周高明

(彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657602)

毛坪鉛鋅礦最大主應力測試及地應力等級的確定

周高明

(彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657602)

為了初步了解毛坪鉛鋅礦的地應力狀態(tài)，采用地質構造形跡法、聲發(fā)射Kaiser效應等方法對礦山的主應力進行了分析，并對地應力水平進行了判別。研究結果表明：毛坪鉛鋅礦的最大主應力方向界于N60°～70°W與N45°～50°W之間，最大主應力約12.14 MPa，以巖石強度應力比為判斷標準，認為毛坪鉛鋅礦存在由低地應力向中高地應力發(fā)展的趨勢。

最大主應力 地應力級別 聲發(fā)射 Kaiser效應

對于采礦工程而言，地壓的影響非常顯著，采場、巷道的布置問題，支護方式的選擇問題，礦山企業(yè)效益的控制問題，井下工作人員的安全問題等一系列內容均需要對礦山地壓有一個明確的認識。然而，像任何物體的失穩(wěn)破壞決定于它的受力狀態(tài)一樣，工程巖體的變形、移動和破壞同樣與其所處的應力環(huán)境密切相關。因此，要有效地控制地壓，必須了解巖體賦存的地應力狀態(tài)。

1 工程概況

毛坪鉛鋅礦床位于云南省昭通市彝良縣境內，是滇東北具代表性地鉛鋅礦床之一。礦區(qū)北東—南西長達26 km，最寬處10 km。洛澤河穿過礦區(qū)，把礦區(qū)分為河東、河西兩片。河東為毛坪鉛鋅礦區(qū)、河西為紅尖山—陳家屋基地段。區(qū)域大地構造位置位于康滇地軸以東揚子準地臺西南緣東臺褶帶滇東北褶束中部，處于北東向構造和北西向構造的相交部位，區(qū)域構造變形相對復雜，斷裂發(fā)育。礦區(qū)出露的地層主要有泥盆系(上統(tǒng)宰格組)、石炭系(豐寧統(tǒng)、威寧統(tǒng))、二疊系(下統(tǒng))、第四系各組，主要以濱淺海相碎屑巖和淺海相碳酸鹽巖為主，碎屑巖主要為砂、頁巖夾煤層，碳酸巖主要為灰?guī)r和白云巖。礦區(qū)內主干構造和控礦構造為石門坎背斜，其軸向線展布方向為北東—南西。礦床主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體(群)組成，均呈NEE—SWW向大致平行延伸，其中Ⅰ號礦體(群)規(guī)模最大。

2 毛坪鉛鋅礦最大主應力的確定

要確定巖體所賦存應力狀態(tài)最為準確的方法便是進行現(xiàn)場量測，如應力解除法、水壓致裂法等[1]。然而實測方法雖然從技術上已比較成熟，但由于成本較高，因此，這對于并非十分重要且非永久性的采礦工程而言，花費大量資金進行實測是不現(xiàn)實的。

地質力學認為，今天存在于地球上的諸如褶皺、斷裂、節(jié)理等地質構造形跡均是地應力作用的結果，使得通過現(xiàn)存的地質構造形跡反推地應力場狀態(tài)成為可能[2-4]。據(jù)此，在對研究區(qū)地質力學及構造地質分析基礎上確定研究區(qū)的應力場方向，再有選擇性的進行少數(shù)點的應力量測與計算，便可定量地確定區(qū)內的主應力狀態(tài)。

2.1 應力場特征的判斷

已有研究表明，一個地區(qū)巖體中的應力狀態(tài)與地表的地形地貌有關：基準面以上主要是重力應力場，而在基準面以下的應力狀態(tài)則需根據(jù)地區(qū)所處的地理位置和地質構造形跡進行綜合分析。

就毛坪礦而言，礦區(qū)所處的山脈走向大致與區(qū)域構造線一致，多為北東向的順向山，屬中高山河谷地貌。由于洛澤河流經礦區(qū)，區(qū)內地形陡峻，侵蝕切割強烈，形成幼年期“V”字形河谷地形，區(qū)內海拔標高+894～+2 184.5 m，相對高差達1 294.5 m，基準面上、下均有礦體賦存。因此，該礦的地應力場并不是簡單的重力應力場。

2.2 最大主應力方向的確定

某個小范圍礦區(qū)的地應力場受區(qū)域總體應力場的控制與支配明顯，因此，通過區(qū)域主構造線了解區(qū)域地應力場狀態(tài)(主要是主應力方向)就成了大致確定礦區(qū)應力場特征的簡便而又實用的方法。而所謂主構造線，是指一個地質區(qū)域內規(guī)模最大的構造面與地面的交線。

地質力學認為：褶皺是由于巖層受側向擠壓作用生成的，因此褶皺軸面總是正交于壓應力方向；同樣，逆斷層屬于壓性構造面，其形成的應力條件是最大主應力與中間主應力水平，最小主應力直立，而逆斷層走向線與最大主壓應力方向正交。

就毛坪礦區(qū)而言，其所在區(qū)域構造變形特征獨特，西為北東向構造帶，東為北西向構造帶，兩構造交匯部位，組合成了“入”字型、“T”字型構造。北東向構造以待補斷裂、翻身村斷裂以及近南北向的花苗寨背斜、馬踏向斜為主，北西向構造主要有云貴橋斷層、洛澤河斷層、龍街斷層和羅卜夾斷層等。被夾持于翻身村斷裂和待補斷裂之間的花苗寨背斜(在礦區(qū)范圍內亦稱為石門坎背斜)，呈北西向突出的弧形展布，軸線在北端走向為20°～30°，南端為350°，該背斜是礦區(qū)的主干構造，也是主要的控礦構造；而且通過調查獲知礦區(qū)內的各主要斷層大多以逆斷層形式存在，斷層走向大致為N40°～45°E。

綜上，毛坪礦區(qū)的主干構造為花苗寨背斜(即石門坎背斜)，其總體走向為N20°～30°E，逆斷層走向線約為N40°～45°E，由此可確定該礦區(qū)的最大主應力方向應為北西向，其方位大致為N45°～70°W。

2.3 基于聲發(fā)射kaiser效應確定主應力大小

根據(jù)聲發(fā)射Kaiser效應測量地應力有2種手段，若既不知道主應力的方向也不知道其大小，那么需在某一地段從6個方向分別取芯，再根據(jù)彈性力學原理進行計算分析，進而得到地應力場的大小和方向[5-6]。若已知主應力的方向但不知其大小，則可直接通過室內單軸抗壓試驗觀測其聲發(fā)射指標(振鈴數(shù)或能量)，進而判斷主應力的大小[7]。

根據(jù)地應力測量中“所測區(qū)域巖性應對工程區(qū)域具有代表性”的基本要求，測試對象確定為粗晶白云巖，再結合已確定的主應力方位，最終選取如下2個鉆孔巖芯樣開展試驗。

試樣1：610 m中段鉆孔，方位角130°，孔深40～55 m，粗晶白云巖D3。

試樣2：729 m中段鉆孔，方位角310°，孔深30～40 m，粗晶白云巖D3。

根據(jù)聲發(fā)射測地應力的原理，在后一次應力施加到前一次所經歷的最大應力之前，是不會出現(xiàn)大量聲發(fā)射現(xiàn)象的(如振鈴數(shù)或能量的突然增大)，因此，可以以聲發(fā)射信號出現(xiàn)突然增大拐點處所對應的應力值作為地應力大小的判斷依據(jù)。圖1、圖2分別為2個中段巖樣實驗獲得的能量、聲發(fā)射振鈴數(shù)與應力關系曲線。

從試驗結果可以看出，只要試驗正常完成確實會出現(xiàn)聲發(fā)射突然增大的現(xiàn)象。然而，是否只要出現(xiàn)聲發(fā)射信號突然增大現(xiàn)象便都認為是巖樣歷史上所承受的最大應力值即地應力呢？答案是否定的。

聲發(fā)射(AE)的理論研究結果表明，當巖體發(fā)生破壞時同樣會產生大量聲發(fā)射信號增大的現(xiàn)象，而且突變點會超前于巖體破壞一定時間，而這也正是采用聲發(fā)射手段進行地壓監(jiān)測、預警預報的依據(jù)。

據(jù)此，不難獲得如下信息：聲發(fā)射信號的突然增大既可能是超過歷史承受最大應力引起，也可能是巖石(體)即將發(fā)生破壞的前兆?；诖耍梢詫Ρ敬卧囼灚@得的數(shù)據(jù)進行剔除、分析，進而獲得可表征毛坪礦地應力大小的數(shù)據(jù)值。

表1為試驗相關數(shù)據(jù)及地應力大小分析結果。從表中可看出，在剔除掉過于靠近峰值應力、不能作為地應力判斷標準的聲發(fā)射拐點值后，729 m中段的最大主應力平均值為12.67 MPa，610 m中段為11.60 MPa，整體平均為12.14 MPa。

圖1 729 m中段巖芯樣聲發(fā)射振鈴數(shù)與應力關系曲線

3 對毛坪礦地應力程度的判別

3.1 判別標準

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，采礦、水利水電、隧道等地下工程在深度和廣度上的建設規(guī)模越來越大，高地應力問題逐漸成了工程安全建設不得不考慮的重要因素。關于高地應力的界定標準，目前常用的判別方法有如下幾個[8]。

圖2 610 m中段巖芯樣聲發(fā)射能量與應力關系曲線

(1)方法1：以地應力的絕對大小劃分，認為最大主應力達到20～30 MPa便處于高地應力狀態(tài)。

(2)方法2：以巖石單軸抗壓強度和最大主應力的比值來劃分，但不同國家的界定范圍不盡相同。

(3)方法3：通過地應力量級與自重應力量級的對比進行判定，當水平應力分量大大超過上覆巖層的巖體重量時，就認為巖體處于高地應力狀態(tài)。

表1 聲發(fā)射試驗結果

3.2 判別結果

根據(jù)上述3種不同的判別方法，依據(jù)試驗結果對毛坪礦的地應力進行初步判別，結果見表2所示。從表2可看出，不同評價方法所得到的計算結果不盡相同。實際上，高地應力或低地應力都是相對概念，因此，對地應力的評價，亦應該考慮地應力對不同巖體影響程度的不同，以反映巖體對地應力相對承受能力的差異。所以，一般認為采用方法2，即巖石強度應力比來評價地應力的級別是比較符合客觀實際的?；谠撚^點，通過表2不難判斷，毛坪礦區(qū)基本屬于中—高地應力水平。綜合來看，雖然毛坪礦地應力絕對值并非很大，但由于粗晶白云巖體強度較低，且呈現(xiàn)隨著埋深的增加逐漸減小的趨勢，所以毛坪礦區(qū)的地應力狀態(tài)還是存在由低地應力向中地應力甚至高地應力發(fā)展的傾向。

表2 毛坪礦地應力程度判別結果

4 結 論

(1)通過地質構造形跡法認為毛坪礦區(qū)的最大主應力方向為N45°～70°W。

(2)基于聲發(fā)射Kaiser效應分析后得到毛坪礦最大主應力平均值為12.14 MPa。

(3)以巖石強度應力比為判斷標準，毛坪礦區(qū)存在著由低地應力向中高地應力發(fā)展的趨勢。

(4)巖體的應力狀態(tài)非常復雜，本次最大主應力的計算結果僅是對少數(shù)巖樣進行試驗獲得的，若想得到更加準確的地應力特征，在有條件時還是應開展地應力的現(xiàn)場測試工作。

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(責任編輯 石海林)

Determination of the Maximum Principal Stress and In-situ Stress Level in Maoping Lead-zinc Mine

Zhou Gaoming

(YihangChihongMiningCo.，Ltd.，Zhaotong657602，China)

In order to preliminarily understand the in-situ stress state in Maoping lead-zinc mine，the methods such as geological structure acting and Kaiser effect of acoustic emission were used to analyze the principal stress of mine.On that basis，the level of in-situ stress was judged.The research results showed that the maximum principal stress direction of Maoping lead-zinc mine ranged from N60° to 70°W and from N45° to 50°W，and the value of the maximum principal stress is about 12.14 MPa.Taking the stress ratio of rock strength as the criteria of judgment，it is considered that the in-situ stress of Maoping lead-zinc mine exist a development trend from low ground stress to high ground stress.

Maximum principal stress，In-situ stress level，Acoustic emission，Kaiser effect

2014-11-02

周高明(1967—)，男，高級工程師，碩士。

TD311

A

1001-1250(2015)-04-048-04