金川龙首矿西二采地应力状态分析_孙林.pdf

金川龙首矿西二采地应力状态分析 孙林 1， 2， 3 吴满路 1， 3 张超 4， 5 顾金钟 4， 5 马建龙 4， 5 （1. 中国地质科学院地质力学研究所， 北京100081； 2. 中国地质大学 （北京） 研究生院， 北京100083； 3. 自然资源部新构造运动与地质灾害重点实验室， 北京 100081； 4. 金川集团股份有限公司， 甘肃 金昌737100； 5. 镍钴资源综合利用国家重点实验室， 甘肃 金昌737100） 摘要为保证龙首矿西二采区开采和支护工程的顺利实施， 在龙首矿西二采区1 430 m、 1 514 m、 1 610 m3个 中段巷道上， 采用空心包体应力解除法进行地应力测量， 共获得6个测点三维应力测量数据， 同时绘制各个测点不 同法线方向的截面应力椭圆。结果表明 在井下100～280 m深度范围内， 最大主应力量值约为10～14 MPa， 属于中等 应力水平； 测点2、 5、 6最大主应力量值与最小主应力量值差值较大， 范围在8.2～11.2 MPa； 地应力状态特征参数KHh、 KHV、 Kav分布范围分别为1.43～4.81、 1.06～3.1、 0.88～2.28， 基本在先前的参数研究范围内； 各测点最大水平主应力大于 垂直应力， 构造力处于主导地位， 但从各测点主应力与水平面的夹角大小可知， 非水平应力场特征开始出现， 显示该 区应力特征的复杂性； 最大主应力的方向为NNE、 NWW2组， 优势方向为NNE向， 至于NWW方向是否可能成为西二 采区新的最大主应力的优势方向还需进一步进行地应力测量工作方可得出结论。 关键词采矿工程地应力测量空心包体应力解除法应力状态特征 中图分类号TD311文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-015-05 DOI10.19614/ki.jsks.201904004 In-situ Stress State Analysis in the Secondary West Mining Area of Jinchuan Longshou Mine Sun Lin1， 2， 3Wu Manlu1， 3Zhang Chao4， 5Gu Jinzhong4， 5Ma Jianlong4， 5 （1. Institute of Geomechanics， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing 100081， China； 2. Graduate School， China University of Geosciences， Beijing 100083， China； 3. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard， Ministry of Natural and Resources， Beijing 100081， China； 4. Jinchuan Group Co.， Ltd.， Jinchang 737100， China； 5. State Key Laboratory for the Comprehensive Utilization of Nickel and Cobalt Resources， Jinchang 737100， China） Abstract In order to guarantee the smooth construction of the mining and supporting engineering in the secondary west mining area of Jinchuan Longshou Mine，an hollow inclusion stress relief was adopted to obtain three dimensional stress data of 6 measuring points at the three horizontal roadways of 1 430 m， 1 514 m， and 1 610 m， and the section stress- ellipses at different normal directions of each site was drawn. The results showed that the maximum principal stress value is about 10～14 MPa in the depth range of 100-280 m underground，and it belongs to the medium stress level；The difference between the maximum and the minimum principal stress values in the measuring points of 2，5，and 6 are relatively large， within the range of about 8.2～11.2 MPa；The KHh，KHV，and Kavof stress characteristic parameters are distributed within ranges of 1.43～4.81，1.06～3.1，0.88～2.28，respectively，and these are basically within the previous scopes；The maximum horizontal principal stress at each measuring point is higher than the vertical stress，and the tectonic stress is dominant in this region. However，according to the angle between the principal stress and the horizontal plane，it can be seen that the characteristics of the non-horizontal stress field begin to appear，indicating the in-situ stress in this area are complex；The directions of the maximum principal stress include two groups NNE， the dominant direction， and NWW， of which the possi- bility in becoming the dominant direction of the new maximum principal stress， needs further in-situ stress measurement. 收稿日期2019-02-20 基金项目金川集团有限公司重点科技项目编号 金科矿 2016-11 ， 中国地质科学院地质力学研究所基本科研业务费项目 （编号 DZLXJK201706） 。 作者简介孙 林1995， 男， 硕士研究生。通讯作者吴满路 （1968） ， 男， 研究员， 硕士研究生导师。 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 15 ChaoXing 金属矿山2019年第4期总第514期 KeywordsMining engineering， In-situ stress measurement， Hollow inclusion stress relief ， Stress state charac- teristics 地应力是指地层中未受到工程扰动的天然应 力， 是引起各种地下开挖工程变形和破坏的根本作 用力。地下工程的开挖与设计， 必然会使一定范围 内岩体中应力发生重分布现象。其中， 地应力高的 地方则容易引起岩爆、 变形、 位移或其他工程地质问 题。因此， 了解地应力状态， 对地下岩体工程结构的 设计和施工具有重要意义 ［1-2］。 地应力测量方法较多， 目前应用较多的为水压 致裂法、 套芯应力解除法、 应变恢复法。其中套芯应 力解除法可分为空心包体应力解除法和压磁应力解 除法 ［3］。国内专家学者就上述方法进行了大量的研 究工作， 并取得了一定成果。康红普等 ［4］曾采用小孔 径水压致裂法， 在山西省多矿区开展了应力测量工 作， 得出山西省煤矿矿区井下应力场分布特征与变 化规律。蔡美峰等 ［5］通过水压致裂法对山东万福矿 区进行了深部地应力测量， 并分析了应力场分布规 律与地质构造的关系。陈群策等 ［6］通过水压致裂法 对中国南海海域北部地区进行了应力综合分析， 为 该区域地应力状态提供了更为深入的研究。吴满路 等 ［7］利用压磁应力解除法在青藏高原腹地进行应力 实测工作， 为青藏高原的应力活动研究提供了有价 值的数据。王连国等 ［8］、 王炯等［9］应用空心包体应力 解除法在霍州矿区、 红阳矿区进行地应力测量， 并对 矿区的稳定性进行了数值分析。孙东生等 ［10］利用非 弹性应变恢复法和钻井诱发裂缝方法确定了塔里木 盆地7 km深部地应力状态， 使得我国在深部地应力 测量领域取得突破性进展。本次地应力测量采用空 心包体应力解除法， 测试原件为KX-81型空心包体 三轴应力计， 该方法目前在矿山及地下硐室等工程 建设中得到广泛应用， 并取得良好效果 ［11］。 金川是中国的镍都， 拥有我国最大的铜镍矿床， 同时也是世界闻名的多金属共生硫化铜镍矿床之 一。矿区于 1958 年发现于龙首山下， 长 6.5 km、 宽 0.5 km的范围内。已探明的矿石储量为5.2亿t， 伴生 的可回收利用的稀有金属多达14种， 其中镍金属储 量为世界同类矿床第三位， 铜金属储量居中国第二 位。龙首矿是金川矿区最早开发的矿山， 镍金属含 量约占矿区的17， 自东向西依次为东采区、 中采区、 西采区。其中， 东、 中采区以富矿为主， 西采区以贫 矿为主。近些年来， 在矿区富矿体开采面积逐渐缩 小的影响下， 西采区贫矿体也相继开采。为了保证 龙首矿西二采区开采和支护工程的顺利实施， 本研 究在龙首矿西二采区1 430 m、 1 514 m、 1 610 m3个中 段进行了系统的地应力测量， 获得了不同深度的应 力分布状态， 为龙首矿西二采区巷道的合理设计和 安全生产提供重要的依据。 1矿区地质构造概况 金川矿区地处甘肃西部伸展约为200 km的龙首 山脉东段。龙首山所隆起的断裂带位于塔里木地台 与华北地台的相接部分阿拉善地块， 其南部是 与北祁连山褶皱带相邻的河西走廊盆地， 西为塔里 木地台， 北侧则为中生代形成的潮水沉积盆地。矿 区大地构造体系位置位于由燕山运动以来， 祁连山、 吕梁山、 贺兰山形成的山字形西翼褶皱带北缘。中、 新生代时期， 矿区周边呈现显著的不均匀升降， 形成 以龙首山上升， 南部的河西走廊地带下降， 北侧的潮 水地区沉降凹陷的构造应力格局。矿区在经历晚加 里东期、 印支期燕山期以及喜马拉雅期等构造运 动后使得矿区构造发展变得十分复杂， 形成一系列 断裂带。西二采区位于矿区F8断裂带北部， F8断层走 向近 EW， 倾向 S， 倾角约 75 。断裂带全长约为 3 km， 带内挤压透镜体发育， 这些对矿区内岩石的完整 性影响较大 ［11-13］。 2西二采区现场地应力测量 2. 1地应力测点布置 为了解龙首矿西二采区岩体的应力状态， 为矿 山开采及合理支护提供必要的参数和科学依据， 开 展了本次空心包体地应力解除测量工作。经多次现 场踏勘， 并综合考虑现场岩石条件、 施工条件， 最终 选取6个地应力测点 1 430 m中段5行和7行、 1 514 m中段10行和11行、 1 610 m中段9行和11行。6个 测点的选取大都避开了岩石破碎带和应力集中区。 各测点平面布置如图1所示。 2. 2地应力解除试验 本次采用的KX-81型空心包体式三轴地应力计 是利用孔壁应变解除法得到测点的三维应力状态。 该应力计由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组 成。通过环氧树脂胶与小孔内壁耦合， 从而测得孔 壁的受力变形情况。为使应力计与孔壁粘结完好， 需做好小孔孔壁的清洁工作， 及严格控制小孔直 径。由于嵌入环氧树脂筒中的电阻应变片对外界温 度的变化较为敏感， 而解除试验过程由于温差变化 大， 容易产生温度附加应变值。为解决这一问题， 本 项目采用循环水同步温度补偿法， 在解除试验前把 16 ChaoXing 孙林等 金川龙首矿西二采地应力测量及应力状态分析2019年第4期 温度补偿探头放入水中， 使补偿片和工作应变片处 于相同的温度环境。解决了传统方法中补偿应变片 和工作应变片所处环境差异所带来的误差， 该方法 提高了测量精度， 在多次现场试验中取得了较好的 效果 ［11， 14］。图2所示为测点3的应力解除曲线。 2. 3围压率定试验 现场解除试验结束后， 需将解除后的岩心放入 围压器中， 进行围压率定试验， 本次6个测点的最高 标定加压均为8 MPa。通过对岩心进行围压率定试 验， 可得到岩心的弹性模量参数和泊松比， 进而得到 各测点应力值 （表1） ， 以便更好分析应力状态。图3 所示为测点3的围压率定曲线。 3地应力测量结果与分析 3. 1地应力测量结果 通过空心包体应力解除法在龙首矿西二采区共 进行了6个测点地应力测量。表1给出了各测点三 维主应力值及其方向和倾角， 表2给出了各测点水平 主应力值、 垂直应力值及其特征参数， 表3给出了各 测点不同法线方向的截面应力椭圆。 3. 2西二采区应力状态特征分析 （1） 基于表1数据可知， 龙首矿西二采区6个测 点中最大主应力值范围约10～14 MPa， 说明在这一范 围深度内最大主应力量值比较稳定。在同一水平段 得到的最大主应力量值基本相近， 其差值范围约为 0.5～1.2 MPa， 属于正常范围。 （2） 由表1中各主应力倾角可知， 6个测点中有4 个更接近于非水平应力场特征 ［2］， 从地壳浅部多水平 17 ChaoXing 应力场分布特征来看， 西二采区应力作用方式已 发生变化； 最大主应力方向的分布范围为 N87 W～N20 E， 主要分为NWW和NNE2组， 同一水平段 最大主应力方向分布较为集中。 （3） 表2中所列举的应力特征参数通常用来表征 地壳浅表层应力状态［15］ KHhσH/σh、 KHVσH/σV、 Kav （σHσh） / （2σV） 、 μm （σH-σh） / （σHσh） 。KHh、 KHV、 Kav的 分布范围分别为1.43～4.81、 1.06～3.1、 0.88～2.28。KHh 值随深度的增加总体呈减小的趋势。KHV符合景锋 等 ［16］研究的中国大陆地区K HV的变化范围， 表现为接 近地表较分散。Kav在Brown和Hoek所统计出的全球 地应力测量所绘制的侧压系数分布规律的范围内 ［17］， 但本区比值偏小。μm反映水平面内剪应力的相对大 小， 根据王艳华等 ［18］描述在深度小于500 m时， μ m的 取值范围在0～0.5之间， 本区数值较为吻合。 （4） 表3中列出了各测点不同法线方向的截面应 力椭圆， 从中可见测点1、 3、 4附近剪切应力较大， 容 易出现剪切破坏， 需要加强该区域巷道支护。 （5） 通过对测点应力值进行回归分析， 得到拟合 方程式分别为 σH6.8430.019H、 σh2.4070.012H、 σV2.5890.022H。从图4可看出各应力值均随深度 的增加基本呈增大趋势， 但同一深度不同巷道间各 应力差值较大。其中1450-5行、 1450-7行， 各中间主 应力和最小主应力差值分别达到6.1 MPa， 5.7 MPa， 各最小水平主应力和垂直主应力差值分别达到5.1 MPa， 5.7 MPa。这可能与地下工程和巷道结构的影 响有关。 4结论 本研究采用空心包体应力解除法在龙首矿西二 采区开展了地应力测量工作， 获得了3个中段6个测 点的地应力数据， 通过分析， 得到以下结论 （1） 西二采区深度为100～280 m的最大主应力值 约为10～14 MPa， 属于中等应力水平， 显示西二采区 应力强度较龙首矿主矿区低。 （2） 从地壳浅部多水平应力场分布特征来看， 西 二采区6个测点中， 只有2个测点的应力状态接近水 平应力场分布， 显示西二采区应力作用方式已发生 变化。 （3） 西二采区最大水平主应力、 最小水平主应 力与垂直应力均随深度的增加呈增大趋势， 地应力 状态特征参数 KHh、 KHV、 Kav分布范围分别为 1.43～ 4.81、 1.06～3.1、 0.88～2.28， 基本在先前的参数研究范 围内。 （4） 西二采区非水平应力场特征的出现， 使得该 区地应力状态的复杂性变得更加显著。此外， 还应 在矿区开展应力监测工作， 以获得中长期地应力变 化的规律， 为西二采区巷道的合理设计和安全生产 提供重要的依据。 参 考 文 献 王连捷， 潘立宙， 廖椿庭， 等.地应力测量及其在工程中的应用 ［M］ . 北京 地质出版社， 1991. 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