李文秀，汪 琦，吉占華，尹 夏，李冀飛

(河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

1 研究背景

為了確定深部原巖應(yīng)力狀態(tài)尤其是最大水平應(yīng)力狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外研究技術(shù)人員多年來(lái)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析［1－6］。目前，在原巖應(yīng)力測(cè)量中，采用較多的為應(yīng)力解除法。該方法采用一個(gè)鉆孔即可獲得三維應(yīng)力，所獲結(jié)果比較準(zhǔn)確。

本文以小官莊鐵礦為例進(jìn)行分析。小官莊鐵礦為地下豎井開(kāi)拓，根據(jù)開(kāi)采區(qū)域，礦山目前的主要采區(qū)為東采區(qū)和北采區(qū)。礦區(qū)開(kāi)采平面見(jiàn)圖1。

圖1 小官莊礦區(qū)平面示意圖Fig.1 Plan of Xiaoguanzhuang iron mine(surface features)

如圖1所示，小官莊礦區(qū)位于萊蕪地區(qū)中部，本地區(qū)為一斷陷盆地。礦區(qū)主要構(gòu)造為F3斷層。F3斷層為一正斷層，走向 N30°W，傾向 NE，傾角70°，長(zhǎng)達(dá)1.1 km，垂直斷距50～80 m，水平斷距50～100 m，東盤(pán)下降南移，西盤(pán)上升。

沿?cái)鄬臃较虻貙訛殚W長(zhǎng)巖，閃長(zhǎng)巖為一狹長(zhǎng)的凸起，將礦體明顯地分為東、西2部分。根據(jù)地質(zhì)勘探資料分析，F(xiàn)3斷層形成于成礦前，造成其兩側(cè)的礦體及巖體落差較大，因?yàn)镕3有較大的水平錯(cuò)動(dòng)，所以其兩側(cè)的地層層位并不對(duì)應(yīng)。由于斷層F3的作用，小官莊礦采區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理發(fā)育，同時(shí)對(duì)采區(qū)應(yīng)力場(chǎng)具有重要影響。

2 礦山開(kāi)采及影響現(xiàn)狀

小官莊鐵礦采礦方法為分段崩落法，中段高度50 m，分段高度10～12.5 m，進(jìn)路間距10 m，上下分段采礦進(jìn)路交錯(cuò)開(kāi)。分段崩落法示意圖見(jiàn)圖2。

由于礦區(qū)基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巷道圍巖總體為裂隙化軟弱巖體，這種復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)在較高應(yīng)力作用下變形破壞更為突出。在巷道圍巖裂隙發(fā)育區(qū)段，當(dāng)開(kāi)挖并實(shí)施支護(hù)完成后，圍巖很快就發(fā)生了變形破壞，部分沿巖體結(jié)構(gòu)面破壞，造成噴層開(kāi)裂達(dá)5～10 cm。后期圍巖發(fā)生持續(xù)大變形，宏觀上呈條帶狀鼓脹，原破壞部位持續(xù)變形可達(dá)1 m以上。

3 采區(qū)原巖應(yīng)力測(cè)試分析

3.1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)小官莊鐵礦的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)以及生產(chǎn)特點(diǎn)要求，原巖應(yīng)力測(cè)試主要是在高程－350，－420 m兩個(gè)開(kāi)采中段共布置了6個(gè)地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，取得了原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)資料。測(cè)孔布置示意圖見(jiàn)圖3。

圖2 小官莊礦的分段崩落法Fig.2 Sublevel caving mining in Xiaoguanzhuang mine

圖3 應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)布置示意圖(高程－420 m)Fig.3 Layout of stress measurement points(at elveation－420 m)

3.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及應(yīng)力場(chǎng)特征

巖體應(yīng)力測(cè)量采用了中空包容式三軸應(yīng)變計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，把三軸應(yīng)變計(jì)安裝在36 mm的小孔中，通過(guò)鉆取巖芯(即套芯法應(yīng)力解除技術(shù))量測(cè)三軸應(yīng)變計(jì)的恢復(fù)應(yīng)變。

課題組在小官莊鐵礦高程－300 m以下進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試。數(shù)據(jù)處理時(shí)，需采用基于最小二乘法原理的平差方法計(jì)算。實(shí)測(cè)結(jié)果列入表1和表2。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，小官莊地下采場(chǎng)處于復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)中，原巖應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為近似垂直于礦體走向并接近于水平的應(yīng)力為最大水平主應(yīng)力，采場(chǎng)巷道側(cè)幫破壞，正是因?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力作用引起的。最大水平主應(yīng)力計(jì)算公式為

根據(jù)計(jì)算可知，采區(qū)在高程－350 m水平實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力為 σH=17.14 MPa，方位 N46°W;在－420 m水平實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力為σH=25.26 MPa，N47°W;σH平均方位N46.5°W。實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，運(yùn)輸平巷圍巖破壞較采場(chǎng)進(jìn)路更為嚴(yán)重。

對(duì)直通式截止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模之后，通過(guò)剖面圖可以直觀清晰的了解到截止閥體腔內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)參考裝配體剖面圖，單獨(dú)對(duì)截止閥體腔內(nèi)流道進(jìn)行三維建模，針對(duì)閥瓣的不同開(kāi)度。分別建立如圖2：直通式截止閥閥瓣的閥開(kāi)度分別為公稱(chēng)直徑0%(1 mm)、15%、30%、45%時(shí)的四種流道狀態(tài)外部結(jié)構(gòu)相同的三維模型。

應(yīng)力測(cè)試區(qū)內(nèi)存在斷層F3，該斷層形成于燕山期，走向 N30°W，傾向 NE，傾角 70°，長(zhǎng)達(dá)1.2 km。斷層F3對(duì)于小官莊鐵礦區(qū)原巖應(yīng)力場(chǎng)影響很大。在長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)作用下，NWW－EW向優(yōu)勢(shì)斷裂影響了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷裂構(gòu)造特性，結(jié)合地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，可推斷小官莊礦區(qū)的構(gòu)造主壓應(yīng)力為NWW－EW向;與魯中區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向基本一致，為EW向。

表1 現(xiàn)場(chǎng)主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Table 1 The results of in-situ main stress measurement

表2 應(yīng)力分量Table 2 The components of in-situ stress

4 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

小官莊地下采場(chǎng)巷道處于復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)中。以近似垂直于礦體走向并接近于水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力的原巖應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致巷道破壞極為嚴(yán)重。

由于最大水平主應(yīng)力方位是N46.5°W，與大部分階段巷道幾乎正交，因此對(duì)運(yùn)輸平巷穩(wěn)定性影響很大。各分段開(kāi)拓布置實(shí)際情況見(jiàn)圖4。

圖4 采場(chǎng)巷道布置示意圖(北區(qū)高程－387 m)Fig.4 Layout of roadways in the stope(elevation in north mining area:－387m)

從圖中可見(jiàn)，最大水平主應(yīng)力σH與采準(zhǔn)巷道相交的角度基本上在25°～90°之間，由于該應(yīng)力近水平，因此具有較大的破壞性。根據(jù)采場(chǎng)開(kāi)拓系統(tǒng)布置圖4來(lái)看，采區(qū)大部分采場(chǎng)中的巷道與應(yīng)力場(chǎng)中的最大水平主應(yīng)力的交角θ=25°～28°，分段運(yùn)輸平巷與最大水平主應(yīng)力的交角θ=63°～86°。

為掌握巷道圍巖變形規(guī)律并為支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，具體實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 北區(qū)高程－350 m水平9號(hào)采準(zhǔn)巷道變形Fig.5 Deformations of roadway No.9 at elevation of－350m in the north mining area

應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，測(cè)區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力作用明顯，最大水平主應(yīng)力大于巖體自重，方向與區(qū)域構(gòu)造一致。巷道開(kāi)挖后，在兩側(cè)邊幫與頂拱、底板產(chǎn)生了應(yīng)力集中，大于巖體的支撐能力，造成了圍巖的變形破壞。由于圍巖具有流變性，在高應(yīng)力持續(xù)作用下，產(chǎn)生了持續(xù)大變形，宏觀上呈條帶狀鼓出。高應(yīng)力作用下，對(duì)于軟弱圍巖的巷道，在圍巖應(yīng)力較高部位加強(qiáng)支護(hù)，在選擇支護(hù)時(shí)機(jī)的同時(shí)，采用綜合支護(hù)技術(shù)措施是符合工程實(shí)際的。

具體的實(shí)施過(guò)程中，在北采區(qū)部分分段聯(lián)巷進(jìn)行了錨網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)，分段聯(lián)巷周?chē)倪M(jìn)路實(shí)際上早已經(jīng)開(kāi)始掘進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，采用錨網(wǎng)支護(hù)的聯(lián)巷已經(jīng)受到采場(chǎng)開(kāi)采后構(gòu)造應(yīng)力的影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，盡管采區(qū)存在近水平的構(gòu)造應(yīng)力作用，但巷道錨網(wǎng)支護(hù)效果良好。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn):最大水平主應(yīng)力與巷道軸向夾角θ大小與巷道變形有關(guān)。巷道變形在夾角θ=60°～90°時(shí)變化明顯;此時(shí)巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)。在北區(qū)和東區(qū)，當(dāng)θ=60°～90°時(shí)，巷道頂、底板變形尤為突出，最大水平主應(yīng)力開(kāi)始起控制作用，巷道兩幫及頂、底板的垂直應(yīng)力變化不明顯。這就意味著，巷道兩幫及頂、底板變形情況處于同等水平。針對(duì)此類(lèi)情況，在支護(hù)過(guò)程中，采用了相同的強(qiáng)度，客觀上收到了較好的效果。

5 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地表移動(dòng)的影響

隨著開(kāi)采深度的增加，深部巖體的力學(xué)行為在賦存狀態(tài)改變的情形下趨于復(fù)雜。根據(jù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明:在小官莊礦條件下，深部巖體在高地應(yīng)力狀態(tài)下受采后高附加應(yīng)力影響，導(dǎo)致深部開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)范圍邊界線都大于淺部。為確定開(kāi)采引起上覆巖層移動(dòng)范圍，在地表布設(shè)了巖體移動(dòng)觀測(cè)站。測(cè)點(diǎn)布置的具體情況見(jiàn)圖6。

深部開(kāi)采導(dǎo)致移動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，可從豎井及井塔樓移動(dòng)變形得到驗(yàn)證。小官莊礦山主井及2個(gè)副井均布置在礦體下盤(pán)中央位置，由于受巖體移動(dòng)影響，原設(shè)計(jì)在影響范圍之外的豎井卻發(fā)生了位移和變形。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，井塔樓的變形方向是指向采空區(qū)的(即NWW方向)。由豎井的變形移動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，水平構(gòu)造力對(duì)地表變形的影響較為明顯。隨著深部礦體開(kāi)采的延續(xù)，水平應(yīng)力及其對(duì)地表移動(dòng)變形影響也將會(huì)進(jìn)一步增大。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究的結(jié)果，在軟巖地層深部采用長(zhǎng)臂全陷或崩落法開(kāi)采條件下，當(dāng)形成一定的采空區(qū)之后，水平應(yīng)力往往大于垂直應(yīng)力，且水平應(yīng)力方向指向采空區(qū);這一結(jié)果已被該礦實(shí)際所證實(shí)。

圖6 采區(qū)地表觀測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Layout of ground observation points in mining areas

6 結(jié)論

根據(jù)測(cè)試分析，崩落法開(kāi)采的小官莊鐵礦的深部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有的特征是:

(1)隨深度的增加，該礦的垂直應(yīng)力接近于上覆巖層的重量;最大水平主應(yīng)力σH方位從NWW向到近于EW向。

由此可見(jiàn)，地應(yīng)力場(chǎng)是以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)的水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。近水平最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值約為1.03～1.19倍。說(shuō)明該礦的地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，采礦活動(dòng)及其影響均受水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)所控制。

(2)最大水平主應(yīng)力的方位與本采區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造方向有關(guān);本礦區(qū)主應(yīng)力直接受礦區(qū)內(nèi)F3斷層影響(方位N30°W);其余斷裂構(gòu)造(NW，EW向)也有一定影響;說(shuō)明采區(qū)的原巖應(yīng)力場(chǎng)受地質(zhì)構(gòu)造影響較為明顯。

(3)最大水平主應(yīng)力與巷道軸向的夾角θ大小及巷道變形有關(guān)。在θ=60°～90°時(shí)，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)。

(4)采場(chǎng)進(jìn)路開(kāi)挖過(guò)程也是其采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)不斷轉(zhuǎn)移的過(guò)程，正是由于應(yīng)力場(chǎng)的不斷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致2進(jìn)路之間的間柱以及進(jìn)路圍巖破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致進(jìn)路出現(xiàn)片幫、底鼓、頂板下沉等現(xiàn)象。因此，增大采場(chǎng)進(jìn)路間距將有利于改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(5)對(duì)于深部應(yīng)力集中區(qū)域，實(shí)施卸壓開(kāi)采技術(shù)有利于改善深部水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的不利影響，可確保安全生產(chǎn)。

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