金川三矿区东部贫矿现场地应力测量及应力分析

刘卫东 李金鑫 孙 伟 张盛友

(1.金川集团股份有限公司三矿区，甘肃 金昌 737103；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；3.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室，昆明 650093)

由于地球亿万年以来的构造运动，造成了地应力的复杂性和方向性[1]。在矿山设计中，地应力的大小和方向是巷道断面优化、采区巷道的合理布置、巷道的支护方法和支护设计的重要依据。目前针对三维地应力的测量方法已经有很多种。康红普等[2]系统分析了水压致裂法的测量过程，认为水压致裂法要强于空心包体应力计法，测量精度高且无需套芯解除等复杂工序。马春德等[3]研究分析了岩石试件在多级循环加载方式的作用下声发射信号激发的特性和规律。找到了准确获取地应力特征点的有效方法和波形处理技术，大大提高了试验的可靠性。随着时代的发展和技术的进步，准确测量地应力的方法会越来越多，在目前的地应力测量方法中，空心包体应力解除法是一种可以应用于矿山三维地应力测量的技术，它具有测量效果好、精度高、施工较为容易、工程量小等优点，在许多地下工程研究中得到了广泛的应用。李金奎等[4]应用空心包体三轴应力计对山东郓城煤矿进行测量，通过地应力的测量了解了郓城煤矿一采区的围岩应力状态，为以后一采区的巷道设计、施工、以及防止围岩的大变形提供了科学有效的地质资料。白金朋等[5]详细介绍了深孔空心包体地应力测量仪的组成结构和测量方法，并经过现场实测表明该仪器对深孔三维地应力的测量是适用的。孙林等[6]采用KX-81型空心包体三轴应力计对金川矿区龙首矿西二采区地应力进行了前期测量，了解了西二采区的应力状态，为以后巷道的设计及支护提供了有效的地质资料。

1 矿区地质概况

金川公司经过几十年的开采形成了龙首矿、二矿等主力矿井，近些年来龙首矿及二矿资源逐渐枯竭。凭借金川矿开采技术水平以及选冶回收率的提高，2004年4月F17断层以东的三矿区东部贫矿建成投产[7]，是目前三矿区的主力采区，主要开采F17断层以东1 200 m水平以下的矿体，首采分层标高为1 182.5 m，2017年已开采至1 130 m水平。金川三矿区东部贫矿开采工程于2018年7月开始试生产，主要开采F17断层以东1 200 m水平以上的矿体，采用双中段同时开采，分别为1 250 m和1 350 m两个中段，首采分段分别为1 330 m和1 438 m。由于金川矿区的工程存在地质条件较为复杂、矿岩破碎软弱、高地应力等特点，属于极难开采矿井[8]，所以为了保证三矿区东部贫矿的巷道设计、巷道开挖及支护能够顺利进行，采用空心包体应力解除法测量1 200～1 450 m水平的地应力大小及方向，获得三矿区东部贫矿不同深度、不同部位的地应力状态，为三矿区东部贫矿的开采和巷道布置提供有效的科学依据。

2 地应力测量

2.1 测点的布置

为在三矿区东部贫矿开展地应力测量，经多次现场踏勘，综合考虑现场岩石条件、施工条件，以不影响生产和探矿工作为原则，选择布设地应力测点。在金川三矿区东部贫矿1 200 m水平完成了7个测点的现场勘探选点工作，如图1所示。在1 250 m水平、1 330 m水平、1 450 m水平共完成6个测点的现场勘探选点工作。

图1 东部贫矿1 200 m水平地应力测点分布图Fig.1 Distribution of stress measuring points in 1 200 m horizontal middle section of east lean ore

2.2 测量过程

使用空心包体三轴应力计进行现场地应力测量，大致分为以下几个阶段，如图2所示。

图2 空心包体式三轴应力计安装过程Fig.2 Installation process of hollow inclusion triaxial strain gauge

1)开孔：经过测量在已经选好进行打孔的点上凿出5～10 mm深的钻孔，用来防止钻头在钻孔的过程中发生偏离。

2)钻大孔：沿着第一步为确定开口方向所凿出的钻孔，使用直径为130 mm的钻孔穿过扰动松动区和岩石破碎区，钻孔微微向上倾斜3°～5°，以便于利用水循环冲洗钻孔的岩屑时，使岩屑顺着钻孔流出来。

3)磨平大孔孔底，以便于打居中喇叭孔。

4)打喇叭孔：用锥形钻头在磨平的大孔底部，打磨出一个类似于喇叭形状的凹槽，打磨出的凹槽可以为接下来打磨小孔起到导向的作用。以确保下一步需要打磨的小孔能够与大孔同心同轴。

5)使用直径为36 mm的钻头钻测量小孔并连接导正器，顺着喇叭孔的方向按设计尺寸成孔(打小孔期间要严格控制住钻机的压力和水循环并且一定要保证钻孔的垂直度、光滑度、干净程度等，能够满足质量要求)，确保能够取出尽量完整的小岩心，仔细分析小岩心的完整情况从而可以推断出此处岩石的整体性。然后需要判断是否安装测量元件还是继续钻进寻找完整的岩体。

6)安装空心包体三轴应力计：安装之前需要进行洗孔，钻好小孔后，先用水把孔内的石屑和碎渣清理干净。随后用丙酮或酒精反复冲洗小孔，直到没有明显的岩屑或岩粉时方可安装，安装过程中首先用酒精或丙酮反复擦洗原件表面保证清洁。用环氧树胶和固化剂按一定比例配置好粘结剂，静置2～3 min，让气泡消一消。随后安装连接杆，一般需要比预计元件安装深度长1 m左右，准确的连接好导正器、定向仪还有卡槽器，将静置后没有气泡的粘结剂倒入空心包体元件的内腔，用固定鞘固定柱塞并将其安装到卡槽里，缓慢地放入孔内，一旦卡槽到达预定深度时，用力推断(可用锤砸)固定鞘，缓慢推进至孔底，直到将胶完全挤出，记录各应变片的位置读数。安放后的效果图见图3。

图3 空心包体元件钻孔安装图Fig.3 Drilling and installation diagram of hollow inclusion element

7)套心解除前须取出安装杆和定向仪，待应变片稳定后，开始读取应变片的位置读数。将采集仪器与原件电缆的各个接线点连接到一起，将仪器调试至平衡，在解除套心之前先用水冲洗钻孔保证岩石温度和循环水温度相同，直到各应变片的读数稳定后开钻取心，套心过程中，注意观察各应变片随进尺深度的变化而发生的变化，每进尺3 cm读一次数据，数据稳定后套心结束，停止钻进。

8)取心：试验结束后，把岩心与岩石相连接的部位用已制备好的扁铲铲断，然后取出带有应力计元件的岩心。

9)标定：将取出带有元件的岩心放置到围压率定器中进行标定，使用油泵通过围压器给岩心施加均匀围压，根据标定实验得出的数据可以计算出岩心的弹性模量及泊松比，并根据实验所得数据，验证原件的准确度和可靠性。

3 测量数据

3.1 围岩率定曲线分析

分析以上13个测点的解除曲线，可以看出曲线的变化存在一定的规律，应力解除前曲线的变化比较平稳，应力解除过程中随着钻头不断接近应变片，曲线开始发生变化，当钻头继续向下钻进超过应变片的位置时，不再对应变片产生影响，曲线又逐渐恢复平稳，通过解除曲线的变化情况，能够看出应变片处于正常的工作状态。

为了防止岩心失水，影响实验效果，解除实验结束后马上进行围压率定实验，由于篇幅问题只选1450-1行测点(如图4所示)。观察围压率定曲线，可以看出曲线的变化存在一定的规律，证明岩心的完整性很好，应变片处于正常的工作状态，当压力为零时，有轻微的残余应力存在，证明应力计与岩心耦合状态稳定。曲线线性特征比较明显，证明测量设备工作状态稳定，数据可靠，可信度高。

图4 1450-1行测点应力解除曲线及测点率定曲线Fig.4 1450-1 stress relief curve and calibration curve of measuring points

3.2 应力椭圆分析

由图5可直观地看出该测点应力状态的理想程度，如果应力椭圆越接近圆形、越对称，说明该测点的应力状态越理想。如果在该测点附近区域进行巷道掘进，有利于掘进后巷道的施工及支护[9]。一般情况下，越趋近于圆形的那个截面，即代表该截面上的受力是最均匀的，由于围岩受力均匀可以有效地减少巷道的大变形。所以若把该截面的法线方向用作巷道的轴线方向，则该方向就是巷道设计、掘进以及支护的最佳选择。

图5 1 200 m水平47行测点不同法线方向各截面应力椭圆Fig.5 Stress ellipse of each section in different normal directions of horizontal 47 measuring points at 1 200 m

1 200 m水平47行测点不同法线方向各截面应力椭圆，从整体看变化很大，说明该测点受力状态不是特别理想，应力大小和方向变化比较明显。巷道周边受力比较复杂，不均匀，稳定性随走向变化十分明显，说明该测点附近区域的工程地质条件不好。最大主应力值与最小主应力值相差不大，存在一定的剪应力，水平方向不稳定。

从表1可以看出1、2、5、6测点，应力椭圆的大小和方向变化较大，代表该处测点的受力状态不理想，巷道周边受力不均匀剪切应力大，容易发生剪切破坏，最大主应力和最小主应力差值较大，岩体的整体性不好。在这些测点所在区域，必须加强巷道支护，防止巷道大变形。3、4测点应力椭圆变化不大，说明该处测点受力状态相对均匀，最大主应力值与最小主应力值相差不大，岩体均匀性较好。对于3测点因为N70°E-N70°W应力椭圆最为理想，所以可以考虑在法线方向为N70°E-N70°W作为选择巷道走向的依据。4测点可以考虑在WE-N50°W作为选择巷道走向的依据。

表1 各水平各测点不同法线方向各截面应力椭圆Table 1 Stress ellipse of each section in different normal direction of each horizontal measuring point

3.3 测量结果及分析

在获取地应力解除测量数据的基础上，对带测量元件的岩心进行围压率定实验，获取必要的岩石力学参数，进行综合计算分析，获得金川三矿区东部贫矿1 200 m、1 250 m、1 330 m、1 450 m四个水平中段13个测点的三个主应力大小、方向及倾角(详见表2、表3)。本次测量所取得的13个测点的测量数据大部分都具有比较典型的规律，表明各应变片在试验中的工作状态良好。利用最小二乘法原理对现场实测数据进行处理，可以得到具有最大可信度的测量结果[10]。

表2 1 200 m水平应力测量结果Table 2 1 200 m stress measurement results

表3 1 250～1 450 m水平地应力测量结果Table 3 Results of in-situ stress measurement from 1 250 m to 1 450 m

4 结果分析

由表2可知，1 200 m水平7个测点的最大主应力值比较接近，为 17.3～21.1 MPa，属于中等应力水平，中间主应力值为 1.7～15.2 MPa，最小主应力值为-2～14.1 MPa；最大主应力的方向为NNW—NNE和NE—WE两组，最大主应力方向差别较大；最大主应力倾角0°～-49°，说明矿山深部的应力作用方式已经发生变化，水平应力主导现象不明显；另外，三个主应力之间的最大差值在4.8～15.6 MPa，三个主应力差值较大，说明具有较高的剪切应力。三矿区东部贫矿1 200 m水平44行测点的三个主应力值相差很大，这可能是由于该测点附近区域巷道开挖较为密集对矿山岩体的扰动较大，使岩体产生了应力释放。

由表3可知，1 250 m水平测点最大主应力值为18.6 MPa，最大主应力方向为NNE，最大主应力接近水平，三个主应力的最大差值为7.3 MPa；1 330 m水平第一个测点最大主应力值为16.8 MPa，最大主应力方向为NNW，最大主应力近水平，三个主应力最大差值为10.6 MPa；1 330 m水平第二个测点最大主应力值为16.1 MPa，最大主应力方向为NE，最大主应力倾角为33°，三个主应力相差不大；1 450 m水平第一个测点最大主应力值为13.5 MPa，最大主应力方向为NE，最大主应力倾角为42°，三个主应力最大差值为6.2 MPa；1 450 m水平第二个测点最大主应力值为13.0 MPa，最大主应力方向为NNW，最大主应力倾角为26°，三个主应力最大差值为9.2 MPa；1 450 m水平第三个测点最大主应力为13.1 MPa，最大主应力方向为近EW，最大主应力倾角为-57°，三个主应力最大差值为9.0 MPa。

从总体上看，三矿区东部贫矿1 200 m水平到1 450 m水平，最大主应力值为13.0 ～21.1 MPa，最大主应力方向在近南北、北东到近东西之间，三个主应力差值较大(各测点主应力差值为3.7～15.6 MPa)；1 200 m水平最大主应力倾角达到-49°，倾角较大，水平应力为主导的趋势不明显。1 250 m水平、1 330 m水平最大主应力方向基本为近水平，显示为水平应力为主导；1 450 m水平最大主应力倾角达到-57°，倾角较大，水平应力为主导的趋势已不明显。取而代之的是垂直应力。

5 结论

本论文通过对金川三矿区东部贫矿1 200 m、1 250 m、1 330 m、1 450 m水平进行了现场地应力测量，通过分析计算得到如下结论：

1)金川三矿区东部贫矿1 200～1 450 m水平，最大主应力值为13.0～21.1 MPa属于中等应力水平。

2)金川三矿区东部贫矿的最大主应力与最小主应力的差值较大说明存在较高的剪切应力。

3)部分测点的最大水平主应力倾角超过20°，说明金川三矿区东部贫矿的应力作用方式已经发生改变。

4)金川三矿区东部贫矿的地应力十分复杂，地应力的状态发生改变。对于井下巷道的设计、施工都会带来一定的困难，威胁井下生产工作人员的安全。所以在未来的开采中多进行地应力测量是非常有必要的。