柴胡欄子金礦鉆孔巖心地應(yīng)力測量技術(shù)研究*

李書強(qiáng)

(赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古自治區(qū) 赤峰市 024000)

0 引言

赤峰柴胡欄子金礦礦體賦存狀況隨著開采深度的增加變得越來越復(fù)雜，地應(yīng)力明顯增大，圍巖垮塌、頂板懸空、板巖爆裂等井下災(zāi)害發(fā)生的概率也顯著增大，這給礦區(qū)的安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重威 脅[1]。目前，柴胡欄子金礦的主采礦脈仍沿用淺孔留礦法進(jìn)行開采，采場上盤采用長錨索+穿帶的方式進(jìn)行支護(hù)，由于礦區(qū)地應(yīng)力分布情況不明，存在采礦安全性差和上盤維護(hù)成本高等問題[2]，非常有必要探明柴胡欄子金礦地應(yīng)力分布規(guī)律。

地應(yīng)力是賦存于地殼中的天然應(yīng)力，采礦、水利水電、地鐵、隧道等地下或邊坡工程的變形和失穩(wěn)多由地應(yīng)力引起，對井下災(zāi)害進(jìn)行控制的首要前提就是地應(yīng)力測量[3]。早期的地應(yīng)力測試工作是在巖體表面進(jìn)行的，此法雖然簡便，但不能反映巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，故所得數(shù)據(jù)有一定局限性。近年來，眾多學(xué)者和專家對地應(yīng)力測量進(jìn)行了深入研究，地應(yīng)力測量方法已經(jīng)有了很大的發(fā)展和進(jìn)步[4]。馬春德等[5]在新城金礦礦區(qū)深部進(jìn)行了地應(yīng)力測試，用應(yīng)力解除法和聲發(fā)射法得到了地應(yīng)力的分布規(guī)律；蔡美峰等[6]在解決溫度補(bǔ)償問題的基礎(chǔ)上在金川礦區(qū)得到了深部地應(yīng)力分布的基本規(guī)律；李長洪等[7]采用改進(jìn)型空心包體應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測點(diǎn)的應(yīng)力解除測量，得到了地應(yīng)力分布規(guī)律及其與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系；劉允芳[8]則經(jīng)過力學(xué)分析和嚴(yán)格計(jì)算推導(dǎo)，提出了水壓致裂法三維地應(yīng)力測量的原理和方法；李利峰等[9]系統(tǒng)地闡述了影響聲發(fā)射地應(yīng)力測量的因素、Kaiser點(diǎn)的確定方法以及信噪處理技術(shù)；尹愛民等[10]則根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果得出了構(gòu)造作用主導(dǎo)地應(yīng)力場分布特征的結(jié)論?？v觀國內(nèi)外地應(yīng)力測試技術(shù)，大都采用應(yīng)力解除方式，這種方法需施工鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝應(yīng)變片，套取巖心，以此獲得地應(yīng)力分布特征。為了低成本、方便地獲得礦區(qū)地應(yīng)力分布，本文研究了一種鉆孔巖心新型聲發(fā)射法地應(yīng)力測試技術(shù)，將現(xiàn)場鉆孔巖心取樣，進(jìn)行重定向恢復(fù)其空間位置，通過測試鉆孔巖心聲發(fā)射特征，獲得聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，精確反演了赤峰柴胡欄子金礦地應(yīng)力分布規(guī)律。

1 地應(yīng)力測量及其分布規(guī)律研究

綜合國內(nèi)外地應(yīng)力研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，比較上述不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對礦區(qū)實(shí)際情況決定采用鉆孔巖心新型聲發(fā)射法測試柴胡欄子金礦地應(yīng)力。

1.1 測點(diǎn)選擇與巖心重定向

聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法測試地應(yīng)力的測點(diǎn)選取原則一般遵循以下幾點(diǎn)：

（1）同一鉆孔不同深度測點(diǎn)選取時(shí)應(yīng)考慮整體分布，測點(diǎn)間距盡量均勻，應(yīng)避免測點(diǎn)不等距分布或過度集中；

（2）測點(diǎn)選擇應(yīng)綜合考慮巖心情況，盡量選 擇巖心完整的區(qū)間，應(yīng)盡量避免選擇過度破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的區(qū)間布設(shè)測點(diǎn)；

（3）進(jìn)行水平分布規(guī)律測試測點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)同步所有鉆孔測點(diǎn)位置，使不同鉆孔測點(diǎn)處于同一水平高度面內(nèi)；

（4）地應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)應(yīng)盡量考慮不同深度范圍，在淺部、中深、深、超深4個(gè)區(qū)間均勻選擇測點(diǎn)，為后期區(qū)域地應(yīng)力分布規(guī)律分析和擬合提供有效數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)上述測點(diǎn)選取的基本原則，在鉆孔選擇深部同一水準(zhǔn)標(biāo)高水平，分別布置1個(gè)水平測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)取16～20個(gè)樣品，單個(gè)巖心樣品長度不小于100 mm；再依據(jù)鉆孔深度進(jìn)行巖樣采集。綜合考慮柴胡欄子金礦地質(zhì)鉆孔分布特征，對SK-18-9、SK-26-3、SK-32-2和ZK-40-3鉆孔巖心進(jìn)行取樣，試樣位置分別為400（-550 m）、100（-850 m）、-200（-1150 m）的不同深度。

根據(jù)巖心重定向技術(shù)，對所取巖心進(jìn)行地應(yīng)力 測試樣本篩選；然后根據(jù)鉆孔現(xiàn)場提供的測斜數(shù)據(jù)，利用球面幾何原理及鉆孔彎曲計(jì)算準(zhǔn)則，對定位關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)巖心空間的重新定位。累計(jì)定向巖心24根，巖心編號(hào)見表1。地應(yīng)力測試巖樣在地表重新準(zhǔn)確定位后，采用四方向制樣法對巖樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件加工，試件取樣加工流程如圖1所示。最終所取巖心加工為Φ25 mm，高徑比為2:1的小試件。

表1 定向巖心高程和巖心編號(hào)

圖1 重定向巖心試件取樣加工

1.2 測試試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備為MTS815伺服材料試驗(yàn)機(jī)，采用PCI-II型多通道聲發(fā)射儀來采集聲發(fā)射信號(hào)。按照《工程巖體試驗(yàn)規(guī)范》，將加工好的圓柱型試樣放入恒溫干燥箱中進(jìn)行常溫干燥處理，以保證巖石試樣在試驗(yàn)時(shí)具有較為統(tǒng)一的干燥度。試驗(yàn)加載方式為采用位移控制加載，加載速率為0.05 mm/min，進(jìn)行兩次應(yīng)力加卸載。聲發(fā)射系統(tǒng)其前置放大器設(shè)定為40 dB，聲噪門檻值為40 dB。所用聲發(fā)射傳感器大小為Φ8 mm×8 mm，諧振頻率為20～400 kHz，采樣頻率為1 MHz，用雙通道采集數(shù)據(jù)，使用凡士林作為耦合劑，將兩個(gè)傳感器分別用膠布纏繞黏貼于試件長度方向的中部對側(cè)，試驗(yàn)前需檢查傳感器能否正常工作。

依據(jù)抹錄不凈現(xiàn)象，以第二次加載時(shí)出現(xiàn)的第一個(gè)信號(hào)點(diǎn)作為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，作為二次確認(rèn)，對應(yīng)地可以找到第一次加載時(shí)幅值突增點(diǎn)，以提高判定精度。圖2～圖5列出了部分試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)和Kaiser效應(yīng)點(diǎn)獲取信號(hào)。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及地應(yīng)力反演

根據(jù)采集到的信號(hào)，用Kaiser點(diǎn)計(jì)算測點(diǎn)的地應(yīng)力分布情況，整理并計(jì)算得出不同深度巖體所處地應(yīng)力場的空間應(yīng)力分量，見表2，赤峰柴胡欄子金礦地應(yīng)力測量結(jié)果見表3。

水平主應(yīng)力隨深度呈現(xiàn)線性增長關(guān)系，利用線性回歸法將各埋深點(diǎn)所測地應(yīng)力進(jìn)行擬合（見圖 6），擬合得出赤峰柴礦巖體中地應(yīng)力值隨深度變化的計(jì)算公式：

圖2 SY-100-90-2號(hào)試樣聲發(fā)射信號(hào)

圖3 SY-100-S-2號(hào)試樣聲發(fā)射信號(hào)

圖4 F18-100-0-2號(hào)試樣聲發(fā)射信號(hào)

圖5 F18-100-45-4號(hào)試樣聲發(fā)射信號(hào)

式中，σmax為最大水平主應(yīng)力，MPa；σmin為最小水平主應(yīng)力，MPa；σv為垂直主應(yīng)力，MPa；h為埋深，m。

表2 不同深度測試點(diǎn)地應(yīng)力分量

表3 赤峰柴胡欄子金礦地應(yīng)力測量結(jié)果

圖6 垂直主應(yīng)力，水平最大、最小主應(yīng)力與埋深關(guān)系

2 結(jié)論

通過系統(tǒng)研究赤峰柴胡欄子金礦公司地應(yīng)力特征和測試結(jié)果數(shù)據(jù)，得到其地應(yīng)力分布規(guī)律。

（1）鉆孔所在區(qū)域的地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，隨著鉆孔深度增加，水平構(gòu)造應(yīng)力的主導(dǎo)作用有所減弱，垂直主應(yīng)力的作用效果隨著深度的增加而增大。

（2）水平最大主應(yīng)力隨埋的深增加而增大，不同深度最大水平主應(yīng)力的方位一致性較好，均為北東方向，分布于NE55°～NE60°之間，受地質(zhì)構(gòu)造影響較強(qiáng)。礦區(qū)測點(diǎn)范圍地應(yīng)力方向與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘余的構(gòu)造應(yīng)力方向基本一致。

（3）區(qū)域內(nèi)發(fā)育有多條褶皺和斷裂，這些地質(zhì)構(gòu)造方向基本為北東向或北西向，并以北東向 為主。

（4）垂直方向主應(yīng)力隨埋深增加而增大，呈線性增長趨勢。

（5）柴胡欄子金礦區(qū)域地應(yīng)力值整體高于常規(guī)情況，地應(yīng)力值偏大，這是由于區(qū)域內(nèi)巖體受板塊移動(dòng)、巖漿侵入、擴(kuò)容、不均勻膨脹等因素的影響。當(dāng)深度到達(dá)地表以下1100 m時(shí)，水平最大主應(yīng)力值接近45 MPa。因此，礦床進(jìn)入深部開采之后，地應(yīng)力將影響礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的布置，特別是對巷道開挖帶來比較大的影響。