黔西南锦丰金矿地应力测试及分布特征研究

2022-07-11左宇军林健云郑禄璟陈庆港金开玥

贵州大学学报(自然科学版) 2022年4期

左宇军，荣鹏*，林健云，郑禄璟,2，潘超，陈庆港，金开玥,2

(1.贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025；2.贵州锦丰矿业有限公司，贵州黔西南布依族苗族自治州 562200)

地应力是由岩体重力、地质构造运动、地层结构、万有引力、外部荷载等所引起的[1]。随着浅部矿产资源日益枯竭，矿产资源的开采深度正逐年增加。对于深部岩体工程，地应力的大小、方向及地下岩体本身特性直接决定了巷道围岩应力、变形与破坏的空间分布特征及稳定程度[2]。随着开采深度的增加，应力环境变得极为复杂，巷道围岩的力学行为与浅部存在明显差异，造成巷道围岩出现非均称的变形失稳破坏问题，对深部矿产资源的开发带来重大安全隐患。因此，对深部岩体进行原位地应力测试，掌握深部地应力场分布特征及其影响因素，可为深部巷道围岩稳定性控制研究提供可靠的数据支撑。

国内外学者对地应力场测量及分布特征进行了大量研究。康红普等[3]收集了大量中国煤矿矿区的地应力数据，建立了我国首个井下地应力数据库，并对矿区井下地应力分布特征和主控因素进行了分析，取得一系列研究成果。赵德安等[4]将我国578组地应力实测数据进行统计和拟合，总结出了σz/σH值随深度的变化规律。李鹏等[5]对中国金属矿区165组地应力测量数据进行优化处理，讨论了地应力对矿区断层稳定性的影响，得出了不同埋深下地应力对断层的影响规律。文献[6-8]利用空心包体应力解除法对我国不同矿区进行了地应力测量，结合应力场与地质构造关系分析了地应力场分布特征及其对巷道围岩稳定性的影响。王社光等[9]根据研究区内地质资料及地质构造特征，采用理论分析、三维地质建模和数值模拟的方法进行了地应力场反演研究。GUO等[10]通过地应力测量，获得了研究区地应力分布特征，基于弹性力学原理计算了理想巷道在地应力作用下的力学效应，分析了巷道的应力、位移和塑性区分布特征。LI等[11]为了解决深部巷道开挖过程中围岩失稳问题，利用FLAC3D数值模拟软件建立三维数值模型，系统分析了不同地应力分布形式对巷道围岩稳定性的影响。荣海等[12]针对某矿巷道变形严重问题，采用应力解除法对该矿进行了原位测试，获得地应力场分布特征，并应用地质动力区划法进行了应力区划分和巷道围岩稳定性分析。

黔西南锦丰金矿开采深度为750 m至-250 m，矿体最大埋深在900 m以上。随着开采深度逐步增加，区域地应力明显增高，巷道围岩失稳问题日益突显。针对黔西南锦丰金矿开发过程中面临的矿体赋存状态复杂、围岩稳定性差等问题，结合研究区域的具体地质背景和相关实测数据资料，通过现场实测和数值模拟的方法，开展锦丰金矿深部地应力分布特征及影响因素研究，对寻求合适的巷道支护方式，解决喀斯特地区高地应力巷道围岩稳定性及控制技术问题，以及指导矿产资源开采和促进矿山安全高效生产具有重要的理论和现实意义。

1 工程地质构造背景

锦丰金矿位于中国贵州省黔西南布依族苗族自治州，是中国西南地区目前已探明的最大的卡林型金矿床(Carlin-type gold deposit)。该矿采用露天开采和井下开采的联合开采方式。由于浅部资源枯竭，目前露天开采已经结束，转为井下开采。随着井下作业不断向深部发展，岩体赋存条件变得极为复杂。

锦丰金矿地面标高平均在680 m，矿体最大埋深约为-250 m水平，目前开采水平为30、90、150 m中段。该矿区地层主要为三叠系中统边阳组(T2by)、尼罗组(T2nl)、许满组(T2xm)及三叠系下统罗楼组(T1ll)，岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和灰岩为主。其中边阳组下部为主要的含金层位，岩性以中厚层状砂岩、粉砂岩为主，夹薄至中厚层状泥岩，或砂岩、泥岩呈韵律性互层[13]。

矿区地质构造发育，主要有NW、NE及NS向三个走向组，如图1所示。NW向组主要有F3、F5、F8、F20，分布于矿区中部及北部，为矿区主体构造；NE向组断裂构造主要为F2；NS向组见于矿区西侧，有F1、F9、F7等。其中F2、F3、F8为矿区的控矿断层，NW向断层F3、F8被NE向断层F2切割。

图1 锦丰金矿地形地质图Fig.1 Topographic and geological map of Jinfeng Gold Mine

2 地应力现场测试及数值试验

2.1 地应力测量方法

目前，人们主要是通过现场实测的方式获得地应力的分布状态。各国学者提出了近百种地应力测量方法，按照测量原理可大致分为五类：基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地球物理方法、地质学方法、基于地下空间的方法[14]。每种测量方法有各自的适用背景，就矿山地应力测量来说，通常采用应力解除法、水压致裂法和声发射法。综合考虑锦丰金矿现场地质条件，地应力原位测试采用空心包体套孔应力解除法。该方法因测量结果准确、操作简单便捷和可靠性高等显著特点被广泛采用。

测试使用CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计。该仪器具有操作简单、能耗低、抗干扰能力强、精度高的突出技术优势，是目前使用较为广泛的地应力测试仪器。该仪器可在单孔中求得测点的三维应力大小和方向，测定的主应力误差<3%，方向误差为2～4°，其结构示意如图2所示。

1—安装杆；2—定向器导向；3—定向器；4—读数电缆；5—定向销；6—密封圈；7—环氧树脂筒；8—空腔；9—固定销；10—孔壁与应力计之间的空隙；11—柱塞；12—钻孔;13—出胶小孔;14—密封圈;15—导向头;16—应变片；A、B、C为三组应变花。图2 空心包体应力计结构示意图Fig.2 A sketch showing the structure of hollow inclusion gauges for in situ stress

2.2 测点布置

地应力测量是在已完成开挖的巷道内进行。由于巷道开挖打破了岩体原有的应力平衡状态，因此，采用应力解除法测量地应力时，传感器安装位置应处于影响范围之外的原岩应力中，一般为3～5倍巷道半径的距离，其测量钻孔结构如图3所示。除此之外，测点应尽可能靠近研究对象，使其具有代表性；测点周围岩体应尽量均质完整，以保证取芯的完整性及测量结果的可靠性；避开正在施工的巷道和硐室，避免不稳定区和干扰源对测量结果产生影响；避免地质构造带(如断层等)对测量值的影响[1]。根据以上测点布置原则和现场实际情况考察，对锦丰金矿90 m、150 m中段的适当位置进行了测点布置，其中，1#测点布置在90 m中段，2#测点布置在150 m中段，各测点钻孔参数如表1所示。

图3 地应力测量钻孔结构示意图Fig.3 Drilling structure diagram of the in-situ stress-measuring

表1 地应力测点及钻孔技术参数Tab.1 Observing stations of in-situ stress and drilling parameters

2.3 地应力解除实验

通过在测量钻孔内钻取含有应力计的岩芯，可以得到岩芯在解除应力作用下的应变数据。基于测量数据，通过理论公式计算测点的应力分量，最终得到测点地应力的赋存状态。因此，获取岩芯在解除应力作用下的稳定应变数据是准确计算测点地应力大小和方向的前提。传感器获得的数据为微电压数据，由计算程序将其转换成微应变数据，并绘制出应力解除曲线。90 m、150 m中段测点应力解除曲线如图4所示。从应力解除曲线可以看出，每一组曲线大致分为低应力影响区、弹性区和应变稳定区3个阶段。

图4 测点应力解除曲线Fig.4 Stress relief curve of measuring points

2.4 岩石物理参数确定

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跟踪测量变化数据，同样将测试数据导入到指定的计算程序中进行分析计算，可得到岩芯的弹性模量与泊松比。但在本次测量中，90 m、150 m中段的测点所套取岩芯长度未达到试验要求(大于10倍小孔直径，约40 cm)，无法进行岩芯率定试验，因此采用岩石力学试验测定岩石弹性模量和泊松比。为保证试验数据的准确，从岩芯库中取出8～12 m岩芯，岩芯位置基本与地应力测试传感器安装位置一致，岩性为砂岩。岩芯经切磨加工制备成标准试样(共6件)，由全数字型液压伺服刚性岩石力学试验系统测定试验参数，结果如表2所示。

表2 弹性模量和泊松比试验结果Tab.2 Experimental results of elastic modulus and Poisson’s ratio

2.5 数值试验

在地下岩体工程实践中，地应力现场实测是获取研究区地应力场分布特征最直接、最精确的方式，但存在测量成本高、测点数量有限、测量结果离散性大等诸多局限性。此外，由于地质构造发育，地应力成因复杂，加上岩体的非均质性等因素，测点结果仅能反映该点的局部范围内应力状态，不足以说明区域地应力场分布特征。结合研究区域的具体地质背景和相关实测数据资料，利用有限差分软件进一步分析地应力场分布特征影响因素。

根据锦丰金矿地质地形图及剖面图等资料，掌握研究区地层分布及地质构造特征，结合地应力实测点空间位置，确定模型范围。模型原点坐标为(587 000，2 782 000，0)，Y方向为正北向。x,y,z轴的计算范围分别为0～1 200，0～940，0～732 m。基于MIDAS GTS有限元软件，考虑研究区控矿断层F2、F3、F8建立三维地质模型，实际矿区与三维地质模型如图5所示。

图5 实际矿区与三维地质模型Fig.5 Actual mining area and 3-D geological model

对三维地质模型进行网格划分，网格类型为四面体单元，共划分55 810个节点，305 616个单元(图6)。通过接口文件，将建立好的网格模型导入到FLAC3D数值模拟软件，结合实测地应力数据，采用边界荷载调整法对模型初始地应力场进行计算，使数值计算结果趋近于实测值。模型水平方向x、y设为混合边界条件；z方向顶部为自由边界条件，底部为位移约束条件。重力加速度设为-9.8 m/s2，模型收敛条件默认为Mech.Ratio≤1.00×10-5。岩体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。结合岩石力学试验与工程地质条件，研究区物理力学参数如表3所示，断层区域的处理采用弱化材料属性的方法[15]。

表3 岩体物理力学参数Tab.3 Mechanical parameters of rock mass

图6 三维网格模型Fig.6 3-D mesh model

3 结果与分析

3.1 地应力测量结果

根据应力解除作用下获取的测点应变数据及力学试验测得的弹性模量和泊松比，通过式(1)—(3)[16]进行计算，得到实测地应力的应力分量大小及方向，计算结果见表4及表5。

(1)

(2)

(3)

式中：ερ,εφ,γρφ分别为径向应变、环向应变和切应变；σx,σy,σz分别为各方向正应力，MPa；τxy,τyz,τzx为切应力，MPa；θ为应变片角度；k为修正系数(k1=1.15，k2=1.16，k3=1.10，k4=0.93)。

表4 地应力测试主应力计算结果Tab.4 Principal stress results of in-situ stress measurement

表5 地应力测试分量计算结果Tab.5 Results of stress component

3.2 地应力分布特征

由实测数据可知：矿区测点属于中高等应力水平，90 m、150 m中段埋深在523～590 m，垂直应力为14.6～17.3 MPa；若以上覆岩层平均容重为27 kN/m3计算，实测σz基本等于上覆岩层重量γH。90 m中段σ1与σ3差值较大，表明开采区岩体内剪应力值相对较大，巷道易发生剪切破坏。150 m中段测点最大主应力和中间主应力均接近水平位置，其与水平面的夹角小于15°；最小主应力位于接近垂直的平面内，其与铅垂面的夹角小于25°。水平应力大于垂直应力，其中σy为垂直应力σz的1.43倍，σx为垂直应力σz的1.17倍。各测点最大主应力方位角处于187～245°，整体呈NE-SW向。

锦丰金矿位于右江盆地西北部，毗邻扬子陆块边缘，矿区可分为台地和盆地2个构造单元。西部台地由石炭-二叠系灰岩组成，东部盆地由一系列强烈褶皱和陆源碎屑岩组成。矿区东部碎屑岩盆地区以NS、NE向造山型线性褶皱为主，NE向次级小褶皱叠加在NS向主体褶皱之上。根据区域地质构造背景、矿区地质构造以及开采区内次级褶曲方向，总体可以推断研究区域构造应力为NE-SW向，与实测地应力场分布方向基本一致。

利用数值模拟软件计算得到精确满足实测地应力数据的地应力场，通过FISH语言编程，计算得到研究区垂直应力等值线图，90 m 、150 m中段平面最大主应力等值线图，如图7所示。

图7 应力等值线图Fig.7 Contour map of stress

由图7可知：岩层的最大垂直应力σz为13～18 MPa。锦丰金矿地处黔西南喀斯特地区，地形地貌崎岖复杂，加上矿区前期开采方式为露天开采，地下采区上部存在巨大露天矿坑。在地应力实测中，测点1#相较于测点2#埋深只增加67 m，垂直应力却相差2.7 MPa。通过对实测数据与数值模拟计算结果进行综合分析，可以认为，这是由于局部的地形差异而导致的应力集中现象。因此，地形地貌的差异性对垂直应力分布具有一定影响。同时，研究的3条断层所在区域应力值明显降低，断层带相较于周围岩体应力水平降低了约0.4～0.6 MPa，说明断层对地应力产生一定的影响，破碎的断层带释放了部分应力。150 m中段平面岩层的σ1值为15～21 MPa，其中大部分区域在15～19 MPa；90 m中段平面岩层的σ1值为17～23 MPa，大部分区域在17～20 MPa，属于中高等应力水平。总体来看，最大主应力随埋深的增加有增大的趋势，东、西部较中部稍大。