普朗铜矿地应力测量及其结果分析

冯兴隆，刘华武，高兆伟，朱月锋，吴 明，赵冰峰

（云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 迪庆 674400）

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普朗铜矿地应力测量及其结果分析

冯兴隆，刘华武，高兆伟，朱月锋，吴 明，赵冰峰

（云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 迪庆 674400）

普朗铜矿拟采用自然崩落法进行开采，在使用此方法之前要研究矿岩的可崩性、崩落规律等。矿区地应力数据是评价矿岩可崩性、研究崩落规律和井巷工程设计的主要依据。为此在普朗铜矿首采区的3 720m和3 540m水平进行了系统的地应力测量，现场测量采用孔壁应变解除法，共获得了6个测点的三维应力数据。测量结果表明，地应力以水平构造应力为主导，最大主应力值介于11.60～17.69 MPa之间，属于中等地压范围。

普朗铜矿；地应力测量；孔壁应变解除法

地应力是引起采矿、水利水电、道路和各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，科学准确的地应力测量是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程决策、设计和开挖科学化的必要前提。尤其在地下采矿工程中，无论是区域稳定性还是井巷、采场的稳定性问题都与地应力场（包括构造应力场和自重应力场）及其衍生物——各种构造形迹密切相关。地应力是围岩稳定性分析、岩土工程设计和决策所必需的基础资料之一［1～3］。

普朗铜矿现探获铜金属量480万t，矿体长大约2 300m，宽600～800m，但由于矿石品位较低，拟采用自然崩落法开采。在论证一个矿体或矿块能否采用自然崩落法时，首先必须对地应力场有十分准确的了解［4］。因此，对普朗铜矿的三维地应力场的变化及分布规律进行了研究，为后续矿体的高效、安全开采提供准确的地应力基础数据。

1 测量方法和测量原理

1.1 测量方法

从国际地应力研究来看，目前已有二十几个国家开展了地应力测量工作，测量方法有十余类，数十种之多。我国的地应力测量工作是在李四光教授的倡导下于上世纪六十年代初期开展的，目前已在地震、地质、冶金、煤炭、石油和水利等部门得到了广泛的应用。

对测量方法分类并没有统一的标准，国际上有人根据测量原理的不同分为应力恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法，共八类；国内外大多数专家学者倾向于依据测量基本原理的不同，将测量方法分为直接法和间接法两大类［5］。

普朗铜矿地应力的测量利用瑞典LUT地应力测定仪测定岩体应力的方法，实质为孔壁应变解除法。

1.2 测量原理

孔壁应变解除法的基本原理是假定孔壁围岩的变形是线弹性变形，并且加载与卸载曲线重合。从钻孔围岩中次生应力与原岩应力的关系和孔壁应变与钻孔围岩次生应力的关系，导出孔壁应变与岩体应力的关系。在测出孔壁弹性应变的条件下，可根据应力应变关系和实测的岩石弹性常数求解岩体应力。

其测定的方法是打钻孔深入到岩体中，并在孔壁粘贴足够的应变片，再将这些应变片的初始应变调零，然后套孔解除钻孔围岩应力，使岩芯的变形发生弹性恢复，并测出岩芯管的弹性恢复应变，根据这些弹性恢复应变和岩石弹性常数，计算岩体应力［6］。它是基于弹性力学理论，先通过测量粘贴在岩体小孔壁上12个应变片中的弹性恢复应变来计算该点的六个原岩应力分量，再由这六个应力分量计算原岩中的主应力。

LUT岩石三轴应变地应力测量仪的探头装有3个应变片活塞（如图1所示），每个活塞表面粘贴有4个应变片，组成一个应变花，故一次能测出12个应变值。三个应变花沿Z轴成270°、30°和150°分布（α角），每个活塞上的四个应变花与Z轴夹角（β）分别是为90°、45°、0°和135°，在这种布置方式下，孔壁应变与岩体应力的关系计算公式见文献［7］。

图1 LUT三轴应变计探头剖面图

2 普朗铜矿地应力测量

2.1 矿山概况

普朗铜矿位于香格里拉县东北部，距县城62 km，为一超大型斑岩铜矿，目前已探获铜资源量480万t。根据普朗铜矿矿体的矿石储量、矿体赋存情况，一期采、选建设规模为年处理原矿石1 250万t，一期工程设计的开采范围为KT1矿体11～20线之间的3 720m以上的矿体，拟采用自然崩落法进行开采，现矿山正处于基建阶段［8］。

矿山区域内构造活动强烈，断裂、褶皱发育。一系列北西向紧密线性褶皱和同向断裂是控制沉积建造、变质作用、岩浆活动及其有关矿产的主要构造。次级同向断裂及东西向断层则为容岩（矿）构造。晚期发育规模较小的北东向断层，切错了早期断裂及褶皱。矿区位于普朗向斜东翼，矿区构造与区域构造线方向一致；矿区内构造活动强烈，发育断层、次级褶皱以及节理（裂隙）。

2.2 地应力测点布置

为了了解矿区各处的原岩应力大小和方向，以便进一步研究采矿方法和技术、采场地压管理以及井巷支护等工作，在工程地质调查的基础上，结合现场施工条件，确定在普朗铜矿3 720m和3 450m两个中段选择6个测点对矿区的地应力场的变化及分布规律进行测试研究，其中以首采中段3 720m中段作为研究重点，布置了4个测点，在3 450m中段布置2个测点。

原岩地应力场的测点的选择一般要遵循以下几个原则：测点周围岩体力求均质完整，钻孔定位于该类岩石中，以保证取芯的完整性及地应力测量结果的可信度；测点应尽量靠近设计巷道，根据采区地质构造资料，测点对于设计巷道所处地应力场应具有代表性；避开附近正在施工的巷硐工程，避开应力崎变区、不稳定区及干扰源，保证原岩应力的真实性；测点要布置在尽量远离断层和破碎带的区域内；兼顾钻机作业条件，如水、电、道路运输等。

6个测点均布置在新鲜的岩体和矿体中，测点的选择基本上避开了巷道和采场的弯、叉、拐等应力集中区以及断层、岩石破碎带、断裂发育带，同时测点尽量远离大的采空区和洞室。测点的布置情况如图2所示。

图2 测点与所在巷道的相对位置关系图

2.3 测量结果

2.3.1 岩芯筒弹性参数测定与计算

岩芯筒弹性参数测定采用双轴试验的方法，双轴试验又叫围压率定试验，其目的有两个：一是测定所取岩芯的弹性参数，直接把“本地”岩石参数用于计算主应力，使测试结果更加符合真实性；二是对应变计的工作状态进行检查，如果在双轴试验中发现某个应变计工作不正常，就要删除其相应的解除应变值，以避免因应变计本身或加工粘贴的原因造成的误差。

岩石的弹性模量E和泊松比μ通过围压率定试验来测定，其计算公式如下：

式中：p为围压／MPa；E为弹性模量／MPa；μ为泊松比；εθ、εl分别为环向和纵向应变／‰；Di、Dy分别为筒状岩芯内外直径／mm。

通过专用围压加载装置，对岩芯管施加围压，测定管内探头应变片的围压-应变曲线，以计算岩石的弹性模量E和泊松比μ。每段岩芯管加卸载3次，E和μ取3次的平均值。本处只取3 720m中段的1＃测点的第一测段的围压-应变加卸载全过程曲线加以说明，如图3所示。

图3 3 720m-1＃-1围压-应变加卸载全过程曲线

经过测试和计算，可以得到每个测点的弹性参数，见表1，这些数据将用来计算地应力主应力。

表1 测点弹性数计算结果表

2.3.2 应力解除试验结果

根据应变计探头上应变花至探头尾部尺寸加上小孔孔口栓塞所需长度和岩芯完整程度确定应变片最佳粘贴位置，然后安装应变计探头，最后把套孔钻具送入钻孔，进行等速解除。在探头上接上数据记录仪，每两分钟打印一次数据，直至数据稳定。如果解除出的岩芯管温度高于空气温度，等温度下降再接数据记录仪测定。

LUT岩石三轴应变地应力测量有专用的计算程序，其界面如图4所示。该程序在输入钻孔方位角、倾角、弹性参数和解除应变后，进行三次迭代计算，可通过屏幕显示观察记录数据或借助宽行打印机打印数据。

图4 地下矿山原岩应力场计算专用程序界面

经过综合计算，普朗铜矿6个地应力测点的空间应力分量及主应力计算结果见表2和表3。

表2 各测点应力分量计算结果表MPa

3 矿区原岩应力状态分析和结论

3.1 各测点应力分量的计算结果与分析

根据平面应力状态分析与计算，由表2数据，求出每个测点的水平最大主应力σhmax和水平最小主应力σhmin，同时取g＝10m／s2，ρ＝2.7g／cm3计算出每个测点的初始自重应力σv，最后计算两个水平应力分量之比以及最大水平应力与垂直应力σz之比（侧压系数），计算结果见表4。

各测点应力分计算结果表明：

1.矿区的水平应力存在明显的方向性，六个测点东西向的水平应力分量σy均大于南北向应力分量σx，最大水平主应力是最小水平主应力的1.42～2.29倍。

2.所测区域范围内的侧压系数较为平均，比值在2左右波动，这与我国大陆区域地压的侧压力系数分布规律基本相一致。

3.所有测点均表现出水平应力分量大于垂直应力分量的特征，说明该区域总体上以水平构造应力为主。

表3 地应力测量结果一览表

表4 各测点不同方向应力分量比值变化情况

4.在3 540m中段的5、6号测点的应力分量中存在较大的剪应力，按照莫尔-库仑理论，岩体的破坏通常是由于剪切破坏引起的，所以在开采设计及巷道支护中须引起一定的重视。

3.2 各测点主应力计算结果与分析

各测点主应力计算结果（见表3）表明：

1.矿区最大主应力的倾角大部分均小于20°，这说明普朗矿区的地压主要是由构造应力引起，自重对地压的影响要小于构造应力的影响，在矿区开拓、生产及巷道支护上应重点考虑水平方向的地压影响。

2.六个测点中最大主应力为17.09 MPa，最小为11.60 MPa，属中等地压范围。

3.矿区最大主应力的方向表现出较好的一致性，矿区最大主应力接近于东西方向，这与矿区的地形、地貌和地质构造相符，说明本次普朗矿区地应力测试结果的正确性。

4 结 论

1.普朗铜矿矿区的地应力以水平构造应力为主导，最大主应力倾角较小，介于5.73°～29.41°之间；矿区的最大主应力的方位大致呈东西向，与矿区的南北向为主导的褶皱等地质构造特征相符合。

2.普朗铜矿所测区域的最大主应力值介于11.60～17.69 MPa之间，属于中等地压范围；所测区域范围内的地应力的侧压系数较为平均，与我国大陆区域地压的侧压力系数分布规律基本相一致；所有测点的各应力分量表现出如下特点：σy（东西向应力分量）＞σx（南北向应力分量）＞σz（垂直应力分量）。

3.普朗铜矿地应力的测量为采矿方法进行数值模拟计算时提供了真实边界条件，对于选择更适合该矿区的安全高效的开采方法、选择巷道走向或硐室轴向有重要的意义。

［1］Amadei B，Stephansson O.Rock Stress and Its Measurement［M］. London：Chapman＆Hall，1997.490.

［2］康红普，林建，张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（5）：929-933.

［3］张重远，吴满路，廖椿庭.金川三矿地应力测量及应力状态特征研究［J］.岩土力学，2013，34（11）：3 254-3 260.

［4］张永坤，程桦，蔡海兵.潘北矿地应力测量及其结果分析［J］.中州煤炭，2012，195（3）：4-6.

［5］乔兰，蔡美峰.应力解除法在某金矿地应力测量中的新进展［J］.岩石力学与工程学报，1995，14（1）：25-32.

［6］徐纪成，王李管，陈枫，等.普朗铜矿井下大规模开采关键技术研究之三维地应力测试研究报告［R］.长沙：中南大学，2013.

［7］陈枫，饶秋华，徐纪成，等.应变解除法原理及其在大红山铁矿地应力测量中的应用［J］.中南大学学报（自然科学版），2007，38（3）：545-550.

［8］冯兴隆.自然崩落法矿岩工程质量数字化评价及模拟技术研究［D］.长沙：中南大学，2010.

Pulang Copper Miner In-situ Stress Measurements and Its Results Analysis

FENG Xing-long，LIU Hua-wu，GAO Zhao-wei，ZHU Yue-feng，WU Ming，ZHAO Bing-feng
（Yunnan Diqing Non-ferrous Metals Industry Co.，Ltd.，Diqing 674400，China）

Pulang Copper miner is prepare to mine the orebody using nature caving method.Before using the method，the ore rock cavability，caving law，etc.must to be study.The in-situ stress data of mining is the main basis for ore cavability evaluation，caving law research，mine working engineering design.System in-situ stress measurements has been to do in the 3 720m and 3 540m levels of Pulang copper miner firstly mining area.Field measurements use the hole wall strain release method，and the three dimensional stress data of six points is

.Measurement results show that in-situ stress is dominated by horizontal tectonic stress，and the maximum main stress value is between 11.60 MPa to 17.69 MPa，belonged to the medium pressure range.

pulang copper miner；in-situ stress measurements；the hole wall strain release method

TD311

A

1003-5540（2015）01-0001-04

2014-10-12

冯兴隆（1980-），男，高级工程师，博士，主要从事自然崩落法与数字矿山技术的研究。