毛坪铅锌矿最大主应力测试及地应力等级的确定

周高明

(彝良驰宏矿业有限公司，云南 昭通 657602)

毛坪铅锌矿最大主应力测试及地应力等级的确定

周高明

(彝良驰宏矿业有限公司，云南 昭通 657602)

为了初步了解毛坪铅锌矿的地应力状态，采用地质构造形迹法、声发射Kaiser效应等方法对矿山的主应力进行了分析，并对地应力水平进行了判别。研究结果表明：毛坪铅锌矿的最大主应力方向界于N60°～70°W与N45°～50°W之间，最大主应力约12.14 MPa，以岩石强度应力比为判断标准，认为毛坪铅锌矿存在由低地应力向中高地应力发展的趋势。

最大主应力 地应力级别 声发射 Kaiser效应

对于采矿工程而言，地压的影响非常显著，采场、巷道的布置问题，支护方式的选择问题，矿山企业效益的控制问题，井下工作人员的安全问题等一系列内容均需要对矿山地压有一个明确的认识。然而，像任何物体的失稳破坏决定于它的受力状态一样，工程岩体的变形、移动和破坏同样与其所处的应力环境密切相关。因此，要有效地控制地压，必须了解岩体赋存的地应力状态。

1 工程概况

毛坪铅锌矿床位于云南省昭通市彝良县境内，是滇东北具代表性地铅锌矿床之一。矿区北东—南西长达26 km，最宽处10 km。洛泽河穿过矿区，把矿区分为河东、河西两片。河东为毛坪铅锌矿区、河西为红尖山—陈家屋基地段。区域大地构造位置位于康滇地轴以东扬子准地台西南缘东台褶带滇东北褶束中部，处于北东向构造和北西向构造的相交部位，区域构造变形相对复杂，断裂发育。矿区出露的地层主要有泥盆系(上统宰格组)、石炭系(丰宁统、威宁统)、二叠系(下统)、第四系各组，主要以滨浅海相碎屑岩和浅海相碳酸盐岩为主，碎屑岩主要为砂、页岩夹煤层，碳酸岩主要为灰岩和白云岩。矿区内主干构造和控矿构造为石门坎背斜，其轴向线展布方向为北东—南西。矿床主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体(群)组成，均呈NEE—SWW向大致平行延伸，其中Ⅰ号矿体(群)规模最大。

2 毛坪铅锌矿最大主应力的确定

要确定岩体所赋存应力状态最为准确的方法便是进行现场量测，如应力解除法、水压致裂法等[1]。然而实测方法虽然从技术上已比较成熟，但由于成本较高，因此，这对于并非十分重要且非永久性的采矿工程而言，花费大量资金进行实测是不现实的。

地质力学认为，今天存在于地球上的诸如褶皱、断裂、节理等地质构造形迹均是地应力作用的结果，使得通过现存的地质构造形迹反推地应力场状态成为可能[2-4]。据此，在对研究区地质力学及构造地质分析基础上确定研究区的应力场方向，再有选择性的进行少数点的应力量测与计算，便可定量地确定区内的主应力状态。

2.1 应力场特征的判断

已有研究表明，一个地区岩体中的应力状态与地表的地形地貌有关：基准面以上主要是重力应力场，而在基准面以下的应力状态则需根据地区所处的地理位置和地质构造形迹进行综合分析。

就毛坪矿而言，矿区所处的山脉走向大致与区域构造线一致，多为北东向的顺向山，属中高山河谷地貌。由于洛泽河流经矿区，区内地形陡峻，侵蚀切割强烈，形成幼年期“V”字形河谷地形，区内海拔标高+894～+2 184.5 m，相对高差达1 294.5 m，基准面上、下均有矿体赋存。因此，该矿的地应力场并不是简单的重力应力场。

2.2 最大主应力方向的确定

某个小范围矿区的地应力场受区域总体应力场的控制与支配明显，因此，通过区域主构造线了解区域地应力场状态(主要是主应力方向)就成了大致确定矿区应力场特征的简便而又实用的方法。而所谓主构造线，是指一个地质区域内规模最大的构造面与地面的交线。

地质力学认为：褶皱是由于岩层受侧向挤压作用生成的，因此褶皱轴面总是正交于压应力方向；同样，逆断层属于压性构造面，其形成的应力条件是最大主应力与中间主应力水平，最小主应力直立，而逆断层走向线与最大主压应力方向正交。

就毛坪矿区而言，其所在区域构造变形特征独特，西为北东向构造带，东为北西向构造带，两构造交汇部位，组合成了“入”字型、“T”字型构造。北东向构造以待补断裂、翻身村断裂以及近南北向的花苗寨背斜、马踏向斜为主，北西向构造主要有云贵桥断层、洛泽河断层、龙街断层和罗卜夹断层等。被夹持于翻身村断裂和待补断裂之间的花苗寨背斜(在矿区范围内亦称为石门坎背斜)，呈北西向突出的弧形展布，轴线在北端走向为20°～30°，南端为350°，该背斜是矿区的主干构造，也是主要的控矿构造；而且通过调查获知矿区内的各主要断层大多以逆断层形式存在，断层走向大致为N40°～45°E。

综上，毛坪矿区的主干构造为花苗寨背斜(即石门坎背斜)，其总体走向为N20°～30°E，逆断层走向线约为N40°～45°E，由此可确定该矿区的最大主应力方向应为北西向，其方位大致为N45°～70°W。

2.3 基于声发射kaiser效应确定主应力大小

根据声发射Kaiser效应测量地应力有2种手段，若既不知道主应力的方向也不知道其大小，那么需在某一地段从6个方向分别取芯，再根据弹性力学原理进行计算分析，进而得到地应力场的大小和方向[5-6]。若已知主应力的方向但不知其大小，则可直接通过室内单轴抗压试验观测其声发射指标(振铃数或能量)，进而判断主应力的大小[7]。

根据地应力测量中“所测区域岩性应对工程区域具有代表性”的基本要求，测试对象确定为粗晶白云岩，再结合已确定的主应力方位，最终选取如下2个钻孔岩芯样开展试验。

试样1：610 m中段钻孔，方位角130°，孔深40～55 m，粗晶白云岩D3。

试样2：729 m中段钻孔，方位角310°，孔深30～40 m，粗晶白云岩D3。

根据声发射测地应力的原理，在后一次应力施加到前一次所经历的最大应力之前，是不会出现大量声发射现象的(如振铃数或能量的突然增大)，因此，可以以声发射信号出现突然增大拐点处所对应的应力值作为地应力大小的判断依据。图1、图2分别为2个中段岩样实验获得的能量、声发射振铃数与应力关系曲线。

从试验结果可以看出，只要试验正常完成确实会出现声发射突然增大的现象。然而，是否只要出现声发射信号突然增大现象便都认为是岩样历史上所承受的最大应力值即地应力呢？答案是否定的。

声发射(AE)的理论研究结果表明，当岩体发生破坏时同样会产生大量声发射信号增大的现象，而且突变点会超前于岩体破坏一定时间，而这也正是采用声发射手段进行地压监测、预警预报的依据。

据此，不难获得如下信息：声发射信号的突然增大既可能是超过历史承受最大应力引起，也可能是岩石(体)即将发生破坏的前兆。基于此，可以对本次试验获得的数据进行剔除、分析，进而获得可表征毛坪矿地应力大小的数据值。

表1为试验相关数据及地应力大小分析结果。从表中可看出，在剔除掉过于靠近峰值应力、不能作为地应力判断标准的声发射拐点值后，729 m中段的最大主应力平均值为12.67 MPa，610 m中段为11.60 MPa，整体平均为12.14 MPa。

图1 729 m中段岩芯样声发射振铃数与应力关系曲线

3 对毛坪矿地应力程度的判别

3.1 判别标准

随着我国经济的不断发展，采矿、水利水电、隧道等地下工程在深度和广度上的建设规模越来越大，高地应力问题逐渐成了工程安全建设不得不考虑的重要因素。关于高地应力的界定标准，目前常用的判别方法有如下几个[8]。

图2 610 m中段岩芯样声发射能量与应力关系曲线

(1)方法1：以地应力的绝对大小划分，认为最大主应力达到20～30 MPa便处于高地应力状态。

(2)方法2：以岩石单轴抗压强度和最大主应力的比值来划分，但不同国家的界定范围不尽相同。

(3)方法3：通过地应力量级与自重应力量级的对比进行判定，当水平应力分量大大超过上覆岩层的岩体重量时，就认为岩体处于高地应力状态。

表1 声发射试验结果

3.2 判别结果

根据上述3种不同的判别方法，依据试验结果对毛坪矿的地应力进行初步判别，结果见表2所示。从表2可看出，不同评价方法所得到的计算结果不尽相同。实际上，高地应力或低地应力都是相对概念，因此，对地应力的评价，亦应该考虑地应力对不同岩体影响程度的不同，以反映岩体对地应力相对承受能力的差异。所以，一般认为采用方法2，即岩石强度应力比来评价地应力的级别是比较符合客观实际的。基于该观点，通过表2不难判断，毛坪矿区基本属于中—高地应力水平。综合来看，虽然毛坪矿地应力绝对值并非很大，但由于粗晶白云岩体强度较低，且呈现随着埋深的增加逐渐减小的趋势，所以毛坪矿区的地应力状态还是存在由低地应力向中地应力甚至高地应力发展的倾向。

表2 毛坪矿地应力程度判别结果

4 结 论

(1)通过地质构造形迹法认为毛坪矿区的最大主应力方向为N45°～70°W。

(2)基于声发射Kaiser效应分析后得到毛坪矿最大主应力平均值为12.14 MPa。

(3)以岩石强度应力比为判断标准，毛坪矿区存在着由低地应力向中高地应力发展的趋势。

(4)岩体的应力状态非常复杂，本次最大主应力的计算结果仅是对少数岩样进行试验获得的，若想得到更加准确的地应力特征，在有条件时还是应开展地应力的现场测试工作。

[1] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002. Cai Meifeng.Rock Mechanics and Engineering[M].Beijing：Science Press，2002.

[2] 李东旭,周济元.地质力学导论[M].北京：地质出版社，1986. Li Dongxu，Zhou Jiyuan.Introduction to Geomechanics[M].Beijing：Geological Publishing House，1986.

[3] 孙殿卿,高庆华.地质力学与地壳运动[M].北京：地质出版社，1982. Sun Dianqing，Gao Qinghua.Geomechanics and Crustal Movement[M].Beijing：Geological Publishing House，1982.

[4] 王胜本,张 晓.煤矿井下地质构造与地应力的关系[J].煤炭学报，2008，33(7)：738-742. Wang Shengben，Zhang Xiao.Relation between geological structures and in-situ stresses in underground coal mines[J].Journal of China Coal Society，2008，33(7)：738-742.

[5] 王宏图,鲜学福,尹光志.声发射凯塞尔效应岩体地应力测试的研究[J].煤炭学报，1997，22(5)：486-489. Wang Hongtu，Xian Xuefu，Yin Guangzhi.Study on crustal stress measurement of rock mass by the Kaiser effect of acoustic emission in rock[J].Journal of China Coal Society，1997，22(5)：486-489.

[6] 姜永东,鲜学福,许 江.岩石声发射Kaiser效应应用于地应力测试的研究[J].岩土力学，2005，26(6)：946-950. Jiang Yongdong，Xian Xuefu，Xu Jiang.Research on application of Kaiser effect of acoustic emission to measuring initial stress in rock mass[J].Rock and Soil Mechanics，2005，26(6)：946-950.

[7] 秦四清,李造鼎,张倬元,等.岩石声发射技术概论[M].成都：西南交通大学出版社，1993. Qin Siqing，Li Zaoding，Zhang Zhuoyuan,et al.An Introduction to Acoustic Emission Technique in Rocks[M].Chengdu：Southwest Jiaotong University Press，1993.

[8] 梁强新.高地应力判别和岩爆预测方法[J].西部探矿工程，2006(9)：284-286. Liang Qiangxin.Judgment of high crustal stress and prediction method of rockburst[J].West-China Exploration Engineering，2006，(9)：284-286.

(责任编辑 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，高级工程师，硕士。

TD311

A

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