滨海金属矿区域地应力场测量与规律分析①

侯奎奎，郭良银，刘焕新，彭 超，张 俊

（1.山东黄金集团有限公司深井开采实验室，山东 莱州 261400；2.山东省深海深地金属矿智能开采重点实验室，山东 莱州 261400；3.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台 261438；4.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

地应力是矿业工程中地下深部开采和其他各种岩土工程发生失稳并造成破坏的重要因素［1⁃2］。特别是在深部地下开采过程中，地下硐室和地下结构的稳定性都要考虑地应力场和地质构造的影响，所以矿区地应力场的准确测量及其规律研究对矿山开采有着重大意义［3］。

套孔应力解除法［4］是目前使用较为广泛的地应力测量方法，测量技术相对其他方法更成熟，测量结果也更准确。众多学者采用应力解除法进行了实测研究，并对地应力与构造关系进行了研究［5⁃8］。

三山岛金矿新立矿区位于渤海边，已探明的可开采量大，但大部分矿体位于渤海以下，海水和矿体间的隔水带对海底开采的防水提出了更高要求。为了保证合理开挖和安全生产，避免矿区地下结构和硐室的失稳破坏，采用应力解除法，使用高精度UPM40岩石三轴应变地应力测定仪对三山岛金矿新立矿区进行了地应力测量，以获得矿区所在区域的地应力场分布规律，为海底矿产安全开采提供理论依据。

1 地应力测量

1.1 矿区概况

三山岛金矿新立矿区位于山东省境内，濒临渤海，处在莱州湾畔，矿区内海拔高度范围为1.2～4.5 m，矿区整体被第四系和海水覆盖［9］。矿区所在区域位于胶东半岛西北部，大地构造位置处于华北地台南缘胶北地体之胶北隆起区，西靠沂沭断裂带，南接胶北地体之胶莱拗陷，北邻龙口断陷盆地和渤海拗陷，东接牟平⁃即墨构造混杂带。矿区所处位置的主要地质构造为断裂构造，其中，F3断层穿过新立矿区，走向300°，其破碎带以角砾岩为主，未被胶结，故富水性和导水性良好。又因其切割F1断层向西北端伸入渤海，其不仅局部破坏了F1的隔水层，而且沟通海水与采区的联系，造成采矿坑道大量涌水，对矿井安全生产造成重大威胁。

1.2 测点选择

结合矿区前期地质调查资料以及矿区开采现场具体施工情况，在矿区主要开采部分－240 m中段选择3个测点，在较浅的－165 m中段选择1个测点，在深部－400 m中段选择2个测点，共6个测点。按测点所在深度进行编号，如－240 m中段的3个测点分别记为－240 m⁃1＃、－240 m⁃2＃和－240 m⁃3＃。测点具体选择时避开矿区内的采空区及硐室，远离施工引起的应力集中区，避开断层、断裂带和岩石破碎区，选择新鲜的岩体和矿体。测点布置情况及测点位置岩性见表1。

表1 测点布置情况及所在位置的岩性

1.3 测量设备及测量步骤

采用高精度UPM40岩石三轴应变地应力测定仪及LUT应变计探头进行测量。因测量过程中温度变化对应变数据有较大影响［10］，本次测量在测试系统内设置一个补偿电路，能够抵消温度变化对测量结果产生的影响。在所选测点使用水平液压钻机钻出同心大小孔，保证钻孔平直光滑，然后对钻孔进行彻底清洗；清洗干净后安装探头，然后对小孔进行等速套孔解除，测量岩芯的解除应变；最后测量岩芯弹性参数，根据弹性参数和解除应变，计算得到测点地应力。每个测点的钻孔口中心点坐标及钻孔参数由矿山测量队测出，结果列于表2中。

表2 矿区地应力测点坐标及相关参数

2 测量结果与规律分析

2.1 各测点弹性参数和应变值

在实验室对解套取出的岩芯开展了围压率定实验，获得如图1所示的加卸载围压⁃应变全过程曲线，并通过计算得到所测测点岩石的弹性模量和泊松比，结果见表3。现场实测的各测点应变值见表4。

表3 岩石弹性参数计算结果

表4 最终应力解除应变实测值

图1 某测段加卸载围压⁃应变全过程曲线

2.2 各测点主应力计算结果

由所测得的岩石弹性参数和最终解除应变值，经过LUT⁃str三维地应力计算程序计算可得各测点的主应力，计算原理及公式详见文献［11］，计算结果列于表5。

表5 主应力计算结果

2.3 地应力值随深度变化规律

为了方便矿区开采设计时参考地应力数据，利用空间坐标转换将表3中数据转换到应变计轴线平行于地理北向线、y轴垂直于大地水平面的坐标系中，得到水平最大主应力、水平最小主应力以及垂直主应力。并将6个测点所测得的水平最大主应力和垂直主应力结果进行线性回归，得到回归方程如下：

式中σhmax为最大水平主应力，MPa；σhmin为最小水平主应力，MPa；σz为垂直应力，MPa；H为测点埋深，m。回归曲线见图2。

图2 主应力随深度变化回归曲线

2.4 矿区地应力分布情况分析

由表5及图2可知：①新立矿区水平应力分量在不同方向上存在较大差异，这与本区较复杂的地质构造有关。计算结果显示，该测区的水平主应力与垂直应力之比（侧压系数）在1.32～5.22之间，存在较明显的方向效应。②6个测点所测最大主应力方位均为NW向，倾角0.81°～34.7°，均近似处于水平，说明6个测点都是水平构造应力主导，这与该区域总体地应力分布情况较为一致。③－400 m中段2个测点地应力测量结果相差较大，具体表现为，－400 m⁃1＃测点最大主应力比－400 m⁃2＃号测点最大主应力大了将近6 MPa，而其中间主应力与最小主应力比－400 m⁃2＃号测点分别小了约10 MPa和9 MPa。相同埋深的2个测点测得的地应力结果相差较大，说明－400 m埋深处存在较为复杂的地质构造，在进行采矿设计施工时应高度重视。④各中段最大主应力走向均为北西向，与F3断层走向接近，意味着最大主应力会促进F3断层发育，加剧矿井涌水。⑤主应力随深度变化呈较好的线性相关，与现有理论相符。

3 结 论

1）矿区水平最大主应力方位为NW向，应力场中以水平最大主应力为主导，－400 m深度处地应力受构造应力影响分布不均，地质情况复杂，应当予以关注。

2）各中段最大主应力走向均平行于沟通矿区与海水的F3断层，新立矿区存在较大安全隐患，应采取进一步矿区防阻水措施。

3）采用套孔应力解除法对新立矿区的地应力进行测量，所得结果可为新立矿区开采设计提供依据。