金川二矿深部1000m中段地应力测量及应力状态研究

Abstract：The Jinchuan mine is a large copper and nickel deposit，and the mine district No.2 is one of the key deposits of the Jinchuan nickel mine. At present，this district goes into the deep mining. The drifts are strongly deformed and severely damaged by deep mining. In order to study stress state in deep mining，geostress survey is carried out in mine district No.2. In-situ stress measurement is carried out by hollow inclusion gauge method，and three-dimensional stresses at seven measuring points are obtained. The measurement results show that at the depth 700 to 800 m from underground，the maximum principal stress is about 20 to 30 MPa. For most of the measuring points， the maximum principal stresses are in the direction of NNE-NE， and the dip angle of them is above 40° ； and the stress state governed by the horizontal stress changed obviously. Key words：mining engineering；mine district No.2 of Jinchuan mine；geostress survey；stress state 上特大型硫化铜镍矿床之一。矿床集中分布在龙首
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岩石力学与工程学报
2008 年
割，将矿体分为 4 个相对独立的矿区，由西向东依 次为三矿区、一矿区、二矿区、四矿区。一矿区已 全面开采，包括前期开采的露天矿和已经转入井下 开采的龙首矿；二矿区浅部开采已基本结束，现已 进入深部开采阶段；位于东、西部的四矿区和三矿 区，目前还未进入开采阶段。二矿区是金川镍矿的 主力矿山，年出矿量 350×10 t，占整个矿山矿石产 量 70%以上，二矿区的连续、高效、安全开采对整 个矿山意义重大。 地应力是引起巷道、采场变形破坏的根本作用 力，地应力测量对矿山开采设计具有重要意义。对 于金川矿区中浅部及邻区现今构造应力场的研究， 前人已做过大量工作
～9]
。20 世纪 70 年代末，中国
地质科学院地质力学研究所等单位在矿区及其外围 开展了原岩应力实测、地质构造调查及构造应力场 的研究，查明了本区应力作用特征，并在全面调查 矿区巷道变形破坏的基础上， 结合地应力测量结果、 岩体结构构造特征、有限单元法应力分析成果，进 行巷道变形破坏特征分析，提出了针对性的防治措 施，在现场检验中取得了良好效果；80 年代末，中– 瑞合作在二矿区开展了系统的岩石力学研究工作， 采用变形和应力监测以及计算机模拟等综合技术手 段，对采掘技术、支护方式进行试验研究，提出了 有价值的建议；90 年代，北京科技大学等单位在二 矿中深部进行了地应力测量工作，并对二矿区 II 期 工程——无矿柱大面积连续开采的稳定性及其控制 技术进行了研究，取得了一系列成果。 二矿区目前采用多中段下向胶结充填无矿柱大 面积连续开采方法，采动影响剧烈，且岩体断裂、 节理、裂隙十分发育，为地下工程的稳定带来极为 不利的影响。进入深部开采后，巷道、采场、充填 体结构越来越复杂，围岩碎胀蠕变明显，岩体变形 破坏进一步加剧，巷道和采场稳定性控制问题更加 突出。目前二矿深部巷道、采场围岩变形破坏特征 已发生明显变化，以往关于巷道和采场应力状态的 研究成果、巷道和采场设计的成功经验 ，能否应 用于深部开采设计，还需要进一步开展研究进行确 定。 为保证二矿区深部开拓、 开采工程的顺利实施， 在深部进行了系统地应力测量工作，获得不同部位 应力分布状态，为工程设计以及支护方式的选择提 供了科学依据。
(1. 中国地质科学院 地质力学研究所，北京 100081；2. 金川集团有限公司，甘肃 金昌 737100)
摘要：金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿，而二矿又是金川镍矿的主力矿山。目前二矿已进入深部开采阶段，由 于矿岩破碎、剧烈开采扰动以及巷道采场结构越来越复杂，加之应力状态的改变，围岩稳定性问题更加突出。为 此在二矿深部 1 000 m 中段进行了系统的地应力测量，以了解深部应力分布特征及其变化规律。现场测试采用空 心包体应力解除法，共获得 7 个测点的三维应力数据。地应力测量成果表明，在井下 700～800 m 深度范围内，最 大主应力量值基本为 20～30 MPa，大部分测点最大主应力方位为 NNE～NE 向，最大主应力倾角在 40° 以上，以 水平应力为主导的应力作用特征发生改变。 关键词：采矿工程；金川二矿；地应力测量；应力状态 中图分类号：TD 311 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增 2–3785–06
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吴满路，等. 金川二矿深部 1 000 m 中段地应力测量及应力状态研究
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测点 6 测点 7 测点 5 测点 1 测点 2 测点 4 测点 3
现场地应力测量
3.1 温度补偿方法 空心包体三轴应力计采用电阻应变片作为测量 元件，电阻应变片对温度变化非常敏感，解除钻进 测量过程中温度将发生较大变化，而由于温度变化 引起的应变是虚假的附加应变，如果不采用合理措
，10，11]
完整，但解除的完整岩芯中见有微裂隙。解除数据 和率定数据良好。 (3) 25 行穿脉测点(测点 3)：钻孔方位角 66° ， 倾角－5° 。该测点位于巷道掌子面上，岩石比较破 碎，测量段位于贫矿矿体中，岩石比较完整。该测 点进行了 1 个测段的地应力测量，解除进尺平稳， 数据变化正常。 (4) 22 行穿脉测点(测点 4)：钻孔方位角 44° ， 倾角－5° 。该测点位于巷道掌子面上，岩性为富矿， 岩石坚硬完整，2 次解除测量均取出超过 40 cm 长 完整岩芯。解除数据和率定数据变化正常，应力计 工作状态良好。 (5) 6 行围岩测点(测点 5)：钻孔方位角 23° ， 倾角－4° 。该测点位于巷道壁上，岩性为白色大理 岩。岩石坚硬完整，节理裂隙不发育。该测点共进 行了 3 个测段的地应力测量，解除曲线和率定曲线 均显示应力计工作状态良好，测量数据可靠。 ， (6) 12 行穿脉测点(测点 6)：钻孔方位角 48° 倾角－5° 。该测点位于巷道掌子面上，岩性为富矿， 岩石坚硬完整，取芯率达 90%。该测点共进行了 3 个测段的地应力测量，前 2 个测段由于主动钻杆偏 心， 致使测量小孔偏大， 应力计未与孔壁良好粘结， 测量失败；第 3 个测段应力计工作正常，解除曲线 和率定曲线良好，测量数据可靠。 (7) 14 行穿脉测点(测点 7)：钻孔方位角 45°， 倾角－4° 。该测点位于巷道掌子面上，岩性为富矿。 开孔段岩石比较破碎，超过围岩松动圈后，岩石完 整，取芯率达 100%。该测点共进行了 2 个测段的 地应力测量，2 次解除测量均取出超过 40 cm 长完 整岩芯。解除曲线和率定曲线均显示应力计工作状 态良好，测量数据可靠。
[1，2] 4
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测量方法和测点布置
2.1 测量方法 目前地应力测量方法较多，国内外比较常用的 方法是水压致裂法和应力解除法[4
， 5]
。应力解除法
根据测量元件的不同，又分为压磁应力解除法、空 心包体三轴应力计解除法等。水压致裂法主要应用 于深部地应力测量，压磁应力解除法主要应用于地 表浅部平面应力测量，当把水压致裂法、压磁应力 解除法应用于井下三维应力测量时，需要在测点处 打三个交汇于一点的钻孔，进行三次平面应力测量， 进而计算出该点的三维应力状态；空心包体三轴应 力计解除法通常应用于矿山、隧道等地下工程的应 力测量，其优点是测量精度较高，安装操作简便， 效率高。本次地应力测量采用空心包体三轴应力计 解除法，该方法单孔可测得岩体三维应力状态，对 于井下深部地应力测量，具有独特的优势。目前该 方法已广泛应用于矿山、水电及隧道等地下工程的 研究中[6
STUDY ON RECENT STATE OF STRESS IN DEPTH 1 000 M OF JINCHUAN MINE
WU Manlu1，MA Yu1，LIAO Chunting1，LEI Yang2，GAO Zhi2，OU Mingyi1
(1. Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Science，Beijing 100081，China； 2. Jinchuan Group Ltd.，Jinchang，Gansu 737100，China)
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2008 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 Supp.2 Sept.，2008
金川二矿深部 1 000 m 中段地应力测量 及应力状态研究
吴满路 1，马 宇 1，廖椿庭 1，雷 扬 2，高 直 2，区明益 1
[3]
。
2.2 测点布置 为了解金川二矿区 1 000 m 中段岩体的应力状 态，开展了本次现场应力测量工作，在工程地质调 查的基础上，结合现场施工条件，确定如下 7 个测 点位置(见图 1)：在 20 行穿脉和沿脉方向各布置 1 个测点，分别在 22，25，14，12 行穿脉方向上各布 置 1 个测点，在 6 行围岩中布置 1 个测点。7 个测 点均布置在新鲜完整的围岩或矿体中，分布均匀， 且基本涵盖了各种岩性。测点大部分位于巷道掌子 面上，避开了巷道弯、叉、拐等应力集中区以及岩 石破碎带、断裂发育带，同时测点也尽量远离大的 采空区和洞室。各测点的布置情况如下： ， (1) 20 行穿脉测点(测点 1)：钻孔方位角 55° 。该测点位于巷道掌子面上，岩性为富矿， 倾角－4° 岩石坚硬完整，节理裂隙不发育，取芯率达 80%。 该测点共进行了 3 个测段的地应力测量，解除曲线 和率定曲线均显示应力计工作状态良好，测量数据 可靠。 ， (2) 20 行沿脉测点(测点 2)：钻孔方位角 130° 倾角－5° 。该测点位于巷道壁上，岩性为富矿，开 孔数米巷道围岩松动圈内岩石较破碎，测量段岩石
图1 Fig.1
金川二矿 1 000 m 中段地应力测点分布图
Distribution of points for stress measurement at depth 1 000 m
施消除解除过程中温度变化的影响，测量数据将不 能真实反映岩体的弹性恢复变形过程。传统的温度 补偿方法是在惠斯通电桥中与工作应变片相邻的桥 臂接入补偿片，以抵消解除过程中温度的影响，补 偿片工作原理要求它和工作应变片处于完全相同的 温度变化环境中，并且不能和工作应变片一样参与 岩石变形测量。当把补偿片与岩石粘结在一起时， 虽然满足了和工作应变片一样的温度环境要求，但 它的变形行为也随之被岩石控制；当把补偿片置于 应力计后部空腔中，虽然解决了补偿片受力问题， 但它又不能与工作应变片一样具有相同的温度变化 环境。关于温度补偿修正问题，前人进行了大量研 究工作，比较典型的方法是精确测量解除过程中工 作应变片环境温度的变化，解除测量完成后对应变 片进行温度标定试验，对测量数据进行修正，排除 温度变化对测量数据的影响[2
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引
言
山下长 6.5 km、宽 500 m 的范围内，已探明的矿石 储量为 5.20Baidu Nhomakorabea108 t，镍金属储量为 5.50×106 t。含矿 的母岩为超基性岩体，由于 NEE 向斜切断层的切
金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿，也是世界
收稿日期：2007–02–14；修回日期：2007–05–22 基金项目：中国地质科学院重点开放实验室(地壳变形地表过程实验室)专项(KL05–12)；金川集团有限公司重点科技项目(金科矿 2004–9) 作者简介：吴满路(1968–)，男，硕士，2000 年于中国地质大学环境工程专业获硕士学位，现任研究员，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-mail：wumanlu@126.com