謝國森,付宏寧,宋麗霞,蔣 暢,秦旭忠,楊 帆

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2.中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司,廣東 韶關(guān) 512329;3.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

地應(yīng)力是造成地下工程變形及破壞的根本原因,開展地應(yīng)力測量是采礦、土建等地下工程設(shè)計和施工的前提條件[1]。只有對特定工程區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)具備詳細的認識,才能設(shè)計出經(jīng)濟、安全又實用的工程[2]。在礦山工程中,掌握地應(yīng)力分布規(guī)律,可為地下硐室及巷道主軸線方向的確定及布置形狀選擇,地下硐室群之間合理間距的確定,以及采場穩(wěn)定性評估、巷道的支護形式和支護參數(shù)確定等提供依據(jù)[3-4]。

地應(yīng)力測量是研究巖體內(nèi)某一點的主應(yīng)力大小和方向,以此來確定地應(yīng)力的狀態(tài)分布、活動規(guī)律以及地應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律。隨著計算機和數(shù)值模擬分析的飛速發(fā)展,采礦工程逐漸變成可定量設(shè)計計算與分析的科學(xué)工程;若不了解工程區(qū)域真實地應(yīng)力場,則在計算與分析中會由于缺乏邊界條件的真實性和可靠性數(shù)據(jù)而與實際情況產(chǎn)生較大偏差[5]。構(gòu)造運動及重力作用是地應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因,構(gòu)造應(yīng)力場是在多階段構(gòu)造運動和新構(gòu)造活動的影響下形成的[6],構(gòu)造應(yīng)力的狀態(tài)反映了構(gòu)造現(xiàn)象的性質(zhì)和內(nèi)部關(guān)系[7]。構(gòu)造運動導(dǎo)致地應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變[8];構(gòu)造活動還導(dǎo)致巖體產(chǎn)生變形破壞,改變地質(zhì)環(huán)境條件,誘發(fā)新的地應(yīng)力積累。開展地應(yīng)力現(xiàn)場實測是了解某一區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)的主要途徑。

棉花坑礦區(qū)內(nèi)有3組主要構(gòu)造,分別是北東東向、北西西向和北北西向(近南北向),其中北東東向為控礦構(gòu)造,北西西向既是控礦構(gòu)造又是成礦構(gòu)造,北北西向(近南北向)為成礦構(gòu)造,區(qū)內(nèi)主次構(gòu)造疊加,應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。隨著開采深度的增加,井下礦巖復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力對巷道和采場圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響日趨顯現(xiàn)。為了準(zhǔn)確掌握該礦山深部巖體地應(yīng)力分布情況,采用空心包體應(yīng)力解除法對礦區(qū)進行地應(yīng)力實測,分析地應(yīng)力場,以供該礦山生產(chǎn)設(shè)計參考。

1 應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量原理

假設(shè)巖石恢復(fù)變形為線彈性變形,即當(dāng)巖體受到載荷的作用和解除載荷時的應(yīng)力應(yīng)變加載與恢復(fù)曲線軌跡一樣。因此,只要能借助空心包體傳感器測出巖體卸載瞬間的彈性應(yīng)變恢復(fù)量,就能由巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求解原巖應(yīng)力值[9]1。

由彈性力學(xué)理論可知,可先通過與巖壁緊貼且被環(huán)氧樹脂包裹在空芯包體上的12個應(yīng)變片記錄巖體應(yīng)力解除后的彈性應(yīng)變恢復(fù)量,然后通過這些應(yīng)變可計算出6個應(yīng)力分量,從而計算得到原巖應(yīng)力[10]。

坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量σr、σθ、σz′、τrθ、τθz′、τrz′與笛卡爾坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量的關(guān)系見式(1)～式(6)[11-13]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:r、θ、z′和x、y、z分別是柱坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)系;σ—正應(yīng)力,MPa;τ—剪應(yīng)力,MPa;a—鉆孔半徑,mm;r—計算點到鉆孔中心的距離,mm;θ—應(yīng)變花所在極徑與鉆孔坐標(biāo)系x軸的夾角,(°);μ—巖體泊松比。

因測量點在孔壁上,即r=a,式(1)～式(6)可簡化為式(7)～式(10)[12,14-15]:

σr=τrθ=τrz′=0,

(7)

σθ=σx+σy-2(σx-σy)cos2θ-4τxysin2θ,

(8)

σz′=-μ[2(σx-σy)cos2θ+4τxysin2θ]+σz,

(9)

τθz′=2τyzcosθ-2τzxsinθ,

(10)

等式右側(cè)含有6個在直角坐標(biāo)系下的未知應(yīng)力分量,等式左側(cè)的量可由應(yīng)變解除法測得。但3個方程不能求出6個未知數(shù),所以在實測中每個點都要至少采集6個應(yīng)變數(shù)據(jù),才能在直角坐標(biāo)中確定6個應(yīng)力分量。

2 彈性參數(shù)測定與計算

雙軸圍壓率定試驗主要作用:1)直接測量從鉆孔內(nèi)取出的巖芯的彈性模量和泊松比,用于地應(yīng)力場計算,保證實測結(jié)果更加準(zhǔn)確;2)檢測巖芯內(nèi)空心包體中心的12個應(yīng)變片的工作狀態(tài),若發(fā)現(xiàn)某個應(yīng)變片工作異常,則在解除巖芯時剔除掉對應(yīng)的應(yīng)變片值,以消除應(yīng)變片自身問題對地應(yīng)力測量值的影響。

雙軸圍壓率定試驗步驟:1)將鉆孔解除取出的完整巖芯放入裝有耐油液壓套的雙軸腔內(nèi),空心包體應(yīng)變片須置于雙軸腔的中心位置,連接雙軸腔與手搖式液壓泵,將液壓油充滿手搖式液壓泵。2)通過手搖式液壓泵對雙軸腔加壓,從0開始,按每隔1 MPa逐級加壓,共加壓7級,每個壓力下應(yīng)變采集儀進行連續(xù)讀數(shù)10 min,至其讀數(shù)趨于穩(wěn)定。3)將應(yīng)變采集結(jié)果導(dǎo)入計算機,并畫出圍壓與應(yīng)變量的關(guān)系曲線。4)按式(11)～式(12)計算出測點解除巖芯的彈性模量和泊松比[9]3。

(11)

(12)

式中:E—彈性模量,MPa;P—圍壓,MPa;μ—泊松比;εθ、εj分別為環(huán)向和縱向應(yīng)變;Di、Dj分別為巖芯內(nèi)外直徑,mm。

3 地應(yīng)力測點的確定

地應(yīng)力測點布置原則:1)測點通常布置在工程研究范圍的礦體或圍巖內(nèi),根據(jù)地質(zhì)資料在對后續(xù)設(shè)計具有指導(dǎo)意義和代表性的位置布點;2)被測巖體應(yīng)該避免破碎帶,要保證巖體的完整性;3)測點要盡可能遠離工程活動區(qū);4)測點要盡可能遠離斷層;5)鉆孔時需要上仰2～5°,以便于清理巖屑和排水。

綜合考慮礦區(qū)地應(yīng)力測量現(xiàn)場施工作業(yè)條件及礦區(qū)開拓現(xiàn)狀,確定分別在11號勘探線的-100、-150、-200 m水平(埋深分別為615、665、715 m)各選擇1個測點,共布置3個測點,每個測點進行4～5次試驗,對礦區(qū)的地應(yīng)力場進行測量。3個測點均布置在原巖體中,在確定測點時基本避開了斷層、破碎帶以及與巷道相交或拐角的應(yīng)力集中區(qū)域。

應(yīng)力解除法測試的各測孔鉆孔參數(shù)見表1。每個測點在各自水平的具體位置見圖1。

圖1 地應(yīng)力測點位置示意圖Fig. 1 Position diagram of in-situ stress measuring points

表1 各水平測點參數(shù)Table 1 Parameters of each horizontal measuring point

表2 地應(yīng)力測點DYL-150-3應(yīng)變變化值Table 2 Strain variation value of DYL-150-3 at in-situ stress measuring points

4 地應(yīng)力測試結(jié)果分析

4.1 繪制應(yīng)力解除曲線

應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量主要由兩部分?jǐn)?shù)據(jù)計算而成,一部分是現(xiàn)場實測空心包體得到的巖芯接觸時釋放的彈性應(yīng)變恢復(fù)量;另一部分是取出來的巖芯經(jīng)過圍壓率定后得到的數(shù)據(jù)。將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)綜合計算可得出被測巖體的地應(yīng)力狀態(tài)。以-150 m水平的DYL-150測點第3次測試試驗為例,結(jié)果見圖2,ε1～ε12是現(xiàn)場解除壓力時采集到的空心包體12個應(yīng)變片的變化值。

圖2 各通道應(yīng)變片變形隨時間變化曲線Fig. 2 Deformation curve of each channel strain gauge with time

4.2 確定彈性參數(shù)

以-200 m水平DYL-200測點第2次圍壓率定試驗為例,計算過程:1)將圍壓率定試驗所采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel;2)在加載圍壓-應(yīng)變?nèi)^程曲線上,選擇一組環(huán)向和縱向應(yīng)變,繪制在不同圍壓下的微應(yīng)變變化曲線(圖3);3)將不同圍壓下所對應(yīng)的環(huán)向及縱向應(yīng)變值代入式(11)～式(12),計算出被測點巖體的彈性模量和泊松比;4)按步驟3計算同一個應(yīng)變花組的每個不同圍壓下彈性模量和泊松比及平均值;5)按步驟3計算出3個應(yīng)變花組的彈性模量和泊松比的平均值(表3)。式(11)～式(12)中的εθ、εj是指取出巖(巖芯內(nèi)徑37 mm,外徑110 mm)在地表做圍壓率定時,7次加壓過程中分別讀取的空芯包體內(nèi)的環(huán)向和縱向應(yīng)變數(shù)據(jù),分別對應(yīng)表3中的ε1、ε2,ε5、ε6和ε10、ε11。

圖3 DYL-200-2圍壓率定曲線Fig. 3 Confining pressure rate fixed curve of DYL-200-2

表3 DYL-200-2彈性參數(shù)計算結(jié)果Table 3 Calculation results of elastic parameter of DYL-200-2

5 地應(yīng)力測試結(jié)果分析與建議

5.1 應(yīng)力計算結(jié)果

將地應(yīng)力解除測量數(shù)據(jù)和巖石力學(xué)參數(shù)(彈性模量和泊松比)輸入三維應(yīng)力計算程序中即可求得3個測點的主應(yīng)力大小、方向及傾角(表4)。礦區(qū)各測點的笛卡爾坐標(biāo)系下6個應(yīng)力分量見表5。

表4 各測點實測地應(yīng)力結(jié)果Table 4 Geostress results measured at each measuring point

表5 各測點笛卡兒坐標(biāo)系應(yīng)力分量計算結(jié)果Table 5 Calculation results of stress components in Descartes coordinate system at each measuring point

根據(jù)彈性力學(xué)理論,可用表5內(nèi)各測點應(yīng)力分量求出各測點水平最大及最小主應(yīng)力(σh,max、σh,min)、水平最小與最大主應(yīng)力之比(σh,min/σh,max),以及水平最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力分量之比(σh,max/σz)。取g=10 m/s2,ρ=2.56 g/cm3,算出各測點自重應(yīng)力σV,結(jié)果見表6。

表6 各測點水平最大、最小主應(yīng)力及相應(yīng)數(shù)據(jù)Table 6 The maximum and minimum horizontal principal stress of each measuring point and the corresponding data

5.2 應(yīng)力狀態(tài)分析

綜合分析表4～表6結(jié)果,得出以下幾點認識:1)該礦區(qū)實測的地應(yīng)力最大主應(yīng)力(σ1)和最小主應(yīng)力(σ3)為近水平主應(yīng)力,傾角為2.8～31.6°;中間主應(yīng)力(σ2)為近垂向的應(yīng)力,傾角為57.6～64.9°。2)該礦區(qū)實測水平方向比近垂向的應(yīng)力值大,以近水平方向的構(gòu)造應(yīng)力在地應(yīng)力場中占主導(dǎo)地位,3個方向主應(yīng)力間的關(guān)系總體表現(xiàn)為σH>σv>σh,地應(yīng)力結(jié)構(gòu)有利于走滑斷層的發(fā)育和活動。3)該礦水平最小與最大主應(yīng)力之比(σh,min/σh,max)為0.3～0.4,最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力分量之比(σh,max/σz)為1.5～1.7,各測點垂直應(yīng)力分量(σz)的大小與自重應(yīng)力(σV)相差不大。4)各測點水平最大主應(yīng)力方向具有較強的一致性,介于91.2～110.3°,可以推斷該礦區(qū)地應(yīng)力場水平最大主應(yīng)力方向總體上為北西西-南東東方向,這一實測結(jié)果與該礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造分布特征相吻合。

通過對測量數(shù)據(jù)進行線性擬合(圖4),得到各主應(yīng)力隨深度(H)變化的關(guān)系,見式(13)～式(15),主應(yīng)力大小隨深度呈線性增長關(guān)系。

圖4 主應(yīng)力隨局部深度變化Fig. 4 Change of principal stress with local depth

σ1=0.089H-32.551 67,R2=0.98;

(13)

σ2=0.027H-0.388 33,R2=0.99;

(14)

σ3=0.021H-5.531 67,R2=0.99。

(15)

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

1)該礦區(qū)的地應(yīng)力最大主應(yīng)力(σ1)和最小主應(yīng)力(σ3)為近水平主應(yīng)力,傾角為2.8～31.6°,中間主應(yīng)力(σ2)為近垂向的應(yīng)力,傾角為57.6～64.9°。各測點水平最大主應(yīng)力方向具有較強的一致性,介于91.2～110.3°,推斷該礦區(qū)地應(yīng)力場水平最大主應(yīng)力方向總體上應(yīng)為北西西-南東東方向,這一實測結(jié)果與該礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造分布特征相吻合。

2)該礦區(qū)埋深615～715 m范圍內(nèi)水平最大主應(yīng)力為22.5～29.8 MPa,水平最小主應(yīng)力為9.8～11.0 MPa,各主應(yīng)力大小隨深度呈線性增長關(guān)系。實測水平方向的應(yīng)力值比近垂向的應(yīng)力值大,說明以近水平方向的構(gòu)造應(yīng)力在地應(yīng)力場中占主導(dǎo)地位,符合淺部地殼應(yīng)力分布基本規(guī)律。

6.2 建議

1)棉花坑礦井水平最大主應(yīng)力方位角為90～110°,在北西西-南東東向。當(dāng)前礦區(qū)內(nèi)主巷布置為南北向,主巷軸線與水平最大主應(yīng)力大角度相交,不利于主巷兩幫的穩(wěn)定,應(yīng)加強支護。

2)當(dāng)前開拓埋深已達800 m,屬于淺部開采向深部開采過渡區(qū)間。進入深部后,應(yīng)及時關(guān)注主巷幫面的穩(wěn)定性,若出現(xiàn)較為顯著的屈服破壞現(xiàn)象,應(yīng)及時調(diào)整巷道支護方案和采礦工藝。