貴州開陽磷礦三維地應(yīng)力場測量及分布規(guī)律研究＊

李文成,馬春德,李 凱,何忠國,王永奇,黎正強(qiáng)

(1.貴州開磷集團(tuán)礦業(yè)總公司, 貴州貴陽 550302;2.中南大學(xué)資安院, 湖南長沙 410083)

貴州開陽磷礦三維地應(yīng)力場測量及分布規(guī)律研究＊

李文成1,馬春德2,李 凱1,何忠國1,王永奇1,黎正強(qiáng)1

(1.貴州開磷集團(tuán)礦業(yè)總公司, 貴州貴陽 550302;2.中南大學(xué)資安院, 湖南長沙 410083)

貴州開陽磷礦屬于國內(nèi)埋藏較深的特大型地下磷礦山之一,礦區(qū)范圍廣大,地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜,具備發(fā)生巖爆災(zāi)害的潛在條件。為了解礦區(qū)地應(yīng)力場狀態(tài)及分布特征,采用瑞典LUT地應(yīng)力測定系統(tǒng)開展了三維地應(yīng)力測量工作。通過現(xiàn)場實(shí)測,獲得該礦區(qū) 4個礦段的 3個中段共 9個測點(diǎn)的三維地應(yīng)力場狀態(tài),發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力的主導(dǎo)方向?yàn)镹ES W向,最大主應(yīng)力值隨著深度增加而增大,最深處達(dá)到了 34 MPa以上,礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力明顯,與該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造相吻合。

開陽磷礦;三維地應(yīng)力測量;套孔應(yīng)力解除法;地應(yīng)力場狀態(tài)

貴州開陽磷礦礦產(chǎn)資源儲量豐富,已探明的優(yōu)質(zhì)磷礦石(不經(jīng)選礦就可直接用于生產(chǎn)高濃度磷肥和復(fù)合肥的重要原料)達(dá) 4.13億 t,占全國優(yōu)質(zhì)磷礦資源的 70%以上,對我國磷化工業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。該磷礦洋水礦區(qū)目前共由 6個礦段組成,隨著礦山淺部資源逐漸開采完畢,其中的多個礦段的開拓采準(zhǔn)已進(jìn)入到 +600～+800 m水平,距地表深度達(dá) 600 m以上,與淺部開采相比,此時礦床地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為開拓及采準(zhǔn)巷道支護(hù)困難,原有的支護(hù)技術(shù)與措施失效,巷道返修率高,永久性巷道支護(hù)后存在經(jīng)常性冒頂、片幫、底鼓等現(xiàn)象,需要多次維護(hù)與加固,維護(hù)工作量大,支護(hù)成本高,對礦山的正常安全開采帶來了嚴(yán)重影響。

為此,公司采用了國際上應(yīng)用最廣泛,技術(shù)最成熟的套孔應(yīng)力解除法,對整個礦區(qū)的三維地應(yīng)力場的變化及分布規(guī)律進(jìn)行了測試研究,為后續(xù)深部礦體的高效安全開采提供準(zhǔn)確的地應(yīng)力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 地應(yīng)力測量原理

本次測量采用瑞典LUT三維地應(yīng)力測定系統(tǒng),其實(shí)質(zhì)就是孔壁應(yīng)力解除法。該方法又稱鉆孔套芯應(yīng)力解除法,其基本原理是根據(jù)彈性力學(xué)理論求解出鉆孔圍巖中次生應(yīng)力場與原巖應(yīng)力場的關(guān)系以及孔壁解除應(yīng)變與鉆孔圍巖次生應(yīng)力場的關(guān)系,從而導(dǎo)出孔壁應(yīng)變與原巖應(yīng)力場的關(guān)系。通過在鉆孔中安裝應(yīng)變測量元件,測量出套芯應(yīng)力解除前后孔壁應(yīng)變值變化,并結(jié)合實(shí)測的巖石彈性常數(shù)最終求解巖體的原巖應(yīng)力場。

2 地應(yīng)力測點(diǎn)的布置和選擇

在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場施工條件,確定在洋水礦區(qū)的馬路坪、用沙壩、青菜沖和沙壩土4個礦段范圍內(nèi)用 9個測點(diǎn)對礦區(qū)的地應(yīng)力場的變化及分布規(guī)律進(jìn)行測試研究,其中以開采深度最大的馬路坪礦作為研究重點(diǎn),在其 750,700和 600 m 3個不同中段布置了 4個測點(diǎn);在用沙壩礦段的 1120和 1070 m中段各布置一個測點(diǎn);在沙壩土礦 700 m中段布置 2個測點(diǎn);在青菜沖礦段 900 m中段布置1個測點(diǎn)。根據(jù)地應(yīng)力測點(diǎn)的選取原則,9個測點(diǎn)的布置盡量避開了大的斷層和應(yīng)力畸變區(qū)、不穩(wěn)定區(qū),以確保原巖應(yīng)力測試的真實(shí)性和代表性。測點(diǎn)均布置在新鮮的巖體和礦體中,布置情況列于表1。測點(diǎn)的空間坐標(biāo)及鉆孔方位角、仰角是在測試結(jié)束后由專業(yè)測量隊實(shí)測提供的,列于表2。將 9個測點(diǎn)的坐標(biāo)水平投影到同一水平中,測點(diǎn)的相對位置關(guān)系如圖1所示。

3 地應(yīng)力測試過程及結(jié)果

3.1 測試儀器

本次測試的主要設(shè)備是 UPM40巖石三軸應(yīng)變地應(yīng)力測定儀,它是國內(nèi)唯一一套從瑞典引進(jìn)的高精度地應(yīng)力測量系統(tǒng)。該儀器具有 20個測試通道,可實(shí)現(xiàn)多通道解除應(yīng)變的同步高速自動采集。與國內(nèi)同類測試儀器相比較,該系統(tǒng)在測試精度、準(zhǔn)確性和效率上具有明顯的優(yōu)越性:首先,其擁有的探頭自動精確定位裝置可使 LUT三軸應(yīng)變計探頭上的 12個應(yīng)變計在極短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)在巖體內(nèi)部的空間上嚴(yán)格按規(guī)定的角度排列,安裝誤差小于 0.1°。其次,該系統(tǒng)通過同一數(shù)據(jù)的多次采集和自動識別,可自動排除可疑數(shù)據(jù),從而確保原巖地應(yīng)力場中最大主應(yīng)力的可靠性與精確性。同時,該系統(tǒng)具有的應(yīng)變活塞瞬間同時彈射、快速固化技術(shù)使測試系統(tǒng)在幾分鐘之內(nèi)即進(jìn)入正常的測試狀態(tài),極大地提高了測試的效率,使在短時間內(nèi)完成對礦區(qū)原巖應(yīng)力規(guī)律的測量研究成為可能。

表1 測點(diǎn)布置情況及所在位置的巖性

3.2 現(xiàn)場測試過程

現(xiàn)場實(shí)測過程主要包括以下 5項工藝過程:

第一步,打同心鉆孔。選擇穩(wěn)定的液壓鉆機(jī),用金剛石大鉆頭打Φ91 mm的近水平大鉆孔 (仰角 3°～6°,以利于排水),然后磨平大孔底,再沿著大孔打長度約 40 cm的同心小孔 (導(dǎo)向孔),要求鉆孔平直、光滑、大小孔同心度好。取出小孔巖芯,觀察它的節(jié)理情況,確定應(yīng)變計的粘貼位置處完整無明顯節(jié)理。

第二步,用水和丙酮清洗導(dǎo)向孔,并用高壓風(fēng)把小孔內(nèi)壁吹干。

第三步,用專用安裝工具將三軸應(yīng)變計探頭精確安裝在小孔的預(yù)定位置,并使應(yīng)變計活塞牢固的粘在小孔孔壁上。

圖1 測點(diǎn)位置水平投影

表2 開陽磷礦地應(yīng)力測點(diǎn)坐標(biāo)及鉆孔參數(shù)

第四步,安裝成功后,把地應(yīng)力測定儀的所有測試通道調(diào)零,進(jìn)行套孔應(yīng)力解除并測試解除應(yīng)變。

第五步,將測量完解除應(yīng)變后的巖芯管放入雙軸壓力儀中測定彈性模量和泊松比。

以上為一個完整的套孔應(yīng)力解除測試過程,為減少隨機(jī)因素對測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,一般一個點(diǎn)位進(jìn)行 2～3次同樣的測試,并進(jìn)行比較,選擇測試結(jié)果較為接近的區(qū)段參與確定最終結(jié)果。

3.3 礦區(qū)原巖地應(yīng)力測量結(jié)果

利用科羅拉多礦山大學(xué)William Hustruld教授編寫的巖體應(yīng)力專用計算程序 LUT-str進(jìn)行地應(yīng)力計算,得出巖體應(yīng)力的 6個分量及其標(biāo)準(zhǔn)差和主應(yīng)力大小及其方位角、傾角。礦區(qū) 9個測點(diǎn)的地應(yīng)力分量計算結(jié)果和主應(yīng)力計算結(jié)果見表3、表4。

表3 各測點(diǎn)地應(yīng)力分量及不同方向應(yīng)力分量比值

表4 各測點(diǎn)主應(yīng)力計算結(jié)果

4 結(jié) 論

通過對貴州開磷集團(tuán)洋水礦區(qū) 9個測點(diǎn)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)的計算與分析,可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)最大主應(yīng)力方向與洋水背斜走向大致相同,呈近南北方向,方位角為 4.37°～227.34°。9個測點(diǎn)中,馬路坪礦 700中段 (測點(diǎn) 1)附近地應(yīng)力的最大主應(yīng)力值最大,達(dá)到 34.49 MPa,這一結(jié)果與該礦現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果一致,該測點(diǎn)附近的一些巷道在生產(chǎn)過程中的變形破壞較為嚴(yán)重。

(2)9個測點(diǎn) (除受采空區(qū)影響的第 9測點(diǎn)外)的最大主應(yīng)力的傾角均小于 30°,基本接近水平,屬于水平構(gòu)造應(yīng)力。因此,從測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果可以看出,該局部區(qū)域仍以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,這與該礦區(qū)巷道破壞中出現(xiàn)的底鼓和水平大變形等破壞特征是相符的。

(3)最大主應(yīng)力的大小隨測點(diǎn)埋深增加而增大,最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值隨埋深變化的回歸特性方程如下:

式中:σ1,σhmax,σhmix和 σz分別為最大主應(yīng)力、最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力,MPa;H為測點(diǎn)埋深,m。

[1] 侯明勛.深部巖體三維地應(yīng)力測量新方法、新原理及其相關(guān)問題研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(24):4258～4258.

[2] 張百紅,韓立軍,韓貴雷,等.深部三維地應(yīng)力實(shí)測與巷道穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué),2008,29(9):2547～2555.

[3] 陳曉祥,韋四江.初始地應(yīng)力場對煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性的影響[J].礦冶工程,2008,28(6):1～4.

[4] 嚴(yán) 鵬,盧文波,陳 明,等.初始地應(yīng)力場對鉆爆開挖過程中圍巖振動的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(5):1036～1045.

[5] 吳滿路,廖椿庭,張春山,等.紅透山銅礦地應(yīng)力測量及其分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(23):3943～3947.

[6] 吳滿路,馬 宇,廖椿庭,等.金川二礦深部 1000 m中段地應(yīng)力測量及應(yīng)力狀態(tài)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(2):3785～3790.

[7] 王文星.ROCKMASSMECHANICS(巖體力學(xué))[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2009,6:171～176.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目資助(2010CB732004).

2010-08-10)

李文成 (1963-),男,碩士,高級工程師,主要從事采礦方法、礦山地壓和巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究。