棉花坑矿井地应力测量及其应力状态分析

谢国森,付宏宁,宋丽霞,蒋 畅,秦旭忠,杨 帆

(1.核工业北京化工冶金研究院,北京 101149;2.中核韶关锦原铀业有限公司,广东 韶关 512329;3.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001)

地应力是造成地下工程变形及破坏的根本原因,开展地应力测量是采矿、土建等地下工程设计和施工的前提条件[1]。只有对特定工程区域地应力状态具备详细的认识,才能设计出经济、安全又实用的工程[2]。在矿山工程中,掌握地应力分布规律,可为地下硐室及巷道主轴线方向的确定及布置形状选择,地下硐室群之间合理间距的确定,以及采场稳定性评估、巷道的支护形式和支护参数确定等提供依据[3-4]。

地应力测量是研究岩体内某一点的主应力大小和方向,以此来确定地应力的状态分布、活动规律以及地应力随深度的变化规律。随着计算机和数值模拟分析的飞速发展,采矿工程逐渐变成可定量设计计算与分析的科学工程;若不了解工程区域真实地应力场,则在计算与分析中会由于缺乏边界条件的真实性和可靠性数据而与实际情况产生较大偏差[5]。构造运动及重力作用是地应力产生的根本原因,构造应力场是在多阶段构造运动和新构造活动的影响下形成的[6],构造应力的状态反映了构造现象的性质和内部关系[7]。构造运动导致地应力状态复杂多变[8];构造活动还导致岩体产生变形破坏,改变地质环境条件,诱发新的地应力积累。开展地应力现场实测是了解某一区域地应力状态的主要途径。

棉花坑矿区内有3组主要构造,分别是北东东向、北西西向和北北西向(近南北向),其中北东东向为控矿构造,北西西向既是控矿构造又是成矿构造,北北西向(近南北向)为成矿构造,区内主次构造叠加,应力状态复杂。随着开采深度的增加,井下矿岩复杂构造应力对巷道和采场围岩稳定性产生的影响日趋显现。为了准确掌握该矿山深部岩体地应力分布情况,采用空心包体应力解除法对矿区进行地应力实测,分析地应力场,以供该矿山生产设计参考。

1 应力解除法地应力测量原理

假设岩石恢复变形为线弹性变形,即当岩体受到载荷的作用和解除载荷时的应力应变加载与恢复曲线轨迹一样。因此,只要能借助空心包体传感器测出岩体卸载瞬间的弹性应变恢复量,就能由岩石的应力应变关系求解原岩应力值[9]1。

由弹性力学理论可知,可先通过与岩壁紧贴且被环氧树脂包裹在空芯包体上的12个应变片记录岩体应力解除后的弹性应变恢复量,然后通过这些应变可计算出6个应力分量,从而计算得到原岩应力[10]。

坐标系中的应力分量σr、σθ、σz′、τrθ、τθz′、τrz′与笛卡尔坐标系中的应力分量的关系见式(1)～式(6)[11-13]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:r、θ、z′和x、y、z分别是柱坐标和笛卡尔坐标系;σ—正应力,MPa;τ—剪应力,MPa;a—钻孔半径,mm;r—计算点到钻孔中心的距离,mm;θ—应变花所在极径与钻孔坐标系x轴的夹角,(°);μ—岩体泊松比。

因测量点在孔壁上,即r=a,式(1)～式(6)可简化为式(7)～式(10)[12,14-15]:

σr=τrθ=τrz′=0,

(7)

σθ=σx+σy-2(σx-σy)cos2θ-4τxysin2θ,

(8)

σz′=-μ[2(σx-σy)cos2θ+4τxysin2θ]+σz,

(9)

τθz′=2τyzcosθ-2τzxsinθ,

(10)

等式右侧含有6个在直角坐标系下的未知应力分量,等式左侧的量可由应变解除法测得。但3个方程不能求出6个未知数,所以在实测中每个点都要至少采集6个应变数据,才能在直角坐标中确定6个应力分量。

2 弹性参数测定与计算

双轴围压率定试验主要作用:1)直接测量从钻孔内取出的岩芯的弹性模量和泊松比,用于地应力场计算,保证实测结果更加准确;2)检测岩芯内空心包体中心的12个应变片的工作状态,若发现某个应变片工作异常,则在解除岩芯时剔除掉对应的应变片值,以消除应变片自身问题对地应力测量值的影响。

双轴围压率定试验步骤:1)将钻孔解除取出的完整岩芯放入装有耐油液压套的双轴腔内,空心包体应变片须置于双轴腔的中心位置,连接双轴腔与手摇式液压泵,将液压油充满手摇式液压泵。2)通过手摇式液压泵对双轴腔加压,从0开始,按每隔1 MPa逐级加压,共加压7级,每个压力下应变采集仪进行连续读数10 min,至其读数趋于稳定。3)将应变采集结果导入计算机,并画出围压与应变量的关系曲线。4)按式(11)～式(12)计算出测点解除岩芯的弹性模量和泊松比[9]3。

(11)

(12)

式中:E—弹性模量,MPa;P—围压,MPa;μ—泊松比;εθ、εj分别为环向和纵向应变;Di、Dj分别为岩芯内外直径,mm。

3 地应力测点的确定

地应力测点布置原则:1)测点通常布置在工程研究范围的矿体或围岩内,根据地质资料在对后续设计具有指导意义和代表性的位置布点;2)被测岩体应该避免破碎带,要保证岩体的完整性;3)测点要尽可能远离工程活动区;4)测点要尽可能远离断层;5)钻孔时需要上仰2～5°,以便于清理岩屑和排水。

综合考虑矿区地应力测量现场施工作业条件及矿区开拓现状,确定分别在11号勘探线的-100、-150、-200 m水平(埋深分别为615、665、715 m)各选择1个测点,共布置3个测点,每个测点进行4～5次试验,对矿区的地应力场进行测量。3个测点均布置在原岩体中,在确定测点时基本避开了断层、破碎带以及与巷道相交或拐角的应力集中区域。

应力解除法测试的各测孔钻孔参数见表1。每个测点在各自水平的具体位置见图1。

图1 地应力测点位置示意图Fig. 1 Position diagram of in-situ stress measuring points

表1 各水平测点参数Table 1 Parameters of each horizontal measuring point

表2 地应力测点DYL-150-3应变变化值Table 2 Strain variation value of DYL-150-3 at in-situ stress measuring points

4 地应力测试结果分析

4.1 绘制应力解除曲线

应力解除法地应力测量主要由两部分数据计算而成,一部分是现场实测空心包体得到的岩芯接触时释放的弹性应变恢复量;另一部分是取出来的岩芯经过围压率定后得到的数据。将这两部分数据综合计算可得出被测岩体的地应力状态。以-150 m水平的DYL-150测点第3次测试试验为例,结果见图2,ε1～ε12是现场解除压力时采集到的空心包体12个应变片的变化值。

图2 各通道应变片变形随时间变化曲线Fig. 2 Deformation curve of each channel strain gauge with time

4.2 确定弹性参数

以-200 m水平DYL-200测点第2次围压率定试验为例,计算过程:1)将围压率定试验所采集到的数据导入到Excel;2)在加载围压-应变全过程曲线上,选择一组环向和纵向应变,绘制在不同围压下的微应变变化曲线(图3);3)将不同围压下所对应的环向及纵向应变值代入式(11)～式(12),计算出被测点岩体的弹性模量和泊松比;4)按步骤3计算同一个应变花组的每个不同围压下弹性模量和泊松比及平均值;5)按步骤3计算出3个应变花组的弹性模量和泊松比的平均值(表3)。式(11)～式(12)中的εθ、εj是指取出岩(岩芯内径37 mm,外径110 mm)在地表做围压率定时,7次加压过程中分别读取的空芯包体内的环向和纵向应变数据,分别对应表3中的ε1、ε2,ε5、ε6和ε10、ε11。

图3 DYL-200-2围压率定曲线Fig. 3 Confining pressure rate fixed curve of DYL-200-2

表3 DYL-200-2弹性参数计算结果Table 3 Calculation results of elastic parameter of DYL-200-2

5 地应力测试结果分析与建议

5.1 应力计算结果

将地应力解除测量数据和岩石力学参数(弹性模量和泊松比)输入三维应力计算程序中即可求得3个测点的主应力大小、方向及倾角(表4)。矿区各测点的笛卡尔坐标系下6个应力分量见表5。

表4 各测点实测地应力结果Table 4 Geostress results measured at each measuring point

表5 各测点笛卡儿坐标系应力分量计算结果Table 5 Calculation results of stress components in Descartes coordinate system at each measuring point

根据弹性力学理论,可用表5内各测点应力分量求出各测点水平最大及最小主应力(σh,max、σh,min)、水平最小与最大主应力之比(σh,min/σh,max),以及水平最大主应力与垂直应力分量之比(σh,max/σz)。取g=10 m/s2,ρ=2.56 g/cm3,算出各测点自重应力σV,结果见表6。

表6 各测点水平最大、最小主应力及相应数据Table 6 The maximum and minimum horizontal principal stress of each measuring point and the corresponding data

5.2 应力状态分析

综合分析表4～表6结果,得出以下几点认识:1)该矿区实测的地应力最大主应力(σ1)和最小主应力(σ3)为近水平主应力,倾角为2.8～31.6°;中间主应力(σ2)为近垂向的应力,倾角为57.6～64.9°。2)该矿区实测水平方向比近垂向的应力值大,以近水平方向的构造应力在地应力场中占主导地位,3个方向主应力间的关系总体表现为σH>σv>σh,地应力结构有利于走滑断层的发育和活动。3)该矿水平最小与最大主应力之比(σh,min/σh,max)为0.3～0.4,最大主应力与垂直应力分量之比(σh,max/σz)为1.5～1.7,各测点垂直应力分量(σz)的大小与自重应力(σV)相差不大。4)各测点水平最大主应力方向具有较强的一致性,介于91.2～110.3°,可以推断该矿区地应力场水平最大主应力方向总体上为北西西-南东东方向,这一实测结果与该矿区的地质构造分布特征相吻合。

通过对测量数据进行线性拟合(图4),得到各主应力随深度(H)变化的关系,见式(13)～式(15),主应力大小随深度呈线性增长关系。

图4 主应力随局部深度变化Fig. 4 Change of principal stress with local depth

σ1=0.089H-32.551 67,R2=0.98;

(13)

σ2=0.027H-0.388 33,R2=0.99;

(14)

σ3=0.021H-5.531 67,R2=0.99。

(15)

6 结论和建议

6.1 结论

1)该矿区的地应力最大主应力(σ1)和最小主应力(σ3)为近水平主应力,倾角为2.8～31.6°,中间主应力(σ2)为近垂向的应力,倾角为57.6～64.9°。各测点水平最大主应力方向具有较强的一致性,介于91.2～110.3°,推断该矿区地应力场水平最大主应力方向总体上应为北西西-南东东方向,这一实测结果与该矿区的地质构造分布特征相吻合。

2)该矿区埋深615～715 m范围内水平最大主应力为22.5～29.8 MPa,水平最小主应力为9.8～11.0 MPa,各主应力大小随深度呈线性增长关系。实测水平方向的应力值比近垂向的应力值大,说明以近水平方向的构造应力在地应力场中占主导地位,符合浅部地壳应力分布基本规律。

6.2 建议

1)棉花坑矿井水平最大主应力方位角为90～110°,在北西西-南东东向。当前矿区内主巷布置为南北向,主巷轴线与水平最大主应力大角度相交,不利于主巷两帮的稳定,应加强支护。

2)当前开拓埋深已达800 m,属于浅部开采向深部开采过渡区间。进入深部后,应及时关注主巷帮面的稳定性,若出现较为显著的屈服破坏现象,应及时调整巷道支护方案和采矿工艺。