海下矿区三维地应力测量及分布规律研究.pdf
第3 l 卷第5 期 2 0 1 1 年1 0 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G 眦E R 丑q G V 0 1 .3 l №5 O c t o b e r2 0 ll 海下矿区三维地应力测量及分布规律研究① 马春德1 ’2 ,徐纪成2 ,陈枫2 ,罗一忠2 1 .中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙4 1 0 0 8 3 ;2 .中南大学现代分析测试中心,湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要为解决复杂地质结构条件下的海下开采所面临的安全问题,对L U T 地应力测试系统进行了一些技术改造,克服了矿区井 下地下水氯离子含量极高、腐蚀严重的困难,对矿区地应力分布进行了准确测量与分析,揭示了矿区内海底三维地应力场的分布规 律,并结合矿区地质构造特征对断裂带涌水堵影响进行了分析。测试结果表明矿区最大主应力值随深度增加而增大,最大达到 3 4 .1 7M P a ;最大主应力的方向为北北西向,以水平构造应力为主,平均倾角约2 3 .7 6 0 ,最小倾角仅0 .8 1 。,有利于减小断裂带的涌水 量。测试结果为新立金矿海下开采工艺设计与安全生产提供了重要的基础数据。 关键词海下矿区;海下采矿;三维地应力测量;涌水量;新立金矿 中图分类号T D 3 1 1文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 5 一o 0 0 9 0 4 R e s e a r c ho nt h eI n - s i t uS t r e s sa n dI t sD i s t r i b u t i o nL a wi nB e n t h o a lM i n e M AC h u n d e ’”,X UJ i - c h e n 9 2 ,C H E NF e n 9 2 ,L U OY i .z h o n 9 2 1 .S c h o o lo f R e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,H u n a n ,C h i n a ;2 .C e n t e r o fM o d e r nA n a l y s i sa n dT e s t i n g ,C e n t r a lS o u t hU n w e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,H u n a n ,C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt or e s o l v et h es a f e t yp r o b l e md u r i n gu n d e r s e am i n i n gu n d e rc o m p l i c a t e dg e o l o g i cs t r u c t u r ec o n d i t i o n , 8 0 m et e c h n i c a lm o d i f i c a t i o nh a sb e e nd o n ef o rL U Ti n s i t um e a s u r e m e n ts y s t e m ,r e s o l v i n gt h ep r o b l e mo fs t r o n gc o r r o s i o n o fu n d e r g r o u n dw a t e ri nt h em i n i n ga r e ad u et ou l t r a - h i g hc o n t e n to fC 1 一i nt h ew a t e r .T h ea c c u r a t em e a s u r e m e n ta n d d e t a i l e da n a l y s i sr e v e a l e dt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo f3Di n s i t us t r e s si n t h i sa r e a ,a n dt h ei n f l u e n c eo fi n s i t us t r e s so nt h e w a t e ri n f l o wi n t o f a u l tg o n ew a sa l s oa n a l y z e d .R e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r i n c i p l es t r e s s e si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f d e p t h ,m a x i m a l l yr e a c h i n g3 4 .1 7M P a .T h em a x i m a ls t r e s sW a si nt h ed i r e c t i o no fN N Ww i t ha v e r a g ei n c l i n a t i o na n g l e o f2 3 .7 6 。a n dm i n i m u mi n c l i n a t i o na n g l eo fo n l y0 .8 1 。.w h i c hc o n t r i b u t e dt ot h er e d u c t i o no fw a t e ri n f l o wi n t of a u l t g o n e .T h eo b t a i n e dr e s u l t sw o u l db eh e l p f u lf o rt h ed e s i g na n ds a f e t yp r o d u c t i o no fu n d e r s e am i n i n g . K e yw o r d s b e n t h o a lm i n e ;u n d e r s e am i n i n g ;3Di n s i t us t r e s sm e a s u r e m e n t ;w a t e ri n f l o w ;X i n l iG o l dM i n e 地应力状态是采矿工程稳定性设计的重要基础资 料,其大小与方向对采矿等地下岩土工程的设计和施 工以及矿山的安全生产极为重要。5J ,特别是对岩爆、 岩溶涌突水的预测与防治具有重要影响№。7J 。 新立金矿隶属于山东黄金集团三山岛金矿,黄金 资源地质储量大,是目前国内最大的岩金矿山之一。 该矿区紧临渤海,其主要可采矿体均赋存于海底下部 的岩体中,地质构造复杂,开采难度很大。与普通地下 开采相比,海下开采的安全问题尤为重要,因为在地下 开采中常见的非均匀沉降、裂缝和塌陷等问题在海下 开采中将会导致非常严重的事故。 新立矿区是国内首家进行海底开采的大型地下金 属矿山,海下安全开采可供借鉴的成功经验不多。目 前,新立矿区的实际生产能力约为2 0 0 0t /d ,为适应市 场发展需要,欲将生产能力扩大到60 0 0t /d 。要达到 这样的产量,则必然要采用高强度开采方式,但新立矿 区的矿体大部分位于海底,矿体与海水问仅靠数米厚 的隔水带隔离,因此在高强度开采与井下大量爆破复 杂条件下的隔水层的安全研究则成为整个海下安全开 采的关键问题。另外,为保证海底开采安全,新立矿区 在前期开采中曾预留了约1 6 0m 厚的护顶层,其护顶 层中含有黄金多达十几吨,这些资源若不开采,则严重 降低企业经济效益,导致资源大量损失,而资源安全综 合回收所涉及的护顶层安全厚度的确定也是急需解决 ①收稿日期2 0 1 l - 0 3 - 2 3 基金项目国家自然科学基金霞点项目 5 0 9 3 4 0 0 6 ;国家莺点摹础研究发展计划 9 7 3 课题 2 0 1 0 C B 7 3 2 0 0 4 作者简介马春德 1 9 7 6 一 ,男。辽宁丹东人,博上。从事矿岩强度与地应力测鸶研究。 万方数据 1 0 矿冶工程第3 l 卷 的重要课题。 而这些问题的解决都必须建立在准确、可靠的地 应力场边界条件之上旧一。为避免采矿生产设计和 施工的盲目性,防止恶性安全事故的发生,必须对新立 海底矿区进行系统的三维地应力场测量,为矿山海底 开采安全技术研究提供可靠基础数据。 l 海下矿区地应力测量方法的选定 地应力的现场测量方法有很多种,其中套孔应力 解除法因其较高的可靠性和测试精度被广泛应用于国 内外有井巷施工的地下矿山的三维地应力的测量研究 中2 。15 | 。在国内,采用空心包体应变计的套孔应力解 除法进行地应力测量的实例更是占绝大部分比例。但 在对新立金矿井下水文地质情况的实地调查中发现, 该矿海下矿区中的井下地下水系成矿时赋存的古海 水,经千万年的地质演化作用,其氯离子含量非常高, 达到了普通海水氯离子含量的十几倍,这种地下水对 金属的腐蚀性非常强,而这种地应力测量方法由于测 试工艺和其它原因一般一个测试过程至少需要几十个 小时甚至数天才能完成,这段时间矿井中的高盐地下 水将会对测量仪器和探头产生严重腐蚀并伴有析晶现 象,产生可导电的颗粒状盐晶体,进而影响到测量结果 的准确性,甚至导致失效。所以说新立海下矿区地应 力准确测量的关键是缩短测试所需时间,在高氯地下 水析晶前完成整个测量过程。为解决这一难题,本文 对2 0 世纪8 0 年代进口的瑞典专利技术、德国制造的 L U T 三轴地应力测试系统进行了一些改进,使其在确 保测试精度的基础上大大提高了测试效率,在短短的 几十分钟内即可完成一个完整的测试过程。 改进工作主要有以下几个方面①缩短胶粘剂固 化时间。空心包体应变计采用环氧树脂作为应变计与 岩体的胶粘剂,其固化时间一般至少需要十几个小时, 要产生稳固的固化效果甚至需要几天时间。L U T 应变 计选用专用应变胶作为胶粘剂,可通过调整应变胶中 A B 两种组分的比例或调和时的环境温度来控制固化 时间,几分钟内即可固化,同时通过采用应变活塞瞬间 同步弹射和持续施加高压风技术手段来稳固固化效 果,一般半小时即可达到稳定固化,从而大大降低高氯 地下水对测试结果可能产生的不良影响。②探头快 速自动精确定位。三轴应变计探头上装有1 2 个应变 计,在岩体内部的空间上必须严格按规定的角度排列, 安装角度的准确度直接影响到所测原岩主应力的方 向,而这一参数却是开拓与开采方法设计的最重要条 件之一。一般的套孔应力解除法常利用能进入到钻孔 中的带摄像头的有轨小车传回视频画面来人为确定应 变计控头是否安装到正确的位置,如果安装不到位需 要反复调整,这种方式不仅效率低,而且探头的定位精 度也不高。L U T 地应力测试仪通过在安装工具上加装 光电自动定位装置,能确保在安装探头的同时,自动精 确定位,探头的安装角度误差小于0 .1o ,并且精确定 位所需时间极短,在数秒内即可完成。③数据的智能 采集。通过对测试系统软硬件的改造,使该系统实现 数据的自动采集,并通过对同一数据的多次采集和自 动识别,排除采集到的可疑数据,从而获得最可靠的测 量结果,可有效降低氯离子对数据结果影响的可能性。 ④独特的温度补偿设计。对原有的温度补偿电路进 行了优化设计,形成了新的独特温度补偿电路,可以有 效地消除长电缆条件下环境温度对测量精度的影响, 从而保证了原始数据的准确性。 通过对L U T 测试系统的改进,大大提高了测试效 率,减短了测试所需时间,完全可适应高氯地下水条件 下的海下矿区地应力测试研究工作。 2L U T 地应力测定系统的测量原理 利用瑞典U ,r 地应力测定系统测定岩体应力的方 法,实质就是孔壁应力解除法。其基本原理是当需要对 岩体中某点进行应力量测时,先向该点钻进一定深度的 超前小孔,在此小孔中埋设钻孔传感器 探头 ,再通过 钻取一段同心的管状岩芯而使岩体单元上所受的应力 解除,此时,该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。 应用L U T 地应力测定仪,测定弹性恢复的应变值,再根 据弹性理论中钻孔围岩次生应力与原岩应力的关系和 孑L 壁应变与钻孔围岩次生应力的关系,导出孔壁应变与 岩体应力的关系。于是就可以根据弹性恢复应变及岩 石的弹性常数,求得该点的应力状态。 在小孔孔壁处,钻孔围岩中某点在柱坐标系中的 应力分量盯,,%,o r ,,r 啊,r 丁n 与笛卡尔坐标系中 的应力分量矿,,盯,,O “ z ,丁。,丁。,r 。,具有以下关系 式 中r ,0 ,彳’和髫,Y ,z 分别为柱坐标和笛卡尔坐标系 f O “ r T r o2T r z 0 J % 吒 q 一2 以一盯, c o s 2 0 一T .s i n 2 0 l 吒, 一p [ 2 吼一q c o s 2 0 4 %s i n 2 0 ] 吒 L %, 2 T 。c o s 0 2 T s i n 0 从式 1 可以看出,方程右边包含直角坐标系中6 个未知的应力分量,方程左侧则可以通过应变解除法 实测得到。但由3 个方程无法确定6 个未知应力。因 万方数据 第5 期 马春德等海下矿区三维地应力测量及分布规律研究 此,测量应变时,每点应测定足够的应变 至少6 个 , 方能确定直角坐标下的6 个应力分量。 L U T 岩石三轴应变地应力测量探头装有3 个应变 片活塞,每个活塞表面粘贴有4 个应变片,组成一个应 变花,故一次能测出1 2 个应变值。3 个应变花沿z 轴 成2 7 0 0 ,3 0 。和1 5 0 0 分布 a ,每个活塞上的4 个应变 花与z 轴夹角 口 分别为9 0 0 ,4 5 0 ,0 。和1 3 5 0 ,如图l 所示。在这种布置方式下,岩体原岩应力的6 个应力 分量可按文献[ 3 ] 中所列方法求解,计算中需用到的 岩体弹性模量E 和泊松比肛参数可利用双轴围压率 定试验装置现场测取。 I ⑨ 4矗C 图1L U T 探头应变片空间排列方式 3 地应力测量过程与测试结果 3 .1 矿区地应力测点的布置 在工程地质调查的基础上,结合现场施工条件,确 定在新立矿海下矿床部分的一1 6 5 ,一2 4 0 和一4 0 0m 3 个中段选择6 个测点对矿区的地应力场的变化及分 布规律进行测试研究,其中在主要开采中段一2 4 0m 中段布置了3 个测点,在较深的一4 0 0m 中段布置了2 个测点,浅部的一1 6 5m 中段布置了1 个测点。根据 地应力测量的基本原则,6 个测点均布置在新鲜的围 岩和矿体中,岩体较为均质完整。在测点布置上既考 虑了沿矿体走向的水平分布,也兼顾了在垂直方向上 的高差变化。同时测点的选择基本上避开了巷道和采 场的弯、叉、拐等应力集中区以及断层、岩石破碎带、断 裂发育带,同时测点尽量远离大的采空区和洞室。测 点的布置情况及钻孔参数见表1 。 3 .2 地应力测量的基本步骤 L U T 地应力测定的方法是打水平钻孔深入到岩体 中,在超前J q L 的内壁上粘贴上在空间按一定角度排 列的1 2 个应变片,用套孑L 解除钻孑L 围岩应力,使岩芯 的变形发生弹性恢复,测出岩芯管的弹性恢复应变,根 据这些弹性恢复应变和岩石弹性常数,计算岩体应力,。 其主要工作步骤如图2 所示。 表l测点布置情况及钻孔参数 - 蠢隰 2 暑 主要工作步骤 3 黼二翥篡籍麟平; 4 兰鼬芑竺●,燮 3 套钻小孔; _ _ _ e F 、”4 一取小孔岩芯; “_ { 鱼⋯⋯⋯ 5 安装探头,测初读数; 5 善三喜裹妻国莓瀚6 主i 主;亲藻一⋯ 6 兰兰黼二耋主篡五变。t _ ,- _ N - 昶≈毒礤礤i i 书8 测最终恢复应变 , 耥 图2 地应力测试基本步骤 3 .3 地应力测量结果与分析 由现场测定的最终恢复应变及围岩率定试验测定 的岩体弹性参数经过综合计算,获得矿区6 个测点的 主应力计算结果,见表2 。 表2 各测点主应力计算结果 测点 编号 最大主应力中间主应力最小主,菠力 大小方位倾角大小方位倾角大小方位倾角 /M P a / 。 / 。 /M P h / o / o /M P a / o / 。 一1 6 .5m l ’4 .7 l1 7 3 .2 22 9 .8 l3 .5 75 4 .8 5 3 9 .6 71 .加2 8 7 .8 l3 5 .9 9 2 4 0 m .矿1 1 .1 81 5 8 .0 71 4 .7 32 .9 1 53 6 .8 46 3 .1 I 一0 .9 52 5 4 .1 52 1 .9 6 2 4 0 m 一5 ’J n l 9l 町,2 33 1 .0 44 .8 12 3 5 ,6 84 5 .9 4 0 .4 53 5 8 .7 22 7 .8 2 2 4 0m .6 ’1 1 .7 11 3 4 .4 40 .8 16 .5 34 3 .9 4 3 1 .7 80 .0 92 2 5 .7 45 8 .2 l 一4 3 0 m 一2 03 4 .1 73 3 5 .2 73 4 .7 06 .5 51 8 0 .6 25 2 .3 l4 .2 0 7 4 .0 l1 2 .3 6 4 0 0m 一3 02 8 .4 53 3 7 .1 73 1 .4 51 6 .9 09 1 .2 7 3 3 .7 81 3 .5 72 1 5 .8 44 0 .3 6 万方数据 1 2 矿冶工程 第3 l 卷 由表2 数据可知,新立海下矿区地应力场的最大 主应力的倾角 与水平面的夹角 为0 .8 l 。~3 4 .7 0 0 . 平均2 3 .7 6 。,属于近水平方向,说明矿区的地应力以 水平构造应力为主;6 个测点中,最大水平主应力均大 于垂直主应力,其比值最小为1 .3 3 ,最高达到6 .2 4 ,平 均为2 .6 5 ,这也说明新立矿区地应力场是以水平构造 ’应力为主导的,而不是以自重应力为主导的。 矿区6 个测点的最大主应力的方位具有较好的一 致性,均为北偏西方向。从一2 4 0m 中段3 个测点的 地应力情况可以看出,在同一中段内,虽然中间主应力 和最小主应力的大小和方向有一定的变化,但起主要 作用的最大主应力却具有较好的一致性,没有出现突 变现象,说明矿区地应力场比较均匀。 为了更好地分析地应力场随深度的变化规律,以 及方便以后的数值模拟地应力边界条件的计算,采用 最d x z .乘法对所测6 个点的最大水平主应力、最小水 平主应力和垂直主应力值进行线性回归,得出了各个 主应力值随埋深变化的规律最大水平主应力、最小水 平主应力和垂直主应力均随着深度的增加而增加,并 且成近似线性的增长关系,见图3 。 应力/M P a 图3 矿h 一。o r h m i 。和矿值随深度的回归曲线 其回归特性方程为 盯h 一 0 .1 l 0 .0 5 3 9 H M P a 盯h l n i 。 0 .1 3 0 .0 1 8 1 H M P a 吒 0 .0 8 0 .0 3 1 5 H M P a 式中盯。一,矿‰。和矿分别为最大水平主应力、最小水 平主应力和垂直应力;H 为测点埋深,m 。由于矿区上 部海水的平均深度仅1 0m 左右,为简化计算就以海平 面作为埋深起始的基准面,因此各中段标高即为埋深。 4 矿区地应力对井下涌水量的影响分析 4 .1 矿区主要地质构造特征 新立金矿海下矿区内地质构造特征以断裂构造为 主,规模最大的是新立断裂带,位于三山岛.仓上断裂 带的北东段,由新立主干断裂及上下盘伴生的羽支断 裂和下盘派生平行断裂组成。新立主干断裂带北东起 自3 2 线,南西至6 3 线,自2 3 线人海,长度约l3 0 0m , 宽7 0 1 8 5m ,断裂带倾向南东,平均倾角4 6 。。断裂 带以0 线为界,以西平均走向6 2 0 ,以东平均走向3 8 0 , 即0 线以东明显地向北偏转,大角度地段控制了新立 金矿床。断裂带以灰白、灰黑色断层泥为标志,主裂面 连续发育,厚0 .0 5 ~0 .5m ,主裂面上下发育有7 0 1 8 5m 宽的破碎带,带内构造岩发育。 4 .2 矿区地应力场对断裂蚀变带涌水量的影响 较大的井下涌水量易造成矿山设备损害、坑道被 淹,甚至危及井下作业人员的安全,严重影响矿山生产 作业进程。同时过量的地下排水也会增加矿山采矿成 本,引起其它环境灾害。因此,井下涌水量及地下水防 治工作是任何矿山开采的一项关键工程,对水体下开 采更为重要。新立矿区大部分位于海底,因此断裂蚀 变带的导水性问题对矿山安全生产具有十分重要的影 响。前面通过测量和计算得出了新立海下矿区的最大 主应力的走向为北北西向,且均为近水平向的压应力 的结论。区域地应力呈压扭性,并与新立矿区的以北 东东走向为主的主控断裂蚀变带形成较大的交角,接 近于相互垂直,它对主控断裂带产生挤压闭合作用,从 而对该断裂蚀变带的导水性起一定的抑制作用,导水 性差带来了涌水量小的有利结果。而与新立矿相隔仅 数公里的三山岛矿 陆地上 地下涌水量却远远大于 该矿,其原因应是最大主应力走向 北西西向 与矿区 东西向和北西为主的断裂带的交角较小,不能对导水 性起到有益的抑制作用。新立矿各中段主断裂带的涌 水量较小的实测资料同样也映证了本次地应力测量结 果的准确与可靠。 5 结语 1 采用改进的L U T 地应力测试系统,大大缩短 了测试所需时间,从而降低了海底矿床中高氯离子地 下水对地应力测量结果准确性的影响。 2 矿区地应力场分布较为均匀,无明显突变现 象;地应力以水平构造应力为主导,最大主应力随埋深 的增加而增大,方向为北北西向。 3 矿区的地应力场对主控断裂带产生压扭闭合 作用,对该断裂蚀变带的导水性起一定的抑制作用,客 观上有利于减小海下开采时的涌水量。 4 研究将对黄金集团下属矿山的矿体的高效安 全开采具有重要的理论指导意义和工程应用价值,特 别是对新立矿区因海底开采而引起的海床沉降与变形 下转第1 7 页 万方数据 第5 期刘优平等近充填体崩矿过程爆破振动控制研究 1 7 虑,上述5 种装药结构中,方案5 为最优方案,其次依 次为方案4 、方案3 、方案2 、方案1 。 4 结语 1 5 种边孔装药结构从优到劣的顺序为方案5 、 方案4 、方案3 、方案2 、方案l 。建议爆破过程对边孔 采用“0 .8m 药卷 0 .5m 竹筒”装药结构。 2 5 种装药结构的炸药在炮孔内分布越来越均 匀,由此可知,对于相同装药量的装药结构,炸药在炮 孔长度方向上分布越均匀,爆破破坏效应越小。 3 间隔介质对爆破效果产生较大影响,采用空气 间隔装药时,与河砂间隔装药相比,爆破能量分布更为 均匀,且能更好地控制爆破振动。 4 应考虑在爆破现场进行爆破振动监测,以实际 数据来验证5 种方案数值模拟结果的正确性。该研究 工作将在后续的科研中进行。 上接第1 2 页 问题、矿体安全高效采矿与扩大生产能力问题、海底开 采合理保安矿柱及其安全开采等技术问题的解决提供 理论依据,为我国第一个海洋金属矿山的安全高效开 采工艺水平的设计与完善提供了一个科学、详实和全 面的基础研究。 参考文献 [ 1 ] 蔡美峰.地应力测量原理和技术[ M ] .北京科学技术出版社, 2 0 0 2 . 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