姚日林

（江西銅業(yè)集團銀山礦業(yè)有限公司）

我國對金屬礦產(chǎn)資源的需求日益增加，為保障國民資源的供給，國內(nèi)各礦山的產(chǎn)能也隨著增加，如今多數(shù)礦山面臨著淺部資源的消耗殆盡，開采中段水平不斷加深的局面，深部開采將面臨高應(yīng)力、開采擾動等問題，在原始地應(yīng)力的作用下，隨著開采卸壓活動的進行，采場容易發(fā)生巖爆、大面積垮落等危險［1-3］。為解決深部開采的地質(zhì)巖體災(zāi)害與我國金屬礦產(chǎn)高需求、高產(chǎn)量之間的矛盾，對深部巖體的應(yīng)力分布特征進行深入分析，有助于揭示空間卸荷后巖體的應(yīng)力轉(zhuǎn)移與重分布規(guī)律，從而解析深部采場地質(zhì)災(zāi)害的成因［2-5］。

銀山銅鉛鋅礦是我國著名的銅鉛鋅多金屬礦，開采歷史悠久，淺部資源枯竭，已逐漸轉(zhuǎn)入深部地下礦體的開采。為了保證深部礦體開采過程中的圍巖穩(wěn)定性，通過水壓致裂法開展了地應(yīng)力測試［6-8］，分析銀山銅鉛鋅礦銀山區(qū)、九龍上天區(qū)、西山區(qū)、北山區(qū)和九區(qū)深部地應(yīng)力分布規(guī)律，為礦山深部未來開挖巷道的路線、開挖方式的選擇以及巷道工程穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

銀山礦位于德樂中生代火山盆地的北北東的窄長邊緣，按空間分布和產(chǎn)狀的不同，礦內(nèi)由北向南可分為5 個區(qū)，即北山區(qū)、九龍上天區(qū)、九區(qū)、銀山區(qū)和西山區(qū)，各分區(qū)地質(zhì)特征分述如下：

（1）北山區(qū)和九龍上天區(qū)走向NEE，受NEE 向壓扭性斷裂裂隙和千枚巖片理構(gòu)造控制，與片理走向近乎一致。

（2）九區(qū)以網(wǎng)脈和小脈沿千枚巖、變石英閃長巖和石英斑巖的裂隙充填，礦體與接觸帶產(chǎn)狀一致即走向近EW，傾角70°以上。

（3）銀山區(qū)可分為銀山東區(qū)、銀山南區(qū)、銀山西區(qū)和南山區(qū)。銀山東區(qū)主礦體走向NE—NNE；銀山南區(qū)礦體走向NNW—SN，W 傾，傾角60°～85°；銀山西區(qū)產(chǎn)在西山火山口東部的千枚巖斷裂裂隙中，礦體走向NWW，傾向SW，傾角70°～85°；南山區(qū)部分礦體賦存于千枚質(zhì)礫巖及其上覆的火山巖系層間剝離帶中，似層狀平緩產(chǎn)出，走向NWW，傾向SSW。

（4）西山區(qū)產(chǎn)在西山火山口東部的千枚巖斷裂中，礦體走向NNE，傾向SE，傾角70°～80°。

2 地應(yīng)力測試概況

2.1 測試方法及原理

水壓致裂測量法是國際巖石力學(xué)學(xué)會測試方法委員會建議的測定巖石地應(yīng)力的方法之一［9］，其測試原理通過泵入液體對該段封隔鉆孔進行施壓，根據(jù)壓力傳感器計算數(shù)據(jù)，通過終端電腦和數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集與分析，獲取壓裂過程曲線的壓力特征值，最終擬合得到研究區(qū)域的地應(yīng)力特征，測試的數(shù)據(jù)采集如圖1所示。

通過水壓致裂法進行封閉孔段壓裂過程中［10］，鉆孔圍巖存在孔隙水壓力P0，可認為此時巖體的地應(yīng)力由有效應(yīng)力及孔隙水壓力組成［11-13］，當切向有效應(yīng)力值等于或大于巖石的抗拉強度σt時，巖石破裂出現(xiàn)的臨界壓力［14］Pb與巖體的最大和最小水平主應(yīng)力σH和σh有關(guān)：

根據(jù)破裂縫沿最小阻力路徑傳播的原理［15］，關(guān)閉壓力泵后，維持裂隙張開的瞬時關(guān)閉壓力Ps就等于垂直破裂面方向的壓應(yīng)力，即最小水平主應(yīng)力：

則最大水平主應(yīng)力：

2.2 測試鉆孔選取

詳查階段地應(yīng)力測試在銀山區(qū)（SHZKY2309 孔、SHZKY604 孔、SHZK15B03）、九龍上天區(qū)（SHZKJ305孔）和西山區(qū)（SHZKXI-202 孔）共5 個測孔中進行。在5 個測孔中巖石相對完整區(qū)間共獲得52 段實測資料，并對各孔中具有代表性壓裂段進行了印模?？碧诫A段地應(yīng)力測試在北山區(qū)（ZK5B01 和ZK11B04）、九區(qū)（ZKT921 和ZKT6B13）累計布置4 個測孔中進行，采用水壓致裂法在測孔中相對完整段總共獲得37 段實測資料，并對各孔中具有代表性壓裂段進行了印模，具體測試情況見表1。

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3 地應(yīng)力測試成果與分析

3.1 銀山區(qū)

銀山區(qū)測孔在測深為108.0～472.0 m，最大水平主應(yīng)力范圍總體為16.5～41.5 MPa，最小水平主應(yīng)力為10.6～25.1 MPa，鉛直應(yīng)力σz為16.0～24.4 MPa。

銀山區(qū)鉆孔橫截面內(nèi)主應(yīng)力量值與測深關(guān)系如圖2 所示，結(jié)果表明，除了SHZK15B03 孔在180～250 m 范圍內(nèi)受局部構(gòu)造擠壓作用，量值偏大外，銀山區(qū)測孔的水平主應(yīng)力量值與深度總體上呈線性分布。

對測深范圍的實測結(jié)果進行線性擬合，獲得水平主應(yīng)力量值隨深度H變化關(guān)系為SHZKY2309 孔：σH=0.091H-15.7，σh=0.059H-10.3；SHZKY604 孔：σH=0.070H+7.6，σh=0.041H+5.1；SHZK15B03 孔：σH=0.048H+18.4，σh=0.022H+12.0。

3.2 九龍上天區(qū)

九龍上天區(qū)鉆孔橫截面內(nèi)水平向主應(yīng)力量值與測深關(guān)系如圖3所示，可以看出，SHZKJ305孔在121～612 m 測試深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力為10.1～32.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為8.0～23.6 MPa，鉛直應(yīng)力為12.8～26.7 MPa。九龍上天區(qū)測孔在測深范圍內(nèi)水平主應(yīng)力量值與測深呈線性分布。對測深范圍實測結(jié)果進行線性擬合，可獲得水平主應(yīng)力量值隨測深H變化關(guān)系為σH=0.039H+4.9，σh=0.028H+4.4。

3.3 西山區(qū)

西山區(qū)鉆孔橫截面內(nèi)水平向主應(yīng)力量值與測深關(guān)系如圖4 所示，可以看出SHZKXI-202 孔在測深157.5～597.8 m 范圍內(nèi)的最大水平主應(yīng)力為15.4～34.8 MPa，最小水平主應(yīng)力為11.5～22.8 MPa，鉛直應(yīng)力σz為19.2～31.7 MPa。通過對測深范圍實測結(jié)果的線性擬合，獲得水平主應(yīng)力量值隨測深H變化關(guān)系為σH=0.042H+8.8，σh=0.025H+6.9。

3.4 北山區(qū)

北山區(qū)鉆孔橫截面內(nèi)主應(yīng)力量值與孔深關(guān)系如圖5 所示，可以看出，北山區(qū)測孔在測試范圍內(nèi)水平主應(yīng)力量值與孔深呈線性分布。ZK5B01孔在191.0～362.6 m 測試深度范圍的最大水平主應(yīng)力為11.7～27.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為10.1～18.6 MPa，鉛直應(yīng)力σz為18.3～23.2 MPa。ZK11B04 孔在154.3～283.1 m測試深度范圍的最大水平主應(yīng)力為28.2～42.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為16.7～23.9 MPa，鉛直應(yīng)力σz為17.0～20.6 MPa。對測深范圍實測結(jié)果進行線性擬合，可獲得水平主應(yīng)力量值隨孔深H變化關(guān)系為ZK5B01 孔：σH=0.088H-4.8，σh=0.044H+1.3；ZK11B04孔：σH=0.020H+28.1，σh=0.021H+14.6。

3.5 九 區(qū)

九區(qū)鉆孔橫截面內(nèi)主應(yīng)力量值與孔深關(guān)系如圖6 所示，可以看出，九區(qū)測孔在測試范圍內(nèi)水平主應(yīng)力量值與孔深呈線性分布。ZKT921 孔在165.3～622.9 m 測試深度范圍的最大水平主應(yīng)力為17.9～27.8 MPa，最小水平主應(yīng)力為11.8～17.9 MPa，鉛直應(yīng)力σz為16.3～28.4 MPa。ZKT6B13 孔在211.7～482.7 m測試深度范圍的最大水平主應(yīng)力為30.7～47.5 MPa，最小水平主應(yīng)力為19.0～28.2 MPa，鉛直應(yīng)力σz為17.5～24.7 MPa。對測深范圍實測結(jié)果進行線性擬合，可獲得水平主應(yīng)力量值隨孔深H變化關(guān)系為ZKT921 孔：σH=0.020H+ 14.4，σh=0.014H+ 9.2；ZKT6B13孔：σH=0.023H+32.2，σh=0.020H+15.9。

4 礦井深部圍巖應(yīng)力場評價

上述5個不同分區(qū)內(nèi)9個測孔的地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力總體呈NNE～NE 向（平均NE27°），但地應(yīng)力量值呈現(xiàn)不同分區(qū)現(xiàn)象。SHZK2309 孔、SHZKJ305 孔、SHZKXI202 孔、ZK5B01孔和ZKT921 孔所測最大水平主應(yīng)力量值與鉛直應(yīng)力相當（側(cè)壓力系數(shù)約1.0）；SHZKY604 孔、SHZK15B03 孔、ZK11B04 孔和ZKT6B13 孔所測最大水平主應(yīng)力量值明顯高于鉛直應(yīng)力（側(cè)壓力系數(shù)高達1.5 以上）。因此，基于地應(yīng)力實測結(jié)果的分區(qū)特征，擬給出不同測孔所在位置的局部應(yīng)力場分布規(guī)律。

針對銀山區(qū)SHZK2309孔、九龍上天區(qū)SHZKJ305孔、西山區(qū)SHZKXI202 孔、北山區(qū)ZK5B01 孔和九區(qū)ZKT921孔5個測孔及其鄰區(qū)，地應(yīng)力場表達式：

式中，H1為圍巖埋深，m；γ為巖石容重，kN/m3。

針對銀山區(qū)SHZKY604孔和SHZK15B03孔、北山區(qū)ZK11B04孔與九區(qū)ZKT6B13孔4個測孔及其鄰區(qū)，地應(yīng)力場表達式：

根據(jù)上述地應(yīng)力場的建議表達式，依據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287—2016）［16］及完整硬巖（賦存高地應(yīng)力的一般條件）抗壓強度Rc=50 MPa，可以得出各鉆孔附近高應(yīng)力、極高應(yīng)力的埋深分布范圍，如表2所示。

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5 結(jié) 論

（1）通過在銀山礦區(qū)深部銅鉛鋅礦銀山區(qū)（SHZKY2309 孔、SHZKY604 孔及SHZK15B03 孔）、九龍上天區(qū)（SHZKJ305 孔）、西山區(qū)（SHZKXI202 孔）、北山區(qū)（ZK5B01 孔、ZK11B04 孔）和九區(qū)（ZKT921 孔、ZKT6B13 孔）9 個深孔的原位地應(yīng)力測試及分析，通過水壓致裂測量法測得各鉆孔的最大及最小水平地應(yīng)力。

（2）SHZK2309、SHZKJ305、SHZKXI202、ZK5B01和ZKT921 孔測深范圍最大水平主應(yīng)力與自重應(yīng)力相當（側(cè)壓力系數(shù)約1.0），埋深880 m 起屬于高地應(yīng)力區(qū)；SHZKY604、SHZK15B03、ZK11B04 和ZKT6B13孔測深范圍最大水平主應(yīng)力明顯增高（側(cè)壓力系數(shù)高達1.5），埋深550 m起即屬于高應(yīng)力區(qū)。