柴胡栏子金矿钻孔岩心地应力测量技术研究*

李书强

(赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司， 内蒙古自治区 赤峰市 024000)

0 引言

赤峰柴胡栏子金矿矿体赋存状况随着开采深度的增加变得越来越复杂，地应力明显增大，围岩垮塌、顶板悬空、板岩爆裂等井下灾害发生的概率也显著增大，这给矿区的安全生产带来了严重威 胁[1]。目前，柴胡栏子金矿的主采矿脉仍沿用浅孔留矿法进行开采，采场上盘采用长锚索+穿带的方式进行支护，由于矿区地应力分布情况不明，存在采矿安全性差和上盘维护成本高等问题[2]，非常有必要探明柴胡栏子金矿地应力分布规律。

地应力是赋存于地壳中的天然应力，采矿、水利水电、地铁、隧道等地下或边坡工程的变形和失稳多由地应力引起，对井下灾害进行控制的首要前提就是地应力测量[3]。早期的地应力测试工作是在岩体表面进行的，此法虽然简便，但不能反映岩体内部的应力状态，故所得数据有一定局限性。近年来，众多学者和专家对地应力测量进行了深入研究，地应力测量方法已经有了很大的发展和进步[4]。马春德等[5]在新城金矿矿区深部进行了地应力测试，用应力解除法和声发射法得到了地应力的分布规律；蔡美峰等[6]在解决温度补偿问题的基础上在金川矿区得到了深部地应力分布的基本规律；李长洪等[7]采用改进型空心包体应变计进行测点的应力解除测量，得到了地应力分布规律及其与地质构造的关系；刘允芳[8]则经过力学分析和严格计算推导，提出了水压致裂法三维地应力测量的原理和方法；李利峰等[9]系统地阐述了影响声发射地应力测量的因素、Kaiser点的确定方法以及信噪处理技术；尹爱民等[10]则根据地应力测量结果得出了构造作用主导地应力场分布特征的结论。纵观国内外地应力测试技术，大都采用应力解除方式，这种方法需施工钻孔，在钻孔内安装应变片，套取岩心，以此获得地应力分布特征。为了低成本、方便地获得矿区地应力分布，本文研究了一种钻孔岩心新型声发射法地应力测试技术，将现场钻孔岩心取样，进行重定向恢复其空间位置，通过测试钻孔岩心声发射特征，获得声发射Kaiser效应点，精确反演了赤峰柴胡栏子金矿地应力分布规律。

1 地应力测量及其分布规律研究

综合国内外地应力研究现状和发展趋势，比较上述不同方法的优缺点，针对矿区实际情况决定采用钻孔岩心新型声发射法测试柴胡栏子金矿地应力。

1.1 测点选择与岩心重定向

声发射Kaiser效应法测试地应力的测点选取原则一般遵循以下几点：

（1）同一钻孔不同深度测点选取时应考虑整体分布，测点间距尽量均匀，应避免测点不等距分布或过度集中；

（2）测点选择应综合考虑岩心情况，尽量选 择岩心完整的区间，应尽量避免选择过度破碎、节理裂隙发育的区间布设测点；

（3）进行水平分布规律测试测点选择时应同步所有钻孔测点位置，使不同钻孔测点处于同一水平高度面内；

（4）地应力测点布设应尽量考虑不同深度范围，在浅部、中深、深、超深4个区间均匀选择测点，为后期区域地应力分布规律分析和拟合提供有效数据支持。

根据上述测点选取的基本原则，在钻孔选择深部同一水准标高水平，分别布置1个水平测点，每个测点取16～20个样品，单个岩心样品长度不小于100 mm；再依据钻孔深度进行岩样采集。综合考虑柴胡栏子金矿地质钻孔分布特征，对SK-18-9、SK-26-3、SK-32-2和ZK-40-3钻孔岩心进行取样，试样位置分别为400（-550 m）、100（-850 m）、-200（-1150 m）的不同深度。

根据岩心重定向技术，对所取岩心进行地应力 测试样本筛选；然后根据钻孔现场提供的测斜数据，利用球面几何原理及钻孔弯曲计算准则，对定位关键参数进行计算，实现岩心空间的重新定位。累计定向岩心24根，岩心编号见表1。地应力测试岩样在地表重新准确定位后，采用四方向制样法对岩样进行标准试件加工，试件取样加工流程如图1所示。最终所取岩心加工为Φ25 mm，高径比为2:1的小试件。

表1 定向岩心高程和岩心编号

图1 重定向岩心试件取样加工

1.2 测试试验

试验设备为MTS815伺服材料试验机，采用PCI-II型多通道声发射仪来采集声发射信号。按照《工程岩体试验规范》，将加工好的圆柱型试样放入恒温干燥箱中进行常温干燥处理，以保证岩石试样在试验时具有较为统一的干燥度。试验加载方式为采用位移控制加载，加载速率为0.05 mm/min，进行两次应力加卸载。声发射系统其前置放大器设定为40 dB，声噪门槛值为40 dB。所用声发射传感器大小为Φ8 mm×8 mm，谐振频率为20～400 kHz，采样频率为1 MHz，用双通道采集数据，使用凡士林作为耦合剂，将两个传感器分别用胶布缠绕黏贴于试件长度方向的中部对侧，试验前需检查传感器能否正常工作。

依据抹录不净现象，以第二次加载时出现的第一个信号点作为Kaiser效应点，作为二次确认，对应地可以找到第一次加载时幅值突增点，以提高判定精度。图2～图5列出了部分试样试验数据和Kaiser效应点获取信号。

1.3 试验数据分析及地应力反演

根据采集到的信号，用Kaiser点计算测点的地应力分布情况，整理并计算得出不同深度岩体所处地应力场的空间应力分量，见表2，赤峰柴胡栏子金矿地应力测量结果见表3。

水平主应力随深度呈现线性增长关系，利用线性回归法将各埋深点所测地应力进行拟合（见图 6），拟合得出赤峰柴矿岩体中地应力值随深度变化的计算公式：

图2 SY-100-90-2号试样声发射信号

图3 SY-100-S-2号试样声发射信号

图4 F18-100-0-2号试样声发射信号

图5 F18-100-45-4号试样声发射信号

式中，σmax为最大水平主应力，MPa；σmin为最小水平主应力，MPa；σv为垂直主应力，MPa；h为埋深，m。

表2 不同深度测试点地应力分量

表3 赤峰柴胡栏子金矿地应力测量结果

图6 垂直主应力，水平最大、最小主应力与埋深关系

2 结论

通过系统研究赤峰柴胡栏子金矿公司地应力特征和测试结果数据，得到其地应力分布规律。

（1）钻孔所在区域的地应力场以水平构造应力为主，随着钻孔深度增加，水平构造应力的主导作用有所减弱，垂直主应力的作用效果随着深度的增加而增大。

（2）水平最大主应力随埋的深增加而增大，不同深度最大水平主应力的方位一致性较好，均为北东方向，分布于NE55°～NE60°之间，受地质构造影响较强。矿区测点范围地应力方向与构造运动残余的构造应力方向基本一致。

（3）区域内发育有多条褶皱和断裂，这些地质构造方向基本为北东向或北西向，并以北东向 为主。

（4）垂直方向主应力随埋深增加而增大，呈线性增长趋势。

（5）柴胡栏子金矿区域地应力值整体高于常规情况，地应力值偏大，这是由于区域内岩体受板块移动、岩浆侵入、扩容、不均匀膨胀等因素的影响。当深度到达地表以下1100 m时，水平最大主应力值接近45 MPa。因此，矿床进入深部开采之后，地应力将影响矿井生产系统的布置，特别是对巷道开挖带来比较大的影响。