红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究.pdf

第 23 卷 第 23 期 岩石力学与工程学报 23233943～3947 2004 年 12 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2004 2004 年 4 月 1 日收到初稿，2004 年 7 月 28 日收到修改稿。 * 国土资源部科技项目2002202资助课题。 作者 吴满路 简介男，36 岁，2000 年于中国地质大学地质工程专业获硕士学位，现为副研究员，主要从事地应力测量、岩石力学和区域地壳稳定 性方面的研究工作。E-mailliaoct。 红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究 * * 吴满路 廖椿庭 张春山 区明益 中国地质科学院地质力学研究所 北京 100081 摘要摘要 红透山铜矿是国内最深的金属矿山之一，岩爆灾害具有典型性。为了解矿区应力状态及分布特征，开展了 应力实测工作，应用空心包体应力解除法进行应力测量。通过现场实测获得该矿区 5 个中段 8 个测点的三维应力 状态，最大主应力方向为 NNW～NW，最大主应力值随深度基本呈线形增大，且－767 m 中段不同部位应力值有 所变化，最大主应力值可达 50 MPa 左右。 关键词关键词 岩石力学，地应力测量，红透山矿区，空心包体应力计，应力状态 分类号分类号 TD 311 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000-6915200423-3943-05 RESEARCH ON IN-SITU STRESS MEASUREMENT AND ITS DISTRIBUTION LAW IN HONGTOUSHAN COPPER MINE Wu Manlu，Liao Chunting，Zhang Chunshan，Ou Mingyi Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Science， Beijing 100081 China Abstract Hongtoushan copper mine is a deeper metal mine with typical rock burst. For understanding the state and distribution of stresses in the mine，in-situ stress measurement is carried out by means of hollow inclusion gauge . Three dimensional stress state is obtained for five levels and eight sites through in-situ stress measurement. The measurement results indicate that the orientation of the major principal stress is NNW～NW， and the value of it is linerally increased with depth. The in-situ stresses are varied with different positions at –767 m level，and the value of the major principal stress reaches around 50 MPa. Key words rock mechanics，in-situ stress measurement，Hongtoushan copper mine，hollow inclusion gauge， stress state 1 引引 言言 地应力测量对矿山开采设计具有重要意义[1 ，2]。 准确掌握矿山原岩应力状态，结合矿区工程地质调 查、岩石力学性质测试和仿真模拟分析，可为矿山 工程稳定和安全生产提供科学数据。 红透山铜矿是一个大型多金属矿床，探明铜金 属储量 3.6105 t，其他伴生组分 20 多种。目前该 矿开采深度已达 1 197 m，开拓深度达 1 337 m。随 着开采深度的不断增加，巷道破坏、采场顶板冒落 以及岩爆等地质灾害问题也逐渐显现出来，这些变 形破坏受地质构造、岩体结构和应力状态等控制。 为了解不同深部位置的应力状态，服务于矿山安全 生产，笔者在该矿现场开展了深部原岩应力测量工 作。 本次应力测量应用空心包体应力解除法，使用 的测量元件为 KX-81 型空心包体式三轴应力计。 该 3944 岩石力学与工程学报 2004年 应力计可在单孔中通过一次套芯解除得到该点的三 维应力状态。通常在测孔中进行多次测量，然后采 用最小二乘法处理，求得最可信的测量数据，尽量 减少人为误差。由于该方法具有测量精度高、操作 简便等优点，其测试结果已被广泛应用于矿山、水 工、隧道、地下洞室等工程设计中[3 ～5]。 2 矿区地质概况矿区地质概况 红透山铜矿区域位于辽北吉南太古宙地体 上[6]，地层为清原群红透山组，从上而下为厚层角 闪斜长片麻岩层、黑云斜长片麻岩层、石榴直闪片 麻岩层、巨厚角闪片麻岩层。矿床位于浑河大断裂 带上盘，系前寒武纪生成的块状硫化物矿床，矿床 围岩主要为角闪斜长片麻岩和黑云斜长片麻岩。 矿区构造平面图显示，该矿区构造为走向近 EW、两端封闭的紧密倒转向斜褶皱，轴面向南陡倾， 两翼不对称，南翼地层较薄。工业矿体都集中于向 斜构造西部褶皱枢纽内，且被两层角闪斜长片麻岩 所限定的部位。 矿床总体走向近 EW，倾向 SE，倾角 70 ～ 80 。矿床上部出露在430 m，向下探矿已延伸至 －890 m， 有 5 条主要矿脉， 水平厚度 2.4～150 m 不 等。目前采矿中段最深为－767 m，开拓已至－827 m， 仍在继续延深。 工程地质调查表明矿区围岩体构造简单，原 生节理裂隙不发育，完整性较好。铜矿石及主要围 岩角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩和辉绿岩的单 轴抗压强度基本都在 70 MPa 以上，岩石坚硬致密， 容易赋存较高的弹性应变能，这就具备了发生岩爆 的岩性条件。 3 现场应力测量现场应力测量 3.1 地应力测点布置地应力测点布置 为了解矿区岩体的应力状态，笔者开展了现场 应力测量工作。在工程地质调查的基础上，结合现 场施工条件， 确定如下 8 个测点 在－767 中段布置 4 个测点，分别位于 30 川、26 川、20 川和大车库 图 1；在垂直方向上布置了 4 个测点，分别位于 133 中段、－167 中段、－467 中段和－647 中段图2。 8 个测点均布置在新鲜的岩体和矿体中，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。 图 1， 2 中的长度单 位均为 m。各测点的情况具体如下所述，测量结果 见表 1。 1 －767 中段 30 川测点。该测点距主交通道 45 m，试验段均位于矿体中，矿体周围岩性为黑云 斜长片麻岩，矿体及围岩体坚硬完整，节理裂隙不 发育。对该测点共进行了 2 个测段的地应力测量 第 1 测段由于下井胶未封装好，未能取得可靠数 据，解除失败；第 2 测段测量过程正常，解除曲线 和率定曲线均显示应力计的工作状态良好，测量数 据可靠。 2 －767 中段 26 川测点。该测点距主交通道 50 m，岩性为角闪斜长片麻岩，岩石完整，取芯率 高。该孔共进行了 2 个测段的测量工作，第 1 测段 图 1 －767 中段地应力测点分布图 Fig.1 Distribution of stress measurement points at －767 m level 第 23 卷 第 23 期 吴满路等. 红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究 3945 表表 1 地应力测量结果一览表地应力测量结果一览表 Table1 Results of stress measurement 最大主应力 中间主应力 最小主应力 测点位置 深度/m 地表以下 大小/MPa 方位/ 倾角/ 大小/MPa方位/ 倾角/ 大小/MPa 方位/ 倾角 / 133 中段 317 11.5 235 20 8.2 350 45 5.9 132 38 －167 中段 617 15.2 95 22 10.7 207 42 7.2 345 40 －467 中段 917 20.4 231 6 12.8 139 18 5.9 338 71 －647 中段 1 097 29.2 199 30 24.9 317 39 18.8 84 37 －767 中段 20 川 1 217 24.3 346 30 12.0 167 60 7.1 76 1 －767 中段 26 川 1 217 20.8 168 42 8.7 276 19 －2.4 25 42 －767 中段大车库 1 217 10.5 221 73 7.8 114 5 －1.8 23 16 －767 中段 30 川 1 217 50.6 123 51 36.6 225 10 18.8 323 37 图 2 各中段地应力测点布置示意图 Fig.2 Distribution of stress measurement points at each level 取得了较好的测量数据，而第 2 测段未能取得可靠 数据。 3 －767 中段 20 川测点。该测点位于 20 川端 部，岩性为角闪斜长片麻岩，岩石坚硬完整。该孔 共进行了 2 个测段的地应力测量，第 1 测段测量数 据良好，第 2 测段取得了部分可靠测量数据。 4 －767 中段大车库测点。该测点距主交通道 20 m，岩性为黑云斜长片麻岩。该测点由于受外界 干扰较大，测量数据可信度不高，仅作参考。 5 －647 中段测点。 该测点距混合主井 400 m， 岩性为黑云斜长片麻岩。测量数据基本良好。 6 －467 中段测点。 该测点距混合主井 240 m， 岩性为黑云斜长片麻岩和矿体，2 个测段均在黑云 斜长片麻岩中进行。 解除进尺缓慢平稳， 岩芯完整， 测量数据良好。 7 －167 中段测点。该测点距混合主井 30 m， 岩性为黑云斜长片麻岩。应力计工作状态良好。 8 133 中段测点。该测点距混合主井 60 m，岩 性为黑云斜长片麻岩。应力计工作状态良好，试验 数据可靠。 3.2 测量数据整理测量数据整理 在解除全过程中，数据采集器可以随时记录应 变数据，这样可以便于了解测量过程中数据的详细 变化过程，更有利于对测量数据进行准确的分析。 一般每钻进 3 cm，记录一次数据，试验结束后，绘 制出应变片的应变值随解除深度变化的曲线，即应 力解除曲线。通过应力解除曲线可以检查应变片的 工作状态，判断测量数据的可靠性。正常情况下该 曲线呈规律性变化，解除深度未达到应变花所在位 置时，应变值变化很小；在套芯解除接近应变花位 置时，曲线开始变化；超过应变花位置后，曲线趋 于平稳。 本次测量的 8 个测点绝大部分应力解除曲线都 有较强的变化规律，这说明应变花的工作状态是正 常的。 限于篇幅， 仅给出－167 测点 2 次测量的解除 曲线，如图 3。从图 3 可以看出，解除曲线是比较 典型的，只是图 3b曲线末端有下降的趋势，这主 要是由于岩芯微裂隙张开所致；此外冷却水进入， 3946 岩石力学与工程学报 2004年 a 第 1 次解除 b 第 2 次解除 图 3 －167 中段测点两次应力解除曲线 Fig.3 Measurement curves with twice stress reliefs at－167 m level 也使应变数值有所下降，这种情况在－647 中段测 点、20 川测点和大车库测点中均出现过。 将带有应力计的岩芯由钻孔中取出后，放入围 压率定器中率定，绘制率定曲线并计算出参与应力 计算的有效弹性模量和泊松比。 采用最小二乘法对测量数据进行处理，获得最 接近地应力真实值的计算结果。在计算过程中，去 掉明显异常的应变数据，并考虑计算结果的误差 值，进行综合分析，最终取得比较可靠的应力测量 结果。地应力测量结果见表 1 所列，各测点应力分 量见表 2 所列。 3.3 应力测量结果应力测量结果 从表 1 中可以看出133 中段测点、－167 中段 测点、－467 中段测点、－767 中段 20 川和 26 川测 点的测量结果呈现出应力随深度的增加而增大 的趋势；－647 中段测点最大主应力值达到 29.2 MPa，数值较大，这与该中段最近岩爆活动频繁 比较一致；－767 中段大车库测点最大主应力值仅 为 10.5 MPa，该点在测量过程中应变数据变化规律 较差，仅作参考；－767 中段 30 川测点最大主应力 表表 2 各测点应力分量表各测点应力分量表 Table 2 Stress components at every measuring points MPa 测点位置 σx σy σz τxy τyz τzx 133 中段 9.6 8.4 7.7 2.0 0.2－1.8 －167 中段 14.4 8.8 9.9 0.2 －1.82.0 －467 中段 17.215.2 6.6 3.9 －2.00.0 －647 中段 21.327.723.8 0.6 －2.1－3.0 －767 中段 20 川 8.020.415.0 －3.4 5.2－1.0 －767 中段 26 川 7.910.1 9.0 －3.7 －10.9－1.1 －767 中段大车库 6.5 0.4 9.6 －3.0 －2.9－1.5 －767 中段 30 川36.431.138.6 2.9 －10.511.0 注在固定坐标系 o-xyz 中，x 轴指向东，y 轴指向北，z 轴铅直向。 值达到 50.6 MPa，该测点附近存在明显的应力集中 现象，邻近巷道在测量过程中曾发生过岩爆现象。 通常在矿井下测量得到的最大主应力的倾角较 小，通常小于 20 ，即最大主应力的水平主导性明 显；但该矿测量得到的最大主应力的倾角相对来说 均较大，总体大于 20 ，这可能与该矿采空区的总 体结构及围岩体的局部构造有关。 测量得到的最大主应力方向变化范围较大，其 主导方向为 NNW～NW。 3.4 应力随深度变化规律应力随深度变化规律 从各中段应力测量结果来看，总体显示应力随 深度的增加而增大。用一元线性回归求得最大主应 力回归方程为13. 5σ0.018 HMPa，其中 H 为 深度，单位为m。回归曲线见图4。据国内地应力 实测资料统计[7]，最大主应力随深度增加的线形回 归方程为HS5022. 036. 7，这与该矿的实测情 况比较接近。 4 结结 论论 通过现场地应力测量， 结合矿区工程地质调查， 提出如下几点意见 1 矿区最大主应力方向为NNW～NW，与矿 区构造变形场基本一致，与区域主应力方向基本相 符[6]。 2 最大主应力倾角一般大于20 ， 水平应力主 导性不明显，这可能与采空区结构和局部构造有 关。 第 23 卷 第 23 期 吴满路等. 红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究 3947 图 4 最大主应力值随深度变化回归曲线 Fig.4 Regression curve of principal stress with depth 3 最大主应力值随深度的增加基本呈线性增 大，且与国内地应力资料的统计值相接近。 4 －647中段～－767中段采场及巷道为变形 破坏危险区，这些地点具备了发生岩爆的岩性条件 和应力条件。 5 为了提出变形和破坏的防治措施，还必须 进一步开展综合分析研究工作。此外，还应在矿区 的重点部位进行应力监测，以获得中长期地应力连 续变化的规律，为矿区灾害预报服务。 致谢致谢 本研究工作得到了红透山铜矿领导和勘探工 区的大力协助，在此表示衷心感谢。 参参 考考 文文 献献 1 廖椿庭，施兆贤. 金川矿区原岩应力实测及在矿山设计中的应 用[J]. 岩石力学与工程学报，1983，21103～112 2 王连捷， 任希飞， 丁原辰等. 地应力测量在采矿工程中的应用[M]. 北京地震出版社，1994 3 蔡美峰，乔 兰，于 波等. 金川二矿区深部地应力测量及其分 布规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，1999，184414～418 4 吴满路，廖椿庭，袁嘉音. 荒沟蓄能电站地下厂房地应力状态与 工程稳定性研究[J]. 地球学报，2002，233263～268 5 丁旭初，杨增学，刘宗坚等. 黄河上游某水电站地应力测量及地 下厂房设计中有关问题的研究[A]. 见地壳构造与地壳应力文 集[C]. 北京地质出版社，1988，259～68 6 芮宗瑶，施林道，方如恒等. 华北陆块北缘及邻区有色金属矿床 地质[M]. 北京地质出版社，1994 7 王连捷， 潘立宙， 廖椿庭等. 地应力测量及其在工程中的应用[M]. 北京地质出版社，1991 下期岩石力学与工程学报是今年最后一期学报，集中发表有关青藏铁路与西部岩土工程的论文，主要内容有 1 黄土的静、动力特性试验研究； 2 青藏铁路工程中的岩土力学问题研究； 3 川藏公路滑坡问题研究； 4 敦煌莫高窟地震变形有限元分析； 5 冻土与沙漠地区的地层加固措施； 6 讨论。 此外，作为年末卷终期，还将发表本刊今年全年论文总目次不含增刊。 下期内容预告下期内容预告