拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征及岩爆预测分析.pdf

第 卷第期有色金属（矿山部分）年月犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征及岩爆预测分析付俊，蔡君，周罕，郁华嘉，郭国祥，余璨，（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，昆明 ；云南省岩土工程与地质灾害重点实验室，昆明 ；凉山矿业股份有限公司，四川 会理 ）摘要：拉拉铜矿位于川滇应力区中部，浅部资源接近开采结束，逐步由露天开采全面转为地下开采，由于其深部开采地质条件复杂，落凼深部矿区将面对开采过程中的地应力问题。以拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征为研究对象，开展了 个钻孔的应力解除法地应力测试、组围岩室内物理力学测试，结合国标法、法及陶振宇法种应力判据完成了深部开采区域的岩爆预测分析。结果表明：地应力值浅部离散分布，深部线性增长；最大主应力方向整体离散；岩爆程度随深度逐渐增大，浅部离散分布，深部逐渐集中，东区 标高可能出现强烈岩爆的现象；结合矿区断层及测试点分布特征，指出矿区断层及地层对地应力测试结果的影响，为该类金属矿山深部灾害预防及安全开采提供有益的参考。关键词：地下开采；深部地应力；岩爆；断层影响；灾害预防中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳 犻 狀 狊 犻 狋 狌狊 狋 狉 犲 狊 狊 犳 犻 犲 犾 犱犪 狀 犱狆 狉 犲 犱 犻 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳 狉 狅 犮 犽犫 狌 狉 狊 狋 犻 狀犱 犲 犲 狆犪 狉 犲 犪狅 犳犔 狌 狅 犱 犪 狀 犵 犻 狀犔 犪 犾 犪犮 狅 狆 狆 犲 狉犿 犻 狀 犲 ，（，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：基金项目：云南省科技厅省重点实验室科技计划项目（科技人才与平台计划 ）；四川省凉山州重点研发项目（）；中国铝业集团有限公司科技人才“明星计划”培养对象项目；中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司科技创新项目（）。作者简介：付俊（），男，高级工程师，博士，采矿工程、安全工程专业，主要研究方向为矿山岩石力学、地质灾害防治，：。有色金属（矿山部分）第 卷在采矿地下工程的勘察设计工作中，与地质构造密切相关的地应力场是重点考虑的影响因素之一。不利的地应力场特征将带来岩爆、变形、错动破坏等灾害，这通常与地应力量值、方向、岩石强度等密切相关 。因此，地应力场特征直接影响着采矿地下工程的安全及生产成本，在勘察设计阶段，需要对矿山地下开采区域的地应力场进行充分的查明和研究 。随着近地表矿产资源的消耗和枯竭，我国大部分露天开采矿山逐渐转为地下开采，在地下开采的过程中将面对高地温、高地应力、高渗透压及强开采扰动的“三高一扰动”难题 ，其中高地应力是一个重要的研究方向。掌握采矿活动中的工程地应力特征有助于地下工程建设及安全生产 。诸多学者对采矿工程的地应力问题进行了大量的研究工作。对于未揭露的地下采矿工程，通常采用水压致裂法进行地应力测量，等 完成胶东半岛三座金矿山水压致裂法地应力测试，分析其特征及区域地质构造意义。对于正在生产且具备地下测试条件的采矿地下工程，则通常采用应力解除法进行测试，周亚博等 对阿尔哈达铅锌矿深部地应力特征进行研究，指出采矿设计应充分考虑区域构造应力和原岩应力方向等因素的影响；侯奎奎等 采用应力解除法获得了滨海金矿区的深部地应力分布规律，为开采设计提供依据；魏超城等 则探明了新疆阿舍勒铜矿采深超过 区域的地应力分布特征。其他学者则基于地应力特征进行进一步的深部岩体力学研究，刘建东等 采用脆性系数、能量指标判据对西藏甲玛矿地下进行多角度和多层次的岩爆倾向性分析；王洪江等 基于地应力特征分析了垂直充填管道破坏的力学机理；文兴等 采用模糊数学法对阿舍勒铜矿深部的岩爆倾向性进行分析，并提供了深部岩爆危害监测与防治方案；宫凤强等 基于多个典型地下工程高地应力案例，系统地提出“强度应力”耦合判据和分级标准。尽管目前已经形成了一定数量的地下矿山地应力研究成果，但对于川滇应力区的复杂构造矿区，深部地应力场特征及岩爆预测分析的研究成果还是相对较少。对于构造较为复杂的区域，特别是小规模断层较多的地下采矿工程，其地应力特征较为复杂，需要进一步结合地应力特征、复杂地质条件及开采扰动因素开展研究，确保地下开采生产安全。该研究成果对地质力学、采矿工程领域的科学研究及矿山安全生产具有一定的参考价值。研究背景四川省会理市拉拉铜矿落凼矿区位于扬子古板块川滇岛弧带的西南缘，川滇应力区中部，属南岭东西构造带与川滇南北构造带的复合部位。矿区内规模较大的断层主要有、，具体分布情况见图，这些断层对矿体有不同程度的破坏作用。图拉拉铜矿的断层分布犉 犻 犵 犉 犪 狌 犾 狋犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳犔 犪 犾 犪犮 狅 狆 狆 犲 狉犿 犻 狀 犲该矿山属露天转地下矿山，深部矿体大致分为西区和东区，在地下开采过程中，西区和东区分别从 、标高采用自下而上的顺序进行开采，在下一步生产阶段，再建成西区 标高以下及东区 标高以下部分采区，建成后也按自下而上的顺序进行开采。随着该矿山逐渐由露天开采转为地下开采，深部开采区域地应力逐渐成为影响矿山露天边坡、地下采场结构稳定性及生产安全的重要因素。查明矿区深部地应力场特征，对矿山下一步设计、生产具有明显的现实意义。现场地应力测试根据采矿设计，矿区深部的西区共形成了个分段，东区则形成了 个分段，为准确掌握矿区地应力特征，本次研究根据井巷分布、开采区域等情况，遵循地应力测试的技术原则及相关工程技术规范，采用应力解除法在矿区深部的西区和东区完成了共 个点的地应力测试工作，西区测试标高为 、，东区测试标高为 、，各测点均匀分布在深部开采区域，地应力测试点分布点见图。采用 型空心包体地应力计现场获得第期付俊等：拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征及岩爆预测分析了各测试点的地应力数据，并完成各测试点岩芯的室内岩石物理力学实验，现场调查及测试设备见图，地应 力 测 试及 岩 石 力 学 测 试 数 据 信 息 具 体 见表。图地应力测试点分布示意图犉 犻 犵 犇 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 犻 狀 狊 犻 狋 狌狊 狋 狉 犲 狊 狊 狋 犲 狊 狋狆 狅 犻 狀 狋 狊图现场调查及地应力测试设备犉 犻 犵 犐 狀 狏 犲 狊 狋 犻 犵 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱 犻 狀 狊 犻 狋 狌狊 狋 狉 犲 狊 狊 狋 犲 狊 狋 犻 狀 犵犲 狇 狌 犻 狆 犿 犲 狀 狋表地应力及岩石强度测试结果犜 犪 犫 犾 犲犜 犺 犲 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 犻 狀 狊 犻 狋 狌狊 狋 狉 犲 狊 狊犪 狀 犱狉 狅 犮 犽狋 犲 狊 狋序号区段测点测点标高应力分量 犚犮 强度范围平均强度西区 东区 地应力特征分析地应力测 试 数 据 在 岩 体 中 的 分 布 通 常 表 现出一定的规律，这些规律一方面直接反映开采区域的地应力特征，另一方面也能够为深部开采区域地应力特征预测分析提供依据。受矿区地层、构造等因素的综合影响，地应力特征主要体现在地应力随深度的变化特征、地应力的方向特征两个方面，地应力随深度变化通常表现出类似线性增长的特征。地应力值随深度变化规律根据本次地应力测试的 个点分布在 的 个分段，除西区 、两个测试点以外，其他测试点的最大主应力、中间主应力、最小主应力基本以似线性的趋势随测试深度而增加，规律比较明显。其中 最 大 主 应 力应 力 值 范 围 为 ，平 均 值 为 ，应 力 梯 度 为 ，线性回归拟合式为犱 ；中间主应力应力值范围为 ，平均值为 ，应力梯度为 ，线性回归拟合式为犱 ；最小主应力应 力 值 范 围 为 ，平 均 值 为 ，应力梯度为 ，线性回归拟合式为犱 。各主应力极值的分布位置特征一致，最小值均出现在西区 测点，最大值均出现在东区 测点。地应力在垂直方向上随深度变化整体表现为“浅部离散分布、深部似线性增长”的规律。最大主应力、中间主应力、最小主应力随深度变化具体见图 。有色金属（矿山部分）第 卷图最大主应力垂直向规律犉 犻 犵 犞 犲 狉 狋 犻 犮 犪 犾 犾 犪 狑狅 犳狑 犻 狋 犺犱 犲 狆 狋 犺图中间主应力垂向规律犉 犻 犵 犞 犲 狉 狋 犻 犮 犪 犾 犾 犪 狑狅 犳狑 犻 狋 犺犱 犲 狆 狋 犺图最小主应力垂向规律犉 犻 犵 犞 犲 狉 狋 犻 犮 犪 犾 犾 犪 狑狅 犳狑 犻 狋 犺犱 犲 狆 狋 犺 地应力方向分布规律地应力的主方向通常与邻近的地质构造密切相关，并可以揭示地质构造成因。个测试点最大主应力 方 位 角 范 围 为 ，平 均 方 位 角 ；西区个测点最大 主 应 力方 位角 范 围 为 ，平均方位角 ；东区个测点最大主应力方位角范围为 ，平均方位角 。各测点最大主应力方向在垂直方向上随深度变化表现出“整体离散、无明显特征”的规律。矿区深部各测点最大主应力随深度的变化具体见图。图最大主应力方向随垂向变化规律犉 犻 犵 犜 犺 犲犱 犻 狉 犲 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳狑 犻 狋 犺犱 犲 狆 狋 犺岩爆预测分析在岩体应力环境条件不利的情况下，矿山地下工程存在发生岩爆、井巷变形及错动等灾害的可能性，这与地应力值、地应力方向、围岩强度、地下工程埋深等因素密切相关。围岩强度规律本次研究完成 个测试点的 组单轴抗压试验，涉及的主要岩性为片岩、钠长岩，单轴抗压强度范围为 ，平均强度为 ，其中片岩主要分布在东区，单轴抗压强度范围为 ，平均强度为 ；钠长岩主要 分 布 在 西 区，单 轴 抗 压 强 度 范 围 为 ，平均强度为 。片岩与钠长岩按强度划分，均属硬岩。围岩强度在垂直方向上随深度变化表现为“整体离散、无明显特征”的规律，片岩强度相对钠长岩较高。矿区深部各测点围岩平均单轴抗压强度随深度的变化具体见图。第期付俊等：拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征及岩爆预测分析图围岩强度垂直向规律犉 犻 犵 犚 狅 犮 犽狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺狑 犻 狋 犺犱 犲 狆 狋 犺 岩爆程度分析岩爆预测分析方法主要可以分为指标判据法和数学模型法，指标判据法中的应力判据是较为常见的预测方法，可以细分为国标法、陶振宇法、二郎山法、法、法、法 和 法 。本次研究采用国标法、法、陶振宇法（强度应力比法）进行落凼矿区岩爆预测分析，其岩爆分级表见表。个测试点的强度应力比范围为 ，平均 值 为 ；其 中 西 区 强 度 应 力 比 范 围 为 ，平均值为 ；东区强度应力比范围为 ，平均值为 。具体的岩爆分级结果如下：）按国标法测算，个测点位于无岩爆区，个测点位于轻微岩爆区，个测点位于中等岩爆区；）按 法测算，个测点位于无岩爆区，个测点位于轻微岩爆区，个测点位于中等岩爆区，个测点位于强烈岩爆区；）按陶振宇法测算，个测点位于无岩爆区，个测点位于轻微岩爆区，个测点位于中等岩爆区，个测点位于强烈岩爆区。陶振宇法的判别标准相对 法和国标法较为严格。因埋深较浅，西区可能的岩爆程度相对东区较小；因片岩位于矿区深部，其岩爆分级结果相对钠 长 岩 较 大；强 度 应 力 比 最 大 值 出 现 在 东 区 测点，最小值出现在东区 测点。岩爆分级在垂直方向上随深度变化整体表现为“随深度逐渐增大，浅部离散分布、深部逐渐集中”的规律。强度应力比随深度变化见图。表岩爆分级表犜 犪 犫 犾 犲犚 狅 犮 犽犫 狌 狉 狊 狋 犮 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀岩爆分级国标法（犚犮）岩爆分级 法（犚犮）岩爆分级陶振宇法（犚犮）无无 无 轻微轻微 轻微 中等中等 中等 强烈强烈 强烈 极强烈注：犚犮为岩石饱和单轴抗压强度。图强度应力比垂直向规律犉 犻 犵 犛 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺 狊 狋 狉 犲 狊 狊 狉 犪 狋 犻 狅狑 犻 狋 犺犱 犲 狆 狋 犺地应力特征成因分析 地质构造因素根据深部采区西部、东部的地质勘查成果，该矿山的矿体整体倾向南，倾角约 ，可以明显看到在地下开采区域分布有一定数量、不同规模的断层，对矿体和围岩产生了显著的切割破坏作用，尤其是（正断层）、（正断层）对地应力测试值、方向影响较大，详见图。但是在垂直方向上还是整体体现出地应力值、岩爆程度随开采深度增加的趋势，也符合地下矿山地应力分布的一般规律。有色金属（矿山部分）第 卷图 断层分布模型犉 犻 犵 犜 犺 犲犿 狅 犱 犲 犾 狅 犳 犳 犪 狌 犾 狋 狊犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀 测试点位置因素各标高测试点地应力值呈“浅部离散分布、深部线性增长”的特点，最大主应力方向也相对分散，无具有代表性的方向，这不但体现了各区域断层对地应力测试结果的影响，同时也反映了测试点位置的影响，西 区 的个 测 试 点 、的测试结果是浅部离散的主要原因，个测试点岩性均为钠长岩，与其他测点位于不同的地层中，且在空间关系上与其他测点有一定距离，故岩石强度与地应力特征也较为不同。结论）本次研究在深部采区标高 范围内完成了 个点的应力解除法测试工作，并在钻孔内取芯 件，完成单轴抗压强度试验，归纳了在垂直方向的地应力分布规律；）地应力值在垂直方向整体表现为“浅部离散分布、深部线性增长”的规律，最大主应力值范围为 ，平均值为 ，总体呈随深度增加的趋势；最大主应力方位角范围为 ，平均方位角 ，在垂直方向上表现为“整体离散、无明显特征”的规律；）围岩单轴抗压强度范围为 ，平均强度为 ，各标高数据较为离散，无明显规律；各测点强度应力比范围为 ，平均值为 ，整体表现为“随深度逐渐减小，浅部离散分布、深部逐渐集中”的规律，同时说明岩爆可能性随深度提高；）地质构造与矿区地应力的特征密切相关，对地下开采技术条件影响显著，本次研究体现了各区域断层对地应力测试结果的影响，同时，地应力测试点的岩性及分布地层对地应力特征也影响显著。在地质构造较为复杂的矿区深部开采过程中，应重点结合不同规模断层及地层特征研究局部区域地应力特征，掌握地应力对地下开采的影响。参考文献赵阳升岩体力学发展的一些回顾与若干未解之百年问题岩石力学与工程学报，（）：，（）：赵兴东，周鑫，赵一凡，等深部金属矿采动灾害防控研究现状与进展 中 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：，（），（）：隋旺 华矿 山 安 全 地 质 学：综 述 工 程 地 质 学 报，（）：，（）：王虎，师海，付搏涛，等基于微震监测的金属矿山地压演化规律分析科学技术与工程，（）：，（）：谢和平“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望工程科学与技术，（）：，（）：杨军，闵铁军，刘斌慧，等深部开采灾害及防治研究进展科学技术与工程，（）：，（）：江飞飞，周辉，刘畅，等地下金属矿山岩爆研究进展及预测与防治岩石力学与工程学报，（）：，（）：，：，：吴菡，郭永刚，郝守宁，等数据缺失的 岩爆倾向性预测有色金属（矿山部分），（）：第期付俊等：拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征及岩爆预测分析 ，（），（）：，（）：周亚博，柏杨，赵学平，等阿尔哈达铅锌矿深部地应力分布特征及其应用矿业研究与开发，（）：，（）：侯奎奎，郭良银，刘焕新，等滨海金属矿区域地应力场测量与规律分析矿冶工程，（）：，（）：，魏超城，张明，路彦忠，等阿舍勒铜矿深部开采地应力测量及分布规律研究中国矿业，（）：，（）：刘建 东，于 世 波高 海 拔 矿 区 地 应 力 测 量 和 岩 爆 倾 向 性 评价中国矿业，（）：，（）：王洪江，彭青松，李浩，等深部地应力下垂直充填管道破坏的力学分析矿业研究与开发，（）：，（）：文兴，黄聪，覃敏，等基于模糊数学法的阿舍勒铜矿深部岩体岩爆倾向性 预 测 有 色 金 属（矿 山 部 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