張君鵬 ，詹進(jìn) ，于濤 ，陸宇超

(1.招金礦業(yè)股份有限公司 大尹格莊金礦， 山東 招遠(yuǎn)市 265414；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引言

原巖應(yīng)力測試的方法比較多，為了防止測點(diǎn)周邊的圍巖穩(wěn)定性被破壞，使其物理力學(xué)性質(zhì)變化較大，影響原巖應(yīng)力測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，可從暴露的巖層表面向巖體的內(nèi)部打小孔，直至巖層內(nèi)部區(qū)域[1]。原巖應(yīng)力測試是在小孔中安裝測試傳感器。相對而言，小孔對原巖應(yīng)力測試區(qū)擾動(dòng)較小，能準(zhǔn)確掌握礦區(qū)的原巖應(yīng)力狀態(tài)。隨著測試方法的不斷發(fā)展，國內(nèi)礦山主要采用應(yīng)力解除法和水壓致裂法。近年來，在巖石力學(xué)科研領(lǐng)域，運(yùn)用原巖應(yīng)力測試結(jié)果，建立開采礦區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變模型，為準(zhǔn)確預(yù)測礦區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)提供了科學(xué)的方法[2]。

隨著原巖應(yīng)力測試?yán)碚撗芯亢蜏y試設(shè)備不斷發(fā)展，巖石力學(xué)的測試方法非常多。水壓致裂法和應(yīng)力解除法是國內(nèi)礦山科研中最常用的原巖應(yīng)力測試方法[3-4]。近年來，學(xué)者們針對原巖應(yīng)力測量進(jìn)行了深入而廣泛的研究，李長洪等[5]采用應(yīng)力解除法（溫度補(bǔ)償）對大同某礦區(qū)進(jìn)行原巖應(yīng)力測試，并結(jié)合原巖應(yīng)力測試結(jié)果與地質(zhì)構(gòu)造的資料進(jìn)行了科學(xué)的應(yīng)力分布分析；蔡美峰等[6]采用多點(diǎn)測量對比分析對玲瓏金礦深部進(jìn)行了試驗(yàn)，并研究分析了整個(gè)礦區(qū)地應(yīng)力場的分布；喬蘭等[7]針對三山島金礦的淺部礦區(qū)進(jìn)行了原巖應(yīng)力測試，通過分析結(jié)果，構(gòu)建了地應(yīng)力模型;王雙紅等[8]詳細(xì)研究了套孔應(yīng)力解除法的測試，并深入分析測試結(jié)果；楊悅增等[9]利用原巖應(yīng)力場的相關(guān)數(shù)據(jù)，對崩落法采場和充填法采場之間隔離礦柱回采過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行精細(xì)分析，取得了理想的科研成果。本研究以某金屬礦為例，采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法，對礦區(qū)相關(guān)巷道進(jìn)行了地應(yīng)力現(xiàn)場測試。

1 礦山概況

某礦區(qū)地處低山丘陵區(qū)，絕對高度為127.60～197.66 m，第四紀(jì)地層覆蓋較廣，薄家河為區(qū)內(nèi)主要河流，流經(jīng)礦床東部，屬間歇性河流。沿河床第四系地下潛水水量豐富。本礦床礦體埋藏于地面200 m以下，為盲礦體。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，早期以韌性變形構(gòu)造為主，中生代以后以脆性斷裂發(fā)育為特征。

2 原巖應(yīng)力測試

本次研究采用常用的套孔應(yīng)力解除法測試礦區(qū)原巖應(yīng)力。空心包體地應(yīng)力測量使用CSIRO HID Cell數(shù)字式空心包體應(yīng)力計(jì)，通過測量測點(diǎn)的三維應(yīng)力大小和方向，計(jì)算得出原巖應(yīng)力的測試結(jié)果，測定的主應(yīng)力誤差為＜3%，方向誤差為2°～4°。

2.1 測點(diǎn)布置

由于在不同位置的地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，同一水平各測點(diǎn)的測試結(jié)果可能相差較大。為到達(dá)測試的最佳效果，選擇在礦區(qū)2#礦體的-736 m二分段、-796 m一分段、-900 m一分段和1#礦體的-616 m南大運(yùn)輸巷、-496 m中段各巷道內(nèi)進(jìn)行地應(yīng)力現(xiàn)場測試。各測點(diǎn)參數(shù)見表1。

表1 測點(diǎn)坐標(biāo)及覆巖厚度

根據(jù)測試要求，主要的工程量是同心圓的大、小孔，其中每個(gè)測點(diǎn)：大孔Φ130 mm，孔深7～10 m，與大孔同心小孔 Φ36～38 mm，孔深 0.4～0.6 m。

2.2 測試步驟

原巖應(yīng)力測試主要技術(shù)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、試安裝、安裝應(yīng)變計(jì)探頭、固定應(yīng)變計(jì)探頭、套孔解除。具體鉆孔施工步驟見圖1。

圖1 原巖應(yīng)力測試鉆孔施工步驟

2.3 測試結(jié)果以及應(yīng)力分布分析

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算程序的 EXCEL宏中，通過EXCEL數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)換，得出原巖應(yīng)力測試的結(jié)果，并得出直觀的應(yīng)力解除曲線，見圖2、圖3。由圖2、圖3可知，應(yīng)力解除初期，數(shù)值變化較小，數(shù)值變化率逐步增加，說明鉆孔深度已不斷接近空心包體應(yīng)力計(jì)的安裝位置[10]。測量探頭靈敏度逐漸增加，說明應(yīng)力解除的位置已到空心包體探頭的位置。隨著鉆孔深度的增加，應(yīng)變值變化率明顯增大，然后進(jìn)入平穩(wěn)的狀態(tài)，最后應(yīng)變值不再發(fā)生變化，這說明解除的位置已經(jīng)到達(dá)空心包體應(yīng)力計(jì)的安裝位置。繼續(xù)施工推進(jìn)鉆孔，最終鉆進(jìn)折斷巖芯，取出含空心包體應(yīng)力計(jì)的巖芯，套孔應(yīng)力解除第1階段的工作結(jié)束[11]。

圖2 應(yīng)力計(jì)在套芯過程中的輸出曲線（-796中段K3）

圖3 應(yīng)力計(jì)在套芯過程中的輸出曲線（-900中段K4）

套孔應(yīng)力測試效果較好，測試結(jié)果的曲線規(guī)律與理論分析的相關(guān)規(guī)律性接近，表明此次試驗(yàn)是成功的。

利用橡膠襯墊雙軸室對已取出應(yīng)力計(jì)的巖芯進(jìn)行率定，給巖芯加圍壓并測試其應(yīng)變的變化，同樣將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入到指定的EXCEL宏中計(jì)算，可得到巖芯的彈性模量與泊松比[12]。綜合以上測試的數(shù)據(jù)，通過分析計(jì)算得到地應(yīng)力測量結(jié)果，見表2～表4。

表2 原巖應(yīng)力測試結(jié)果

表3 應(yīng)力分量測試結(jié)果

表4 巖層側(cè)壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2～表4可知，最大主應(yīng)力方向以偏北為主。排除K6孔測量數(shù)據(jù)，由于近地表開拓工程影響較大，垂直主應(yīng)力多接近于中間主應(yīng)力方向和數(shù)值。各測點(diǎn)的最大、中間、最小主應(yīng)力隨著埋深逐漸增大，最大主應(yīng)力變化率最大，中間、最小主應(yīng)力變化率較小，說明淺部構(gòu)造應(yīng)力對原巖應(yīng)力測試結(jié)果影響較大。

3 結(jié)論

（1）礦區(qū)原巖應(yīng)力場受水平構(gòu)造應(yīng)力影響為主。

（2）各水平測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力明顯以北偏西向?yàn)橹?，且整個(gè)礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場方向各水平中段相近。

（3）礦區(qū)的最大水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力隨著埋深增加有規(guī)律性地增長，平均水平應(yīng)力隨著深度增加而接近于垂直應(yīng)力，側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1.4～1.75，當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)＞1.5時(shí)，礦區(qū)剪應(yīng)力較大，導(dǎo)致破壞巷道及采場的穩(wěn)定性。

（4）隨著深度逐步增加，巖性變化較大，而應(yīng)力場的分布規(guī)律沒有隨巖性變化而有明顯的改變。