增大，復雜應力環(huán)境造成礦山深部巷道圍巖出現(xiàn)片幫、頂層圍巖破裂等問題，并伴隨巖爆現(xiàn)象發(fā)生。因此，采用套孔應力解除法對礦區(qū)350 m水平中段到80 m水平中段進行地應力測量，基于改進型空心包體應變計計算方法編制的LabVIEW 計算程序，獲得測點應力，以此建立地應力場模型，分析地應力空間分布規(guī)律。研究結果對確定合理的采場結構參數(shù)與巷道穩(wěn)定性控制具有重要意義。

1 地應力現(xiàn)場測量

1.1 測量方法

白音呼布礦深部主運巷、穿脈聯(lián)巷尚處開拓階段，適宜采用套孔應力解除法[16]，其應變計監(jiān)測探頭為原位數(shù)字化空心包體應變計，如圖1所示?，F(xiàn)場采集應力解除初始應變等基礎數(shù)據(jù)，結合室內(nèi)溫度補償試驗、圍壓率定試驗及相關巖石力學試驗，反演原地應力場。

針對礦山賦存礦巖以花崗巖等硬巖為主的實際情況，采用完全雙溫度補償和原位數(shù)字化采集技術的改進型空心包體應變計探頭。應力計主體為環(huán)氧樹脂制成的空心圓筒，其中間部位嵌埋3組電阻應變花，應變花布置位置如圖2所示。應變花間隔120°順時針排列為A、B、C，每組中沿鉆孔方向的應變片為0°，依次為45°、90°、135°。

1—應變計電纜 2—連接銷 3—密封圈 4—環(huán)氧樹脂

5—電阻應變花 6—空腔（內(nèi)裝黏結劑） 7—出膠小孔

8—密封圈 9—導向頭 A、B、C—應變片位置

1.2 測點布置

白音呼布礦巷道圍巖應力在工程擾動作用下應力重新分布，采用套孔應力解除法時，必須保證應變傳感器處于未受工程擾動的原巖之中。地應力測點位置的選取應按照以下原則：所選測點應保證原巖應力的真實性;保證測點圍巖均質完整和取心的完整性;避免巷道施工的相互影響。

結合白音呼布礦的地質開采條件，選取井下7個地應力測點，位于350～80 m的5個水平中段，各測點的布置位置和鉆孔情況如表1所示，地應力測量鉆孔結構如圖3所示。

2 地應力測量結果及分布特征

2.1 應力解除曲線

現(xiàn)場測點地應力大小和方向以巖心在解除應力過程中的應變曲線為基礎，再結合圍壓率定試驗計算獲得。250 m水平中段液壓硐室測點的現(xiàn)場應力解除曲線如圖4所示。在套孔巖心應力解除過程中，初始狀態(tài)測量斷面的應變片數(shù)值變化基本為零，隨著解除深度的增大，應變逐漸增加。圍巖應力轉移過程中，會出現(xiàn)某些應變片為負值的情況，這與“開挖效應”相似。最終套孔應力曲線趨于穩(wěn)定，作為地應力計算的原始數(shù)據(jù)。

2.2 巖石物理參數(shù)確定

地下巖體所處的應力環(huán)境復雜，物理力學性質差異較大，在利用原始數(shù)據(jù)進行地應力計算時，根據(jù)現(xiàn)場原始巖心進行圍壓率定試驗，以確定巖石的彈性模量和泊松比，能夠準確表示該測點的力學性質。

圍壓率定試驗對套孔巖心逐級施加壓應力，根據(jù)圍壓產(chǎn)生的應變來修正空心包體應變計在測量過程中的應變值，由此得到圍巖的應力-應變曲線。巖石的彈性模量計算見式（1），泊松比計算見式（2），巖心圍壓率定曲線如圖5所示。

式中：E為測點巖石的彈性模量（MPa）;K1為修正系數(shù);p0為圍壓（MPa）;R為套孔巖心外徑（m）;r為套孔巖心內(nèi)徑（m）;ν為測點巖石的泊松比;εθ為孔壁周向應變值;εz為孔壁軸向應變值。

2.3 地應力計算

利用空心包體應變值、巖石彈性模量和泊松比值，由式（3）[17]計算得到不同區(qū)域的原巖應力值。

基于現(xiàn)場測得的應變值與原巖應力分量的關系，判斷井下測點應力狀態(tài)，并采用LabVIEW編制的地應力計算程序[18]，獲得測點主應力的大小、方向和傾角。該程序操作界面如圖6所示，計算結果如表2所示。

圖6 地應力計算程序操作界面

2.4 地應力場模型

白音呼布礦主應力隨深度變化的應力場模型采用線性回歸的方法建立，如圖7所示，地應力場模型與埋深的函數(shù)關系見式（7）～（9）。

2.5 地應力場分布規(guī)律

根據(jù)地應力現(xiàn)場實測結果，分析整個解除過程中白音呼布礦地應力場分布存在如下的規(guī)律：

1）地應力測點最大水平主應力（σhmax）和最小水平主應力（σhmin）接近于水平方向，其傾角變化范圍為2.73°～34.87°;中間主應力與垂直方向夾角不大于20°。

2）礦區(qū)測點的最大水平主應力與水平面的夾角很小，接近于水平;與垂直主應力的比值均超過1.5倍，最大為1.89倍，最小為1.57倍，如表3所示。因此，白音呼布礦地應力場并非以自重應力為主導，而是以水平應力為主導控制。

3）測點的最大水平主應力是最小水平主應力的2.34倍，二者的最大比值為2.84。在莫爾-庫侖強度理論中，剪應力為2個主應力的差值，較大的剪應力是引起巷道和采場變形、發(fā)生剪切破壞的主要因素。

4）3個主應力的關系是：σhmax>σv>σhmin，屬于σhmax·v型應力場。主應力值均隨著深度的增加近似呈線性增長。

3 地應力場與區(qū)域地質構造的關系

3.1 區(qū)域地質構造背景

白音呼布礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗東北部花腦特銀多金屬礦區(qū)，地理坐標：E117°44′00″，N46°01′15″。在全國地震烈度百年區(qū)劃圖中，礦區(qū)位于烈度小于Ⅵ度的范圍內(nèi)，屬于地震活動較弱的地區(qū)。區(qū)域上位于東烏旗褶皺束的東部地段，白音呼布爾—額仁高比一帶。

礦區(qū)北部為查干楚魯特巖體，南西部為白音呼布巖株，地層主要受到NE、NW向構造應力影響[19];西北部巖體傾向135°～185°、傾角53°～88°，西南部巖體傾向310°～10°、傾角32°～68°。

3.2 地質構造

礦區(qū)北部中偏東為NWW向構造破碎帶;礦體走向298°，傾向NE，傾角25°～87°，礦體走向與構造破碎帶一致。礦區(qū)中東部有一背斜褶皺構造，背斜軸向傾伏SW向，傾伏角為15°，其南東翼被小斷裂錯斷，可見長度約100 m，寬約60 m。

花腦特銀多金屬礦床區(qū)域構造概況如圖8所示，區(qū)域內(nèi)近EW向、NWW向斷裂構造較發(fā)育，有一定寬度的破碎蝕變帶。其中，NWW向張扭性斷裂是區(qū)域主要的控礦、容礦構造;NE向張性斷裂構造F2（白音呼布爾—滿都寶力格大斷裂[20]）為規(guī)模最大的斷裂構造。

1—逆斷層 2—平移斷層 3—推測斷層 4—張扭性斷層 5—壓扭性斷層

6—地層產(chǎn)狀 7—向斜構造 8—背斜構造 9—斷層編號

根據(jù)區(qū)域地質構造背景和花腦特銀多金屬礦區(qū)地質構造及礦區(qū)內(nèi)褶曲方向，總體可判定該區(qū)域構造應力方向為NE—SW向，方向大約為NE60°。礦區(qū)地應力測點最大水平主應力方向為210°～260°，平均傾角為9.93°，測點最大水平擠壓應力方向由NE—SW向NEE—SWW略有轉動，總體方向與構造應力場方向相同。

4 結 論

1）礦區(qū)測點最大水平主應力和最小水平主應力接近水平方向，傾角2.73°～34.87°;中間主應力接近豎直方向，與垂直方向夾角不大于20°。

2）實測最大水平主應力與自重應力的平均比值為1.76，說明白音呼布礦地應力場以水平應力為主導控制。80 m水平中段最大水平主應力為37.97 MPa，實測地應力值及應力分布規(guī)律對工程設計有重要的指導意義。

3）地應力場與地質構造關系密切：在NE向張性斷裂構造F2的控制作用下，花腦特銀多金屬礦區(qū)最大水平應力方向基本為NEE向;礦區(qū)測點最大水平主應力方向全部位于NE—SW向，區(qū)域構造應力場的方向與實測原巖應力方向相同。

[參 考 文 獻]

[1] 蔡美峰.地應力測量原理與技術[M].北京：科學出版社，2000.

[2] CAI M F，QIAO L，LI C H，et al.Results of in-situ stress measurement and their application to mining design at five metal mines[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2000，37（3）：509-515.

[3] 鄭穎人，朱合華，方正昌，等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析與設計理論[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 包林海，朱開斌，郭啓良，等.尼泊爾那蘇瓦卡里水電站地應力測量及圍巖破壞機理分析[J].現(xiàn)代隧道技術，2019，56（2）：44-49.

[5] 方冉，龐建勇，姚韋靖，等.空心包體應力計和松動圈測試儀在煤礦測量中的聯(lián)合應用[J].煤礦安全，2018，49（8）：180-183.

[6] 張鵬，孫治國，王秋寧，等.木寨嶺深埋隧道北段地應力測量與圍巖穩(wěn)定性分析[J].地質力學學報，2017，23（6）：893-903.

[7] 蔡美峰，劉衛(wèi)東，李遠.玲瓏金礦深部地應力測量及礦區(qū)地應力場分布規(guī)律[J].巖石力學與工程學報，2010，29（2）：227-233.

[8] 李長洪，張吉良，蔡美峰，等.大同礦區(qū)地應力測量及其與地質構造的關系[J].北京科技大學學報，2008，30（2）：115-119.

[9] 肖同強，支光輝，張治高.深部構造區(qū)域地應力分布與巷道穩(wěn)定關系研究[J].采礦與安全工程學報，2013，30（5）：659-664.

[10] 康紅普，司林坡，張曉.淺部煤礦井下地應力分布特征研究及應用[J].煤炭學報，2016，41（6）：1 332-1 340.

[11] 李兵，李兵巖，張策，等.廣西盆地東北部的地應力分布特征[J].巖石力學與工程學報，2017，36（增刊1）：3 475-3 484.

[12] 鐘山，江權，馮夏庭，等.錦屏深部地下實驗室初始地應力測量實踐[J].巖土力學，2018，39（1）：356-366.

[13] 閆振雄，郭奇峰，王培濤.空心包體應變計地應力分量計算方法及應用[J].巖土力學，2018，39（2）：715-721.

[14] 王炯，姜健，張正俊，等.星村礦深部采區(qū)地應力分布特征及與地質構造關系研究[J].采礦與安全工程學報，2019，36（6）：1 240-1 246.

[15] 孫林，吳滿路，張超，等.金川龍首礦西二采地應力狀態(tài)分析[J].金屬礦山，2019（4）：15-19.

[16] 劉允芳，尹健民，劉元坤.空心包體式鉆孔三向應變計測試技術探討[J].巖土工程學報，2011，33（2）：291-296.

[17] 劉允芳，劉元坤.圍壓試驗在空心包體應變計地應力測量中的作用[J].巖石力學與工程學報，2004，23（23）：3 932-3 937.

[18] 閆振雄，王培濤.空心包體應變計地應力計算方法的探討[J].巖石力學與工程學報，2018，37（增刊1）：3 568-3 574.

[19] 謝靜博.內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗格爾楚魯銀礦構造特征及找礦方向[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019（2）：20-23.

[20] 叢潤祥，常春郊，劉桂閣，等.內(nèi)蒙古吉林寶力格銀多金屬礦床地質特征及礦床成因探討[J].地質與資源，2014，23（5）：453-460.

[21] 陳國峰，于秀斌，劉曉波.內(nèi)蒙古花腦特銀多金屬礦床地質特征及成因[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016（9）：153-158.