某金属矿深部原岩应力测量及地应力场分布规律研究

张君鹏 ，詹进 ，于涛 ，陆宇超

(1.招金矿业股份有限公司 大尹格庄金矿， 山东 招远市 265414；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012)

0 引言

原岩应力测试的方法比较多，为了防止测点周边的围岩稳定性被破坏，使其物理力学性质变化较大，影响原岩应力测试结果的准确性，可从暴露的岩层表面向岩体的内部打小孔，直至岩层内部区域[1]。原岩应力测试是在小孔中安装测试传感器。相对而言，小孔对原岩应力测试区扰动较小，能准确掌握矿区的原岩应力状态。随着测试方法的不断发展，国内矿山主要采用应力解除法和水压致裂法。近年来，在岩石力学科研领域，运用原岩应力测试结果，建立开采矿区的应力应变模型，为准确预测矿区的应力分布状态提供了科学的方法[2]。

随着原岩应力测试理论研究和测试设备不断发展，岩石力学的测试方法非常多。水压致裂法和应力解除法是国内矿山科研中最常用的原岩应力测试方法[3-4]。近年来，学者们针对原岩应力测量进行了深入而广泛的研究，李长洪等[5]采用应力解除法（温度补偿）对大同某矿区进行原岩应力测试，并结合原岩应力测试结果与地质构造的资料进行了科学的应力分布分析；蔡美峰等[6]采用多点测量对比分析对玲珑金矿深部进行了试验，并研究分析了整个矿区地应力场的分布；乔兰等[7]针对三山岛金矿的浅部矿区进行了原岩应力测试，通过分析结果，构建了地应力模型;王双红等[8]详细研究了套孔应力解除法的测试，并深入分析测试结果；杨悦增等[9]利用原岩应力场的相关数据，对崩落法采场和充填法采场之间隔离矿柱回采过程中的稳定性进行精细分析，取得了理想的科研成果。本研究以某金属矿为例，采用钻孔套芯应力解除法，对矿区相关巷道进行了地应力现场测试。

1 矿山概况

某矿区地处低山丘陵区，绝对高度为127.60～197.66 m，第四纪地层覆盖较广，薄家河为区内主要河流，流经矿床东部，属间歇性河流。沿河床第四系地下潜水水量丰富。本矿床矿体埋藏于地面200 m以下，为盲矿体。区内构造活动强烈，早期以韧性变形构造为主，中生代以后以脆性断裂发育为特征。

2 原岩应力测试

本次研究采用常用的套孔应力解除法测试矿区原岩应力。空心包体地应力测量使用CSIRO HID Cell数字式空心包体应力计，通过测量测点的三维应力大小和方向，计算得出原岩应力的测试结果，测定的主应力误差为＜3%，方向误差为2°～4°。

2.1 测点布置

由于在不同位置的地应力状态的复杂性和多变性，同一水平各测点的测试结果可能相差较大。为到达测试的最佳效果，选择在矿区2#矿体的-736 m二分段、-796 m一分段、-900 m一分段和1#矿体的-616 m南大运输巷、-496 m中段各巷道内进行地应力现场测试。各测点参数见表1。

表1 测点坐标及覆岩厚度

根据测试要求，主要的工程量是同心圆的大、小孔，其中每个测点：大孔Φ130 mm，孔深7～10 m，与大孔同心小孔 Φ36～38 mm，孔深 0.4～0.6 m。

2.2 测试步骤

原岩应力测试主要技术流程分9步：打大孔、孔底磨平、打小孔定位孔、打小孔、清洗小孔及吹干、试安装、安装应变计探头、固定应变计探头、套孔解除。具体钻孔施工步骤见图1。

图1 原岩应力测试钻孔施工步骤

2.3 测试结果以及应力分布分析

将数据导入计算程序的 EXCEL宏中，通过EXCEL数据计算转换，得出原岩应力测试的结果，并得出直观的应力解除曲线，见图2、图3。由图2、图3可知，应力解除初期，数值变化较小，数值变化率逐步增加，说明钻孔深度已不断接近空心包体应力计的安装位置[10]。测量探头灵敏度逐渐增加，说明应力解除的位置已到空心包体探头的位置。随着钻孔深度的增加，应变值变化率明显增大，然后进入平稳的状态，最后应变值不再发生变化，这说明解除的位置已经到达空心包体应力计的安装位置。继续施工推进钻孔，最终钻进折断岩芯，取出含空心包体应力计的岩芯，套孔应力解除第1阶段的工作结束[11]。

图2 应力计在套芯过程中的输出曲线（-796中段K3）

图3 应力计在套芯过程中的输出曲线（-900中段K4）

套孔应力测试效果较好，测试结果的曲线规律与理论分析的相关规律性接近，表明此次试验是成功的。

利用橡胶衬垫双轴室对已取出应力计的岩芯进行率定，给岩芯加围压并测试其应变的变化，同样将测试数据导入到指定的EXCEL宏中计算，可得到岩芯的弹性模量与泊松比[12]。综合以上测试的数据，通过分析计算得到地应力测量结果，见表2～表4。

表2 原岩应力测试结果

表3 应力分量测试结果

表4 岩层侧压系数计算结果

由表2～表4可知，最大主应力方向以偏北为主。排除K6孔测量数据，由于近地表开拓工程影响较大，垂直主应力多接近于中间主应力方向和数值。各测点的最大、中间、最小主应力随着埋深逐渐增大，最大主应力变化率最大，中间、最小主应力变化率较小，说明浅部构造应力对原岩应力测试结果影响较大。

3 结论

（1）矿区原岩应力场受水平构造应力影响为主。

（2）各水平测点的最大水平主应力明显以北偏西向为主，且整个矿区构造应力场方向各水平中段相近。

（3）矿区的最大水平主应力、垂直主应力、最小水平主应力随着埋深增加有规律性地增长，平均水平应力随着深度增加而接近于垂直应力，侧应力系数为1.4～1.75，当侧应力系数＞1.5时，矿区剪应力较大，导致破坏巷道及采场的稳定性。

（4）随着深度逐步增加，岩性变化较大，而应力场的分布规律没有随岩性变化而有明显的改变。