侯奎奎，郭良銀，劉煥新，彭 超，張 俊

（1.山東黃金集團(tuán)有限公司深井開(kāi)采實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開(kāi)采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261400；3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺(tái) 261438；4.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

地應(yīng)力是礦業(yè)工程中地下深部開(kāi)采和其他各種巖土工程發(fā)生失穩(wěn)并造成破壞的重要因素［1?2］。特別是在深部地下開(kāi)采過(guò)程中，地下硐室和地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都要考慮地應(yīng)力場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造的影響，所以礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量及其規(guī)律研究對(duì)礦山開(kāi)采有著重大意義［3］。

套孔應(yīng)力解除法［4］是目前使用較為廣泛的地應(yīng)力測(cè)量方法，測(cè)量技術(shù)相對(duì)其他方法更成熟，測(cè)量結(jié)果也更準(zhǔn)確。眾多學(xué)者采用應(yīng)力解除法進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，并對(duì)地應(yīng)力與構(gòu)造關(guān)系進(jìn)行了研究［5?8］。

三山島金礦新立礦區(qū)位于渤海邊，已探明的可開(kāi)采量大，但大部分礦體位于渤海以下，海水和礦體間的隔水帶對(duì)海底開(kāi)采的防水提出了更高要求。為了保證合理開(kāi)挖和安全生產(chǎn)，避免礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)和硐室的失穩(wěn)破壞，采用應(yīng)力解除法，使用高精度UPM40巖石三軸應(yīng)變地應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)三山島金礦新立礦區(qū)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，以獲得礦區(qū)所在區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，為海底礦產(chǎn)安全開(kāi)采提供理論依據(jù)。

1 地應(yīng)力測(cè)量

1.1 礦區(qū)概況

三山島金礦新立礦區(qū)位于山東省境內(nèi)，瀕臨渤海，處在萊州灣畔，礦區(qū)內(nèi)海拔高度范圍為1.2～4.5 m，礦區(qū)整體被第四系和海水覆蓋［9］。礦區(qū)所在區(qū)域位于膠東半島西北部，大地構(gòu)造位置處于華北地臺(tái)南緣膠北地體之膠北隆起區(qū)，西靠沂沭斷裂帶，南接膠北地體之膠萊拗陷，北鄰龍口斷陷盆地和渤海拗陷，東接牟平?即墨構(gòu)造混雜帶。礦區(qū)所處位置的主要地質(zhì)構(gòu)造為斷裂構(gòu)造，其中，F(xiàn)3斷層穿過(guò)新立礦區(qū)，走向300°，其破碎帶以角礫巖為主，未被膠結(jié)，故富水性和導(dǎo)水性良好。又因其切割F1斷層向西北端伸入渤海，其不僅局部破壞了F1的隔水層，而且溝通海水與采區(qū)的聯(lián)系，造成采礦坑道大量涌水，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成重大威脅。

1.2 測(cè)點(diǎn)選擇

結(jié)合礦區(qū)前期地質(zhì)調(diào)查資料以及礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)具體施工情況，在礦區(qū)主要開(kāi)采部分－240 m中段選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)，在較淺的－165 m中段選擇1個(gè)測(cè)點(diǎn)，在深部－400 m中段選擇2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)。按測(cè)點(diǎn)所在深度進(jìn)行編號(hào)，如－240 m中段的3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別記為－240 m?1＃、－240 m?2＃和－240 m?3＃。測(cè)點(diǎn)具體選擇時(shí)避開(kāi)礦區(qū)內(nèi)的采空區(qū)及硐室，遠(yuǎn)離施工引起的應(yīng)力集中區(qū)，避開(kāi)斷層、斷裂帶和巖石破碎區(qū)，選擇新鮮的巖體和礦體。測(cè)點(diǎn)布置情況及測(cè)點(diǎn)位置巖性見(jiàn)表1。

表1 測(cè)點(diǎn)布置情況及所在位置的巖性

1.3 測(cè)量設(shè)備及測(cè)量步驟

采用高精度UPM40巖石三軸應(yīng)變地應(yīng)力測(cè)定儀及LUT應(yīng)變計(jì)探頭進(jìn)行測(cè)量。因測(cè)量過(guò)程中溫度變化對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)有較大影響［10］，本次測(cè)量在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個(gè)補(bǔ)償電路，能夠抵消溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。在所選測(cè)點(diǎn)使用水平液壓鉆機(jī)鉆出同心大小孔，保證鉆孔平直光滑，然后對(duì)鉆孔進(jìn)行徹底清洗；清洗干凈后安裝探頭，然后對(duì)小孔進(jìn)行等速套孔解除，測(cè)量巖芯的解除應(yīng)變；最后測(cè)量巖芯彈性參數(shù)，根據(jù)彈性參數(shù)和解除應(yīng)變，計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的鉆孔口中心點(diǎn)坐標(biāo)及鉆孔參數(shù)由礦山測(cè)量隊(duì)測(cè)出，結(jié)果列于表2中。

表2 礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)及相關(guān)參數(shù)

2 測(cè)量結(jié)果與規(guī)律分析

2.1 各測(cè)點(diǎn)彈性參數(shù)和應(yīng)變值

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)解套取出的巖芯開(kāi)展了圍壓率定實(shí)驗(yàn)，獲得如圖1所示的加卸載圍壓?應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，并通過(guò)計(jì)算得到所測(cè)測(cè)點(diǎn)巖石的彈性模量和泊松比，結(jié)果見(jiàn)表3?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值見(jiàn)表4。

表3 巖石彈性參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 最終應(yīng)力解除應(yīng)變實(shí)測(cè)值

圖1 某測(cè)段加卸載圍壓?應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線

2.2 各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由所測(cè)得的巖石彈性參數(shù)和最終解除應(yīng)變值，經(jīng)過(guò)LUT?str三維地應(yīng)力計(jì)算程序計(jì)算可得各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力，計(jì)算原理及公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)［11］，計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.3 地應(yīng)力值隨深度變化規(guī)律

為了方便礦區(qū)開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)參考地應(yīng)力數(shù)據(jù)，利用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將表3中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到應(yīng)變計(jì)軸線平行于地理北向線、y軸垂直于大地水平面的坐標(biāo)系中，得到水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力以及垂直主應(yīng)力。并將6個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的水平最大主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行線性回歸，得到回歸方程如下：

式中σhmax為最大水平主應(yīng)力，MPa；σhmin為最小水平主應(yīng)力，MPa；σz為垂直應(yīng)力，MPa；H為測(cè)點(diǎn)埋深，m。回歸曲線見(jiàn)圖2。

圖2 主應(yīng)力隨深度變化回歸曲線

2.4 礦區(qū)地應(yīng)力分布情況分析

由表5及圖2可知：①新立礦區(qū)水平應(yīng)力分量在不同方向上存在較大差異，這與本區(qū)較復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。計(jì)算結(jié)果顯示，該測(cè)區(qū)的水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比（側(cè)壓系數(shù)）在1.32～5.22之間，存在較明顯的方向效應(yīng)。②6個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)最大主應(yīng)力方位均為NW向，傾角0.81°～34.7°，均近似處于水平，說(shuō)明6個(gè)測(cè)點(diǎn)都是水平構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)，這與該區(qū)域總體地應(yīng)力分布情況較為一致。③－400 m中段2個(gè)測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果相差較大，具體表現(xiàn)為，－400 m?1＃測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力比－400 m?2＃號(hào)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力大了將近6 MPa，而其中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比－400 m?2＃號(hào)測(cè)點(diǎn)分別小了約10 MPa和9 MPa。相同埋深的2個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的地應(yīng)力結(jié)果相差較大，說(shuō)明－400 m埋深處存在較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，在進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)高度重視。④各中段最大主應(yīng)力走向均為北西向，與F3斷層走向接近，意味著最大主應(yīng)力會(huì)促進(jìn)F3斷層發(fā)育，加劇礦井涌水。⑤主應(yīng)力隨深度變化呈較好的線性相關(guān)，與現(xiàn)有理論相符。

3 結(jié) 論

1）礦區(qū)水平最大主應(yīng)力方位為NW向，應(yīng)力場(chǎng)中以水平最大主應(yīng)力為主導(dǎo)，－400 m深度處地應(yīng)力受構(gòu)造應(yīng)力影響分布不均，地質(zhì)情況復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注。

2）各中段最大主應(yīng)力走向均平行于溝通礦區(qū)與海水的F3斷層，新立礦區(qū)存在較大安全隱患，應(yīng)采取進(jìn)一步礦區(qū)防阻水措施。

3）采用套孔應(yīng)力解除法對(duì)新立礦區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，所得結(jié)果可為新立礦區(qū)開(kāi)采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。