某矿山深部地应力特征及岩体稳定性分析

熊赞民, 王恒涛, 孙 尧

(1.中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038; 2.中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081)

1 前言

某矿目前开采最低标高为-378 m,埋深超过600 m。随着开采深度不断增加,可能引起岩爆、冲击地压、围岩大变形等工程地质问题[1-3]。因此在矿区开展原位地应力测量,掌握原岩应力场的基本特征,为合理的井巷工程设计、巷道围岩支护、地压控制等有着重要的指导意义。

地应力测量方法包括水压致裂法、套芯解除法、岩芯滞弹性恢复法(ASR)等。其中套芯解除法是20世纪70年代发展起来的能够比较准确地确定岩体中三维应力状态的方法,也是最经济合理的方法。

2 区域地质构造概况

矿山属丘陵中低山地貌,因受风化和雨水侵蚀作用,山坡坡角约为10°～35°,并形成呈树枝状的冲沟、山前谷地和中低山脉。矿区地势北东高、南西低,海拔标高307.63 m,地形最大相对高差为227.63 m。

2.1 构造

矿区所跨两个二级大地构造单元,分别是赣东北韧性剪切蛇绿岩造混杂带和泗洲庙复向斜。区内发育多组方向的断裂构造,有东西向、北东向、北北东向、北西向四组断裂,东西向断裂形成较早,多以挤压破碎带形式存在;北东向和北北东向断裂普遍发育;北西向断裂形成最晚。

2.2 地层岩性

区域出露地层有中元古界双桥山群(Pt2sh)、上元古界登山群(Pt3d)和震旦系(Z)、古生界寒武系(∈)、中生界侏罗系(J)和白垩系(K)及新生界第四系(Q)。矿体赋存于千枚岩、变石英闪长岩和石英斑岩中。

3 矿区应力场概况

由于水压致裂地应力测量仅能测出水平的二维应力,竖直应力依靠上覆岩体的重量估算,且近年来矿体深部的采掘对原岩应力场状态有影响,为进一步获取扰动后的矿区地应力状态,于2022年6月～8月期间,在矿体的-258 m中段和-378 m中段,开展了4个测点的套芯解除法地应力测量,进而获取深部矿体在开采扰动后的三维地应力状态。

3.1 套芯解除法地应力测量设备及基本原理

套芯解除法地应力测量使用的应变计简记为CSIRO型空芯包体[4],本次测试采用KX-81型空芯包体三轴地应力计,具体如图1所示。

钻孔应力解除技术,就是将一段岩石通过取芯(套芯技术)从周围岩体施加给它的应力场内隔离开来的方法,应力解除过程如图2所示。现场解除完成后,使用率定器向套取的岩芯施加围压,从而获取测点岩石的弹性模量及泊松比。

图2 钻孔应力解除过程示意图

3.2 测点选取与测量结果

经实地踏勘,将4个地应力测点分别布置在-258 m中段(3个测点,钻孔编号ZK258-1、ZK258-2、ZK258-3)和-378 m中段(1个测点,钻孔编号ZK378-1)。钻孔位于巷道旁侧,为近水平孔,倾角为上倾3°～5°;钻孔深度为巷道宽度的2.5倍以上,约为8 m,钻孔直径为130 mm。现场试验过程按照《原地应力测量水压致裂法和套芯解除法技术规范》进行[5]。各测点应变实测曲线如图3所示。

图3 套芯解除法应变实测曲线

对套孔解除取出的带包体岩芯用弹模率定器进行弹性参数率定,率定实验结果表明:矿区各测点的弹性模量约为50 GPa,泊松比约为0.25。分析计算得出矿区地应力分量及主应力的大小和方向见表1。

表1 矿区地应力测量结果汇总表

3.3 矿区地应力场分布规律

通过套芯解除法地应力实测,2个工作面4个钻孔中最大水平主应力值为14.25～20.17 MPa;中间主应力值分别为8.34～11.35 MPa;最小主应力值分别为5.67～8.68 MPa。按照套芯解除法地应力测量理论,竖直主应力可以按其上覆岩层的重力进行估算。从表1可知,全部4个钻孔测量的最大主应力、中间主应力均接近水平方向,其中最大主应力与水平面的平均夹角为4.9°,中间应力与水平面的夹角为8.9°;最小主应力为近似竖直方向。表明该区应力场状态变化很小,比较稳定,应力场状态为逆冲型。

从表1可以看出,-258 m中段3个应力测点中的最大主应力量值在15.15 MPa左右,最大主应力方向平均N42°E附近;-378 m中段应力测点的最大主应力量值为20.17 MPa,最大主应力方向N36°E附近。可以看出4个测点的最大主应力方向NNE～NEE,受矿坑及巷道开挖的影响,最大主应力方位角差异较大,各测点最大主应力方向如图4所示。

图4 各测点最大主应力方向

得到测区水平主应力随深度变化曲线如图5所示。

图5 主应力值随深度变化图

各测点的水平主应力最大值(SH)和最小值(Sh)线性回归方程如下:

SH=-9.23+0.077D
Sh=-7.14+0.052D

式中,D为钻孔深度,单位为m。

通常利用水平最大主应力与垂向应力的比值研究各测点构造应力场的特征,其中-258 m中段σ1/σ3=2.51～2.77,-378 m中段σ1/σ3=2.32。可见两个中段最大主应力与最小主应力的相差较大,其比值平均在2.54左右,会造成剪应力值相对较大。

4 岩体稳定性分析

矿井开采深度不断增加,矿山深部巷道和工作面的高应力环境易引起硬岩岩爆[6-10]、软岩大变形、冲击地压等工程灾害,严重影响着矿山开采的安全。岩爆或软岩大变形的外因是岩体开挖引起地下洞室围岩应力重新分布、应力集中造成的局部高地应力;其内因是岩石硬度,一般来讲在高应力作用下的硬岩易发生岩爆现象,而软岩则具有大变形特征。通过对现场围岩样品开展岩石力学试验,测定了岩石的力学参数,具体参数见表2。

表2 主要围岩岩石力学参数

针对较硬的英安斑岩、闪长岩,用工程区岩石单轴抗压强度Rc与巷道截面内最大主应力σmax的比值Rc/σmax作为岩爆判定标准之一[11];对于较软的石英斑岩、绢云母千枚岩,参照国内大型软岩巷道乌鞘岭巷道的大变形分级标准[12-13]确定大变形。主要围岩岩爆倾向见表3。

表3 主要围岩岩爆评价

矿山主要巷道围岩大变形等级见表4。

表4 主要围岩大变形评价

5 结论

(1)勘探区应力场主要以水平应力为主导,实测得出2个工作面4个钻孔中最大水平主应力值为14.25～20.17 MPa;中间主应力值分别为8.34～11.35 MPa;最小主应力值分别为5.67～8.68 MPa。最小主应力为竖直应力,显示出逆冲应力状态。

(2)-258 m中段3个应力测点最大主应力方向平均N42°E附近;-378 m中段应力测点最大主应力方向N36°E附近。可以看出4个测点的最大主应力方向NNE～NEE,与区域构造应力场方向近似。设计时应尽可能布置巷道长轴线与最大应力方向小角度相交,以减少硐壁的切向应力。

(3)-258 m中段σ1/σ3=2.51～2.77,-378 m中段σ1/σ3=2.32,两个中段最大主应力与最小主应力的相差较大,其比值平均在2.54左右,会造成剪应力值相对较大。

(4)通过Rc/σmax评价岩体稳定性,-258 m中段,英安斑岩、闪长岩、石英斑岩围岩属于低应力,无岩爆;绢云母千枚岩围岩大变形等级轻微。-378 m中段,英安斑岩、石英斑岩围岩为高应力,有岩爆倾向;闪长岩围岩属于低应力,无岩爆;绢云母千枚岩围岩大变形等级轻微。对于有岩爆倾向的英安斑岩、石英斑岩,测试的2个中段,岩体完整性较差,未发生岩爆。随着中段延深,需对英安斑岩和石英斑岩重点关注。