阿舍勒铜矿深部开采地应力测量及分布规律研究

2022-06-14魏超城路彦忠马青海

中国矿业 2022年6期

魏超城，张明，路彦忠，马青海，罗瑞

(1.新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司，新疆哈巴河 836700；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

0 引言

地应力是存在于地壳中的原始力，地壳的移动、褶皱、断层、褶曲、地下水位或温度变化等地质现象是地应力的直接表现[1-3]。随着矿山开采深度的不断增加，地应力显现的频率、强度均显著增加，围岩移动变形加剧，导致其自身承载能力不足，越来越难以实现自立自稳，巷道断面成型差、支护结构破坏失效、采场局部失稳等现象频现。地应力问题进一步制约矿山安全高效生产，是对深部资源开发的巨大挑战[4-7]，因此，深入开展地应力问题的研究，分析采掘活动过程中地应力分布规律，采取针对性的措施解决影响采掘安全的地压控制问题，有效化解生产过程中的各类矛盾和安全风险，对实现矿山企业的持续稳定发展意义重大[8-11]。

阿舍勒铜矿位于阿尔泰山山脉西北段南麓低山丘陵区，属火山喷发-沉积成因的黄铁矿型铜、锌多金属大型矿床。矿山采用竖井和斜坡道联合开拓，主要采用大直径深孔空场嗣后充填法和分段空场嗣后充填法开采。按照从上至下的总体开采顺序，矿山分三期建设，一期开采+400 m中段以上矿体，二期工程开采+400～0 m中段，三期继续向深部延伸，开采0 m中段以下矿体。经过多年开发建设，浅部资源储量日益减少，其中一期开采已基本结束，二期工程可采矿量也逐年降低。为保持生产的平稳过渡，目前，已实施三期开采计划，脉外运输巷道、穿脉巷道等采准工程在0～-200 m中段已基本形成，开拓工程已推进至-200 m以下水平(埋深1 100 m)，逐步进入深部开采。

阿舍勒铜矿矿体赋存条件复杂，围岩较为破碎，稳定性较差，采场和巷道难以自稳。矿山生产过程中，地压问题持续受到关注，巷道和采场变形大、围岩失稳破坏、巷道维护困难、支护成本居高不下等负面效应直接影响安全生产，对提升开采效率和安全管理水平构成了较大阻碍。

本文采用套孔应力解除法测量了-100 m中段和-50 m中段的地应力，分析了地应力分量随深度的变化规律，并拟合得到了相应的表达式，预测了-200 m的地应力，以期为矿山后续有效进行地压管控、合理开展支护设计和优化采场结构参数提供基础数据参考。

1 地应力测量方法

1.1 测量方法选择

地应力的测量方法种类繁多，依据测量基本原理的不同，国内外学者将地应力测量方法分为直接法和间接法两大类[8,12]。直接测量法是利用仪器直接测量应力、补偿应力、恢复应力、平衡应力等，通过应力量与岩体应力的关系直接计算获得应力值。该方法特点为直接测量相关应力值，且计算公式简单，具体方法包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。间接测量法是借助传感元件测量记录与应力相关的其他间接物理量，再通过间接物理量与应力的函数关系计算获得岩体应力值，其中间接物理量有多种，如岩体的变形或应变、密度、孔隙率等。该方法特点是首先要确定间接物理量与应力的函数关系，具体方法包括应力解除法、应变解除法及地球物理探测法等，其中套孔应力解除法是目前国内外普遍采用的地应力间接测量方法。

阿舍勒铜矿地应力测量采取套孔应力解除法，并采用CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计，可在单孔中测试求得测点的三维应力大小和方向。

1.2 套孔应力解除法

套孔应力解除法在目前地应力测量各种方法中精度最好[13]，该方法基本操作过程为：首先在地应力测量点，打一个Φ130 mm的钻孔，孔深为硐室或巷道断面直径的2～3倍，将孔底磨平，并在孔底打一个喇叭孔(起导正作用)，在大孔中心钻一个Φ38 mm的测量小孔，测量小孔的深度约为60 cm，然后在测孔中安装CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计，如图1所示，并引线与孔外测量仪器相接，测得初始值。

图1 CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计Fig.1 CSIRO HID Cell digital hollowinclusion stress gauge

进行孔底套芯应力解除时，在安装有空心包体应力计的小孔外，再用Φ130 mm口径的钻头同心钻进，开挖应力解除槽，在钻进过程中，导线从钻杆中心穿过，由水接头处引出与测量仪器相连，测试应力解除过程中的变化。随着应力解除槽的加深，岩芯逐渐与外界应力场相隔离，岩芯发生弹性恢复，仪器测试值随之发生变化，直至仪器读数不再变化时，停止钻进，取出岩芯。应力解除槽钻出前后仪器的读数差值即为解除读数值。通常每钻进3～5 cm深，仪器读数一次，求得仪器读数随解除深度的变化曲线，即应力解除曲线。

取出的带有测量探头的完整岩芯后(图2)，在现场或取回地表进行围压率定试验。将岩芯放进橡胶衬垫双轴室中，然后在岩芯上施加围压(图3)，随着压力的变化，仪器读数也跟着变化，根据应变读数绘出压力与仪器读数的关系曲线，即率定曲线。从率定结果可以求出岩石的弹性模量和泊松比。

图2 带有应力计的岩芯Fig.2 Rock core with stress gauge

图3 岩芯率定试验Fig.3 Calibration test on rock cores

根据现场取得的原始资料，应力解除数据和率定结果，进行资料整理，利用相关计算程序可求出最大主应力、中间主应力、最小主应力的大小、方向和倾角等参数，并可计算水平应力和垂直应力分量等数据。图4为采用套孔应力解除法地应力现场测量工艺流程图。

图4 套孔应力解除法测定工艺流程图Fig.4 Process flow chart of casing stress relief method

1.3 CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计

CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计是由澳大利亚ES & S公司生产的专用于现场监测岩石应力的仪器。区别于传统空心包体应力计，CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计包含高精度应变计和能够连续监测应变的预埋式微控制器，并通过串口连接报告数值，简化了接线工作。进行地应力测量时，应变读数在应变计上就被直接数值化，从而消除了噪声对测量结果的影响，同时克服了长距离电缆数据传输造成的信号衰减等问题。其具有操作简单、能耗低、抗干扰能力强、精度高的突出技术优势，是国际岩石力学学会(ISRM)推荐的地应力测量的仪器。

CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成3组应变，封装在已知弹性模量的空心圆筒壁内并从中引出一根12芯读数电缆(图5)，接入转换箱将应变读数转换成数字信号后，直接通过计算机接收并读取数据。空心包体应力计被环氧树脂胶结剂固化在钻孔中，可以监测套孔应力解除过程中的应力，也可以把应力计永久留在钻孔中长期监测应力随时间的变化。

图5 CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计和数据转换接收装置Fig.5 CSIRO HID Cell digital hollow inclusion stress gauge and data conversion device

1.4 测点选取原则

套孔应力解除法施工选址时需重点考虑岩体条件较好的区域，以便获取完整岩芯，尽量避开岩石破碎带和巷道应力集中区，如转弯、岔口，并远离现有生产扰动区[14-16]。为获得准确可靠的地应力资料，本文地应力测量的测点布置严格遵循以下原则：①测点尽可能靠近研究对象，并具有代表性；②测点周围岩体力求均质完整，以保证取芯的完整性及地应力测量结果的可信度；③避开应力畸变区、不稳定区及干扰源，保证测量结果的真实性；避免地质构造带(如断层)对测定值的影响；④考虑测量点是否具备水、电、高压风等条件，是否与正常生产施工相冲突，是否具备测试必要的空间(钻机支撑空间，布置仪器设备的空间等)。

1.5 地应力测量现场实施

由于阿舍勒铜矿的0 m中段的多个采场已开采结束，对其上下盘扰动较大，无合适地点进行测量。-150 m中段和-200 m中段巷道开拓工程较少，受现场条件限制，且岩体节理裂隙发育，难以钻孔取芯，通过试验，钻取的2个孔均非常破碎，因此未取出大于30 cm岩芯，根据测点选取原则，在-150 m中段和-200 m中段未进行应力计安装和地应力测量。在-100 m中段测点完成2个应力计安装和地应力测量，其中，1#孔因岩体较破碎，未取出完整岩芯，2#孔测量成功。在-50 m中段3#孔测点完成1个应力计安装和地应力测量，3#孔测量成功。表1给出了阿舍勒铜矿地应力测量的钻孔参数，其中X轴为东西走向，Y轴为南北走向。

表1 阿舍勒铜矿地应力测量的钻孔参数Table 1 Drilling parameters of ground stress measurement in Ashele Copper Mine

2 地应力测量结果与应力分析

2.1 -100 m中段地应力测量结果

图6为-100 m中段地应力测量套孔过程中输出的应力解除曲线。由图6可知，在钻孔套芯的前20 cm内，各应变片所获取的应变值较小，且由小到大呈逐渐增加趋势，说明钻孔深度已不断接近空心包体应力计的安装位置。钻孔位置越接近探头，应变值越大，可见探头记录岩石孔壁应变的灵敏度相当高。钻孔深度达到20～30 cm这一区间时，应变值有一个明显的剧增过程，然后很快趋于平稳，数值基本不再发生变化，此时钻孔已经到达空心包体应力计的安装位置，应力解除进入最关键的测量阶段，此后应变值不再发生变化，继续钻进折断岩芯，取出含空心包体应力计的岩芯，开展率定试验测量岩石特性参数。

图6 -100 m中段地应力输出应变数据Fig.6 In situ stress output strain data of-100 m middle section

将带有应力计的岩芯从钻孔取出后，放入橡胶衬垫双轴室中率定，给岩芯加围压并同时使用应变计跟踪测量，同样将测量数据导入到指定的计算程序中计算，可得到岩芯的弹性模量与泊松比。

图7为-100 m中段套的出岩芯施加围压率定过程中的输出曲线。根据现场率定试验求得-100 m中段测点岩芯的平均有效弹性模量为51.2 GPa，泊松比为0.25。

图7 -100 m中段岩芯率定输出曲线Fig.7 -100 m middle section core calibration output curve

综合考虑应力解除试验数据和岩石特性试验数据一并导入分析程序中进行计算，得到地应力测量结果见表2。由表2可知，-100 m中段测点的最大主应力为42.0 MPa，方向为251°，倾角12°，接近水平方向；中间主应力为30.2 MPa，方向为162°，倾角3°，接近水平方向；最小主应力为25.9 MPa，方向为266°，倾角78°，接近竖直方向。因此，阿舍勒铜矿-100 m中段的地应力以水平应力为主导。

表2 -100 m中段测点原岩应力测量结果Table 2 Measurement results of original rock stressat -100 m middle section

2.2 -50 m中段地应力测量结果

图8和图9分别为-50 m中段地应力测量套孔过程中输出的应变数据曲线以及取出岩芯施加围压率定过程中的输出曲线。根据现场率定试验求得-50 m中段测点岩芯的平均有效弹性模量为48.46 GPa，泊松比为0.27。

图8 -50 m中段地应力输出应变数据Fig.8 In situ stress output strain data of-50 m middle section

图9 -50 m中段岩芯率定输出曲线Fig.9 -50 m middle section core calibration output curve

将应力解除试验数据和岩石特性试验数据导入分析计算程序中，得到-50 m中段的地应力测量结果(表3)。由表3可知，-50 m中段测点的最大主应力为41.4 MPa，方向为243°，倾角11°，接近水平方向；中间主应力为28.2 MPa，方向为333°，倾角2°，接近水平方向；最小主应力为24.5 MPa，方向为230°，倾角79°，接近竖直方向。因此，阿舍勒铜矿-50 m中段的地应力以水平应力为主导。

表3 -50 m中段测点原岩应力测量结果Table 3 Monitored ground stress of the -50 m middle section

2.3 应力分量随深度的变化规律

为了方便分析地应力分布状态，以正西方向为X轴方向，正南方向为Y轴方向，竖直向下为Z轴方向，将此次测量地地应力以及前期在300 m、200 m和100 m中段测得的地应力(所采用的测量方法与-100 m和-50 m中段的方法完全相同)进行坐标转化，得到当前坐标系下的应力分量分别为σx、σy和σz(表4)。由表4可知，不同中段的水平应力分量(σx和σy)均大于竖直应力分量(σz)，且东西方向(X轴)的应力分量大于南北方向(Y轴)的应力分量，表明阿舍勒铜矿的地应力由水平应力主导。另外，根据表4数据可计算得侧应力系数(水平应力与垂直应力之比)为1.5左右。