白音呼布矿地应力分布特征及其与地质构造关系

范文涛 纪永刚 高红利 张杰

摘要：白音呼布矿最大开采深度已达900 m，地应力环境复杂，深部围岩较为破碎，并伴随岩爆等地质灾害。为进一步研究开采过程中围岩稳定性及其控制措施，采用应力解除法对矿区5个水平中段共7个测点进行了地应力测量，基于改进算法编制的LabVIEW计算程序，获得了测点应力的大小、方向和倾角，并以此建立地应力场模型，分析矿区应力状态空间分布规律及应力场与地质构造的关系。研究结果表明：地应力以水平应力为主导，最大主应力平均方位角为236°;NE向张性断裂构造F2对矿区有控制作用，矿区测点最大水平主应力方向全部为NE—SW向，区域构造应力场的方向与实测原岩应力场方向相同。

关键词：深部开采;地应力测量;应力解除法;地质构造;构造应力

中图分类号：TD32文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）08-0043-06doi：10.11792/hj20200807

引 言

地应力是地层中赋存的初始应力，与地质构造和地形变化关系密切，能够引起地下工程围岩和工程支护结构的变形破坏[1-3]。随着矿山逐步进入深部开采阶段，高地应力作用下围岩变形破坏更加严重[4-6]，并伴随岩爆等地质灾害，给矿山安全高效的资源开采带来更多的困难和问题。地应力测量可以掌握应力状态的空间分布规律，是岩体稳定性分析和工程设计的重要基础。

国内外对于巷道布置优化、巷道支护与围岩关系的研究中，普遍以地压分布和活动规律为基础。近几十年，地应力测量技术不断发展，相关专家学者做了很多研究工作。蔡美峰等[7-8]研发的空心包体应变计实现了完全温度补偿，对玲珑金矿、大同矿区进行地应力测量，获得了矿区原岩应力。肖同强等[9]采用应力解除法对巨野矿区深部进行地应力测量，得到了构造区域地应力分布特征，研究了地质构造与巷道围岩稳定的关系。康红普等[10]采用水压致裂地应力测量方法，基于西部5省共88个测点的地应力测量结果，研究了浅部地应力分布特征和变化规律。李兵等[11]采用水压致裂法研究了广西盆地地应力与地质构造的对应关系。钟山等[12]对锦屏深部地下实验室应用改进的钻孔变形计测量技术，得到了地应力测点的应力状态，并对现场硐室破坏情况和工程区域地质进行了验证。闫振雄等[13]改进了空心包体应变计地应力的计算方法，采用改进算法测得了弓长岭井下地应力。上述地应力测量方法在工程实践中均取得了成功应用，其中套孔应力解除法技术最为成熟，在此基础上的研究也更加完善，应用也更为广泛[14-15]。

锡林郭勒盟山金白音呼布矿业有限公司（下称“白音呼布矿”）47勘探线—77勘探线年采选矿石60万t，该矿山海拔高度为945～1 186 m，井下采场主要分布在100～400 m水平中段。随着井下开采深度逐渐增大，复杂应力环境造成矿山深部巷道围岩出现片帮、顶层围岩破裂等问题，并伴随岩爆现象发生。因此，采用套孔应力解除法对矿区350 m水平中段到80 m水平中段进行地应力测量，基于改进型空心包体应变计计算方法编制的LabVIEW 计算程序，获得测点应力，以此建立地应力场模型，分析地应力空间分布规律。研究结果对确定合理的采场结构参数与巷道稳定性控制具有重要意义。

1 地应力现场测量

1.1 测量方法

白音呼布矿深部主运巷、穿脉联巷尚处开拓阶段，适宜采用套孔应力解除法[16]，其应变计监测探头为原位数字化空心包体应变计，如图1所示。现场采集应力解除初始应变等基础数据，结合室内温度补偿试验、围压率定试验及相关岩石力学试验，反演原地应力场。

针对矿山赋存矿岩以花岗岩等硬岩为主的实际情况，采用完全双温度补偿和原位数字化采集技术的改进型空心包体应变计探头。应力计主体为环氧树脂制成的空心圆筒，其中间部位嵌埋3组电阻应变花，应变花布置位置如图2所示。应变花间隔120°顺时针排列为A、B、C，每组中沿钻孔方向的应变片为0°，依次为45°、90°、135°。

1—应变计电缆 2—连接销 3—密封圈 4—环氧树脂

5—电阻应变花 6—空腔（内装黏结剂） 7—出胶小孔

8—密封圈 9—导向头 A、B、C—应变片位置

1.2 测点布置

白音呼布矿巷道围岩应力在工程扰动作用下应力重新分布，采用套孔应力解除法时，必须保证应变传感器处于未受工程扰动的原岩之中。地应力测点位置的选取应按照以下原则：所选测点应保证原岩應力的真实性;保证测点围岩均质完整和取心的完整性;避免巷道施工的相互影响。

结合白音呼布矿的地质开采条件，选取井下7个地应力测点，位于350～80 m的5个水平中段，各测点的布置位置和钻孔情况如表1所示，地应力测量钻孔结构如图3所示。

2 地应力测量结果及分布特征

2.1 应力解除曲线

现场测点地应力大小和方向以岩心在解除应力过程中的应变曲线为基础，再结合围压率定试验计算获得。250 m水平中段液压硐室测点的现场应力解除曲线如图4所示。在套孔岩心应力解除过程中，初始状态测量断面的应变片数值变化基本为零，随着解除深度的增大，应变逐渐增加。围岩应力转移过程中，会出现某些应变片为负值的情况，这与“开挖效应”相似。最终套孔应力曲线趋于稳定，作为地应力计算的原始数据。

2.2 岩石物理参数确定

地下岩体所处的应力环境复杂，物理力学性质差异较大，在利用原始数据进行地应力计算时，根据现场原始岩心进行围压率定试验，以确定岩石的弹性模量和泊松比，能够准确表示该测点的力学性质。

围压率定试验对套孔岩心逐级施加压应力，根据围压产生的应变来修正空心包体应变计在测量过程中的应变值，由此得到围岩的应力-应变曲线。岩石的弹性模量计算见式（1），泊松比计算见式（2），岩心围压率定曲线如图5所示。

式中：E为测点岩石的弹性模量（MPa）;K1为修正系数;p0为围压（MPa）;R为套孔岩心外径（m）;r为套孔岩心内径（m）;ν为测点岩石的泊松比;εθ为孔壁周向应变值;εz为孔壁轴向应变值。

2.3 地应力计算

利用空心包体应变值、岩石弹性模量和泊松比值，由式（3）[17]计算得到不同区域的原岩应力值。

基于现场测得的应变值与原岩应力分量的关系，判断井下测点应力状态，并采用LabVIEW编制的地应力计算程序[18]，获得测点主应力的大小、方向和倾角。该程序操作界面如图6所示，计算结果如表2所示。

图6 地应力计算程序操作界面

2.4 地应力场模型

白音呼布矿主应力随深度变化的应力场模型采用线性回归的方法建立，如图7所示，地应力场模型与埋深的函数关系见式（7）～（9）。

2.5 地应力场分布规律

根据地应力现场实测结果，分析整个解除过程中白音呼布矿地应力场分布存在如下的规律：

1）地应力测点最大水平主应力（σhmax）和最小水平主应力（σhmin）接近于水平方向，其倾角变化范围为2.73°～34.87°;中间主应力与垂直方向夹角不大于20°。

2）矿区测点的最大水平主应力与水平面的夹角很小，接近于水平;与垂直主应力的比值均超过1.5倍，最大为1.89倍，最小为1.57倍，如表3所示。因此，白音呼布矿地应力场并非以自重应力为主导，而是以水平应力为主导控制。

3）测点的最大水平主应力是最小水平主应力的2.34倍，二者的最大比值为2.84。在莫尔-库仑强度理论中，剪应力为2个主应力的差值，较大的剪应力是引起巷道和采场变形、发生剪切破坏的主要因素。

4）3个主应力的关系是：σhmax>σv>σhmin，属于σhmax·v型应力场。主应力值均随着深度的增加近似呈线性增长。

3 地应力场与区域地质构造的关系

3.1 区域地质构造背景

白音呼布矿位于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗东北部花脑特银多金属矿区，地理坐标：E117°44′00″，N46°01′15″。在全国地震烈度百年区划图中，矿区位于烈度小于Ⅵ度的范围内，属于地震活动較弱的地区。区域上位于东乌旗褶皱束的东部地段，白音呼布尔—额仁高比一带。

矿区北部为查干楚鲁特岩体，南西部为白音呼布岩株，地层主要受到NE、NW向构造应力影响[19];西北部岩体倾向135°～185°、倾角53°～88°，西南部岩体倾向310°～10°、倾角32°～68°。

3.2 地质构造

矿区北部中偏东为NWW向构造破碎带;矿体走向298°，倾向NE，倾角25°～87°，矿体走向与构造破碎带一致。矿区中东部有一背斜褶皱构造，背斜轴向倾伏SW向，倾伏角为15°，其南东翼被小断裂错断，可见长度约100 m，宽约60 m。

花脑特银多金属矿床区域构造概况如图8所示，区域内近EW向、NWW向断裂构造较发育，有一定宽度的破碎蚀变带。其中，NWW向张扭性断裂是区域主要的控矿、容矿构造;NE向张性断裂构造F2（白音呼布尔—满都宝力格大断裂[20]）为规模最大的断裂构造。

1—逆断层 2—平移断层 3—推测断层 4—张扭性断层 5—压扭性断层

6—地层产状 7—向斜构造 8—背斜构造 9—断层编号

根据区域地质构造背景和花脑特银多金属矿区地质构造及矿区内褶曲方向，总体可判定该区域构造应力方向为NE—SW向，方向大约为NE60°。矿区地应力测点最大水平主应力方向为210°～260°，平均倾角为9.93°，测点最大水平挤压应力方向由NE—SW向NEE—SWW略有转动，总体方向与构造应力场方向相同。

4 结 论

1）矿区测点最大水平主应力和最小水平主应力接近水平方向，倾角2.73°～34.87°;中间主应力接近竖直方向，与垂直方向夹角不大于20°。

2）实测最大水平主应力与自重应力的平均比值为1.76，说明白音呼布矿地应力场以水平应力为主导控制。80 m水平中段最大水平主应力为37.97 MPa，实测地应力值及应力分布规律对工程设计有重要的指导意义。

3）地应力场与地质构造关系密切：在NE向张性断裂构造F2的控制作用下，花脑特银多金属矿区最大水平应力方向基本为NEE向;矿区测点最大水平主应力方向全部位于NE—SW向，区域构造应力场的方向与实测原岩应力方向相同。

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