滥泥坪铜矿三维地应力测量及巷道布置优化研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.862

滥泥坪铜矿三维地应力测量及巷道布置优化研究

谢也真^,, 曹平, 陈昊然

中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

Three-dimensional In-situ Stress Measurement and Optimization of Roadway Layout in Lanniping Copper Mine

XIE Yezhen^,, CAO Ping, CHEN Haoran

School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

收稿日期: 2019-04-17 修回日期: 2019-07-28 网络出版日期: 2019-12-20

基金资助:

国家自然科学基金项目“开挖卸载诱导下的硬岩断裂破坏机理与尺寸效应研究”. 11772358
中南大学自主探索创新项目“裂隙岩体卸荷、损伤、断裂机理及非线性特征研究”. 2019zzts986

Received: 2019-04-17 Revised: 2019-07-28 Online: 2019-12-20

作者简介 About authors

谢也真（1994-），男，湖南娄底人，硕士研究生，从事岩石力学研究工作839491639@qq.com , E-mail：839491639@qq.com

摘要

随着矿山开采深度的持续增加，深部高地应力作用下矿区的地压灾害发生率逐渐增长。为使矿区能够安全合理地开展生产工作，准确测量区域内的地应力分布情况，并在此基础上进行巷道布置优化研究很有必要。采用套孔应力解除法对滥泥坪深部3个中段进行三维地应力测试，并对三维应力场分布特征进行分析。测量结果表明：滥泥坪矿区应力随深度基本呈线性增长，实测的各中段最大主应力值在28.62~43.10 MPa之间，原岩应力场以水平构造应力为主，总体表现为NNW-SSE向，根据测量结果调整巷道布置方向并建立三维地质模型对巷道稳定性进行分析，研究结果对巷道布置和矿山安全生产具有重要的指导意义。

关键词： 应力解除法 ; 三维地应力测量 ; 应力分布特征 ; 滥泥坪铜矿 ; 巷道稳定性 ; 数值模拟

Abstract

The in-situ stress is the fundamental force causing damage and deformation of underground rock engineering.With the continuous increase of the mining depth，the ground pressure disaster of the mining area has gradually increased under the action of deep high ground stress.A large number of untreated goaf have been formed in the exploration and mining operations of the old and new areas of the Lanniping copper mine. Due to the influence of ground pressure，a number of collapse pits have been formed on the surface.In order to continue the safe and reasonable production work in the mining area，it is necessary to accurately measure the distribution of ground stress in the area and to optimize the layout of the roadway.The three-dimensional in-situ stress test was carried out on the three middle sections of the deep Lanniping copper mine by the stress relief method，9 sets of testing data in vertical direction are obtained.Meanwhile，the confining pressure rate test was carried out on the core sample，and the working state of 12 stress sheets was determined，and the distribution characteristics of the three-dimensional stress field were analyzed.The measurement results show that maximum principal stress，intermediate principal stress and minimum principal stress show an increasing trend with the increases of depth.The maximum principal stress values of the three measuring points in this test result are all high，the minimum value is 2 350 m，which is 28.62 MPa，and the maximum value is 1 900 m，about 43.1 MPa.According to domestic and international experience，the original rock stress field in the Lanniping belongs to the high geostress state.Combined with the layout of the stope and the specific mining method，the corresponding ground pressure testing measures and reasonable support methods should be adopted to ensure the safe mining of the mine.The original rock stress field is dominated by horizontal tectonic stress.The overall performance is NNW-SSW. According to the maximum shear stress theory，when the vertical stress at the top of the roadway and the vertical stress at the sidewall of the roadway are greatly different，the roadway layout should follow the formula of equal-stress axial ratio （i.e.，roadway gang width/roadway gang height = vertical stress at the sidewall of the roadway/vertical stress at the top of roadway），and then the roadway should be most stable.With the measurement results applied to maximum shear stress theory，the roadway layout is optimized，and a three-dimensional geological model is built within which the stability of the roadway is analyzed.Through analysis and comparison，it is found that the stress，displacement characteristics and plastic zone distribution of the surrounding rock in the rearranged roadway are superior to the original roadway.Therefore，the section size and stress distribution of the roadway should be considered to determine the optimal arrangement of the roadway in the actual engineering.The measurement results have important guiding significance for mine support design and safe production.

Keywords： stress relief method ; 3D ground stress measurement ; stress distribution characteristics ; Lanniping copper mine ; drift stability ; numerical calculation

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本文引用格式

谢也真, 曹平, 陈昊然. 滥泥坪铜矿三维地应力测量及巷道布置优化研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 862-870 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.862

XIE Yezhen, CAO Ping, CHEN Haoran. Three-dimensional In-situ Stress Measurement and Optimization of Roadway Layout in Lanniping Copper Mine[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(6): 862-870 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.862

地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力，在实际工程中，地应力会引起采矿、水利水电等各种地下岩土开挖工程变形和破坏。地应力的测量对地下工程的稳定性分析和安全施工具有非常重要的意义^[1,2,3]。

近年来，矿山相继进入深部资源开采阶段^[4,5,6]。根据经验进行深部开挖施工往往会造成各种岩体工程的失稳、坍塌或破坏，传统的经验类比法越来越失去其作用^[7]，地应力过高导致的地质灾害问题愈发严重^[8,9,10]。对此国内外学者开展了大量地应力实测和理论研究^[11,12,13]。澳大利亚联邦科学与工业研究院首先研发出了CSIRO型空心包体应力计^[14]进行地应力测量，蔡美峰等^[15]、李远等^[16]在此基础上进行了一些技术改进和优化。戚玉亮等^[17]采用改进的KX-81型空心包体应力计实测了车集矿区深部4个测点的三维地应力大小和方向。刘允芳等^[18,19]详细推导了围压加载试验测定弹性常数的计算公式，并利用其试验成果对解除应变值进行修正，使地应力实测成果的可靠性更高。Zhou等^[20]建立了在地应力、气压和开采深度影响下的气固耦合理论模型。孟庆彬等^[21]和陈登红^[22]在三维地应力实测的基础上对巷道的稳定性进行了分析。

尽管地应力测量技术在硬件和软件上都有一定的提升，但是很少有学者系统地研究整个测试过程和测试结果对巷道布置的指导作用。基于此，本文采用理论与实际相结合的方式，详细论述了空心包体应力解除法的理论依据和实际操作过程。采用YJZ-16型空心包体应力计对滥泥坪矿区深部2 350，2 138，1 900 m 3个中段进行地应力测试，根据最小二乘法的多元回归方程求得岩体应力的最优解，并结合该区域的地应力场分布特征对巷道布置方式进行优化研究，为滥泥坪复杂采空区群的三维数值稳定性分析提供初始应力数据，为深部巷道工程布置、采场结构参数调整和支护设计提供基础依据。

1 工程概况

滥泥坪铜矿区位于云南省昆明市东川区，大地构造位置处于杨子板块西缘，昆阳裂谷内会理—东川裂陷槽东端的一个梯形断陷盆地，矿区断裂十分发育，其中SN向和EW向断裂为主干断裂，其规模巨大，控制了矿区构造格局，使矿区呈断块状展布，NE向和NW向斜交断裂将矿区切成网状块体。滥泥坪铜矿已有上百年的开采历史，本部矿段共建有144个采场，其中有130个采场已经回采结束。白锡腊上老龙矿段主要为上老龙东十一中段和上老龙十三中段。据统计，该矿段共建有38个采场，其中有23个采场已经回采结束。矿区地质构造复杂，空区众多，为保障后续开采安全和实现矿山资源整合，必须对矿区深部构造应力场进行准确测量，并对地下巷道的布置方式进行优化。

2 空心包体地应力实测

2.1 测试仪器

本次测量采用YJZ-16型智能数字应变仪，该仪器主要由空心包体探头、摄像头、安装杆、数据采集仪、围岩率定仪和应变分析仪等组成。空心包体探头由环氧树脂筒包裹，环氧树脂筒上分布着A、B、C 3组应变花，沿套筒相隔120°均匀分布；每组应变花上有4个应变片，相邻应变片之间的夹角为45°，空心包体应力计结构如图1所示。

图1

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图1 空心包体应力计结构示意图

1-应变连接线；2-安装杆；3-连接销；4，11-封闭环；5-储胶腔，内装环氧树脂；6-应变花；7-环氧树脂筒；8-固定销；9-柱塞；10-出胶孔；12-导向头；A，B，C-应变片位置

Fig.1 Structure diagram of hollow inclusion cell

2.2 测点布置及测试过程

为了获得可靠的原岩应力测试结果，选择应力测量地点时应当遵循以下原则：

（1）测点布置区域应当避开正在施工的地点，避免施工对测试结果造成干扰，测点所在区域能提供水电等基本测试条件和充分的工作空间，保证试验正常进行。

（2）测点处的地应力应当具有一定的代表性，能够表征该区域地应力的一般水平，该处的岩体应当较为完整，不能位于褶皱和断层等地质构造带。

在工程地质调查的基础上，综合考虑滥泥坪矿区开拓基建工程施工现状和地应力测量现场钻进与测试作业可行性条件，确定在金沙滥泥坪矿的2 350，2 138，1 900 m中段60勘探线附近各选择1个测点，共布置3个测点，并在每个测孔进行3段地应力测试以减少试验误差。每个测点的详细情况见表1（滥泥坪用LNP表示）。

表1 滥泥坪铜矿地应力测点坐标及钻孔参数

Table 1 Testing location and borehole parameters of Lanniping copper mine

钻孔编号	钻孔仰角/（°）	钻孔方位角/（°）	钻孔孔口中心点坐标
钻孔编号	钻孔仰角/（°）	钻孔方位角/（°）	X	Y	Z
LNP-2350m-1^#	3	2	2 895 684.27	100 558.12	2 350.00
LNP-2138m-2^#	3	350	2 895 766.38	100 346.73	2 138.00
LNP-1900m-3^#	3	280	2 896 018.94	100 283.62	1 900.00

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空心包体地应力测量过程如图2所示。具体流程为先钻取直径为130 mm的大孔，然后磨平大孔孔底后钻取直径为36 mm的小孔，并将空心包体探头安置于小孔内待24 h后进行应力解除测得岩芯的微应变，最终通过围压率定试验得到岩体力学参数，从而计算得出原岩应力值。

图2

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图2 空心包体应力测量步骤图

（a）钻小孔；（b）钻大孔；（c）安装空心包体；（d）应力解除

Fig.2 Steps diagram of stress measurement procedure of hollow inclusion

3 测试结果及分析

3.1 测量原理

基于弹性力学理论，由于岩体中的岩石处于三向压缩状态，假定岩体为线弹性材料，当从岩体中取出岩石后，该石块与岩体间的联系解除，弹性恢复故而发生形变，测量过程中根据所测得的应变求得原岩应力。

3.2 地应力测量数据处理及分析

本文以滥泥坪2 350 m中段的第一次应力测试为例，分析该区域的应力状况。

图3为滥泥坪2 350 m中段的第一次岩芯应力解除曲线，该曲线记录了应力解除的全过程。由于解除岩芯的钻头还未到达大孔孔底，探头和岩壁接触处未发生应力扰动，所以曲线的起点处几乎没有起伏。随着进尺逐渐加深，小孔处的岩芯与岩体的联系遭到切断，发生应力解除，曲线发生剧烈变化。随着岩芯底部与岩体完全断裂，应力解除完成，应变也逐渐稳定。此外，该曲线中有2个通道数据一直为负，说明该处应变片一直处于压缩状态，与实际情况不符，应当予以剔除，最终得到的曲线可以用于计算，认为此次测试结果较为成功。

图3

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图3 2 350 m中段应力解除曲线

Fig.3 Stress relief curve during the overcoring of measuring point in 2 350 m segment

将岩芯取出后，继续将该岩芯放入围压率定仪中做率定试验,从而得到岩体的弹性模量E和泊松比μ。图4为所得围压率定曲线，压力每增大2 MPa记录一次应变片的应变变化，并让观测数据保持稳定，防止数据异常突变对试验造成影响。受加压仪器的限制，本次试验所加的最大压力为6 MPa。测试结果表明，各组应变片中数据稳定，无漂移现象发生。

图4

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图4 围压加载试验曲线

Fig.4 Test curves of confining pressure with average value of strains

根据测量原理，求得此次测量中岩体的弹性模量E和泊松比 $μ$ ，最终各点均测量3次取平均值作为该区域的弹性模量E和泊松比 $μ$ ，由该结果可以求得应力分量。

按此方法，计算出所有测点的弹性参数，将9段岩体的弹性参数计算结果列于表2中，该计算结果为原岩应力计算提供了依据。

表2 滥泥坪矿区测点弹性参数计算结果

Table 2 Calculation results of elastic parameters of the site in Lanniping mining area

测点编号	内外径比	μ			E
测点编号	内外径比	µ1	µ2	µ3	E1	E2	E3
LNP-2350m-1	37.65/130.34	0.23	0.26	0.31	54 067	55 734	59 431
LNP-2350m-2 LNP-2350m-3	37.62/130.37	0.18	0.24	0.20	57 698	53 423	56 430
LNP-2350m-2 LNP-2350m-3	37.69/130.32	0.21	0.25	0.33	59 581	57 645	60 136
参数均值	37.65/130.34	0.25			57 127
LNP-2138m-1	37.56/130.13	0.21	0.16	0.14	16 852	18 741	20 067
LNP-2138m-2	37.52/130.15	0.24	0.21	0.19	61 237	69 565	64 893
LNP-2138m-3	37.59/130.17	0.41	0.45	0.41	60 308	59 867	65 217
参数均值	37.56/130.15	0.26			48 535
LNP-1900m-1	37.23/130.31	0.25	0.19	0.28	58 335	60 143	59 078
LNP-1900m-2	37.25/130.32	0.24	0.25	0.31	57 023	59 873	60 342
LNP-1900m-3	37.20/130.35	0.37	0.25	0.27	58 377	60 455	61 978
参数均值	37.23/130.33	0.27			59 511

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在同一测点进行3次重复测量，使用F检验剔除异常值再取平均值作为测试结果，测量数据处理方式和分析过程与上文一致，最终得到滥泥坪3个中段的应力测试结果如表3所示（测点编号中LNP表示滥泥坪）。

表3 各测点原岩应力测量结果

Table 3 Original rock stress measurement results of each measuring point

测点编号	埋深/m	最大主应力			中间主应力			最小主应力
测点编号	埋深/m	大小/MPa	方位/（°）	倾角/（°）	大小/MPa	方位/（°）	倾角/（°）	大小/MPa	方位/（°）	倾角/（°）
LNP-2350-1^#	800	28.62	124.38	-3.58	21.43	28.16	-59.97	17.73	216.43	-29.77
LNP-2138-2^#	1 012	36.6	165.99	10.58	28.43	24.70	76.53	23.13	257.54	8.23
LNP-1900-3^#	1 250	43.1	161.56	-18.99	33.62	-77.83	-55.94	27.21	241.41	27.12

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从表中数据可知，滥泥坪矿区的最大主应力σ₁倾角较小，均小于20°，接近于水平方向，最小主应力σ₃也不超过30°，说明矿区的原岩应力以水平应力为主，表现出水平构造应力占优的特征。3个中段的测试结果中最大主应力σ₁在应力方向上表现出较好的一致性，由此推断该区域的最大主应力总体表现为NNW-SSE方向。此外，3个测点的主应力均表现为随埋深增大而增大的趋势。

4 地应力对深部回采巷道布置的影响

4.1 最优巷道布置方向分析

根据最大主应力理论，为避免巷道周围出现拉应力，巷道走向应平行于最大主应力方向，此时围岩变形量最小。但实际工程中发现，滥泥坪矿区的巷道走向大致平行于最大主应力方向却依然出现了巷道断面收缩现象。这是因为当巷道平行于最大主应力方向布置时，巷道帮部主要为最小主应力，此时由于垂直应力与巷道帮部的应力相差较大而导致围岩发生剪切破坏。因此，仅考虑最大主应力远远不够，巷道布置方式应当采取相应的优化措施。

参考最大剪应力理论，提出优化后的巷道布置理论：当巷道顶部的垂直应力与巷道帮部的垂直应力相差较大时，巷道布置时应符合等应力轴比（即巷道宽度/巷道高度=巷道帮部应力/巷道垂直应力），此时的巷道最为稳固。

如图5所示，由于滥泥坪铜矿的最大主应力和最小主应力都在水平方向，假设AC为巷道布置方向，巷道与最小主应力的夹角为α，由岩石力学分析可知，巷道帮部的垂直应力为

\{\begin{array}{l} σ_{n} = \frac{σ_{H} + σ_{h}}{2} + \frac{σ_{H} - σ_{h}}{2} c o s 2 α \\ τ_{n} = \frac{σ_{H} - σ_{h}}{2} s i n 2 α \end{array}

(1)

式中：σ_n为巷道水平方向的帮部应力; $τ_{n}$ 为巷道水平方向的切向应力；σ_H和σ_h分别为最大和最小主应力。

图5

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图5 巷道开挖水平断面应力分布图

注：σ_n为巷道水平方向的帮部应力；σ_H、σ_h分别为最大和最小主应力

Fig.5 Horizontal section distribution diagram of stress while drilling gateways

由于滥泥坪巷道的高径比约为1∶1，故当巷道帮部的水平应力与轴向应力相等时，巷道最为稳固，即：

σ_{n} = σ_{v}

(2)

联立式（1）、式（2）可得，巷道与最小主应力的夹角为

α = \frac{1}{2} a r c c o s (\frac{2 σ_{v} - σ_{H} - σ_{h}}{σ_{H} - σ_{h}})

（3）

最后将2 350 m中段测得的数据代入式（3）中，求得巷道与水平方向最小主应力的夹角α=63.7°，故巷道与水平方向最大主应力的夹角β=90°-α=26.3°。

4.2 巷道优化布置检验

根据岩层结构特性在FLAC3D软件中建立尺寸为30 m×30 m×30 m的三维巷道地质模型，巷道尺寸为宽度∶高度=1∶1，采用半圆拱形断面（图6），按照滥泥坪各岩层岩石力学试验参数（表4）赋予模型参数。

图6

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图6 三维巷道地质模型

Fig.6 Three-dimensional roadway geological model

表4 滥泥坪矿区各岩层岩石力学参数

Table 4 Rock mechanics parameters of each stratum in Lanniping mining erea

参数名称	陡山沱（白云岩）	落雪一段（白云岩）	落雪二段（白云岩）	因民三段（白云岩）	辉长岩（白云岩）	矿体	断层
天然重度γ/（kN·m^-3）	28.1	27.9	28.0	27.9	29.1	28.6	23.0
岩体抗剪强度c/kPa	875	1 712	1 936	17 94	1 794	1 336	120
内摩擦角φ/(°)	31.98	33.12	35.19	33.22	32.9	27.1	20.3
泊松比	0.21	0.23	0.21	0.22	0.19	0.25	0.39
弹性模量/GPa	3.2	4.7	5.4	4.7	3.8	3.4	0.07
抗压强度/MPa	13.9	18.4	20.3	16.4	15.9	14.7	3.0
抗拉强度/MPa	1.5	1.6	1.9	1.8	1.7	1.1	0.1

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对比按最大主应力理论布置巷道和新型优化巷道布置模型（从左至右依次为平行于最大主应力布置以及与最大主应力呈β夹角布置的巷道），二者的区别如下：

图7（a）和图7（b）为2种不同布置方式下最小和最大主应力对比图，从图中可知，当巷道平行于最大主应力时，巷道的两帮及底部出现压应力集中现象，最大压应力为46.3 MPa，巷道的顶部及底部出现拉应力，大小约为1.7 MPa。当巷道按新型优化方式（与最大主应力方向呈β角）布置后，巷道的最大压应力为42.5 MPa，受到高压的区域较小，巷道仅在底部位置出现受拉情况，拉应力为0.23 MPa，仅为平行巷道布置的13.5%。故优化后的巷道布置方式对应力分布情况更为有利。

图7

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图7 不同走向巷道围岩的特征对比

Fig.7 Comparison of characteristics of surrounding rock of roadways with different strike

图7（c）为2种不同布置方式的位移对比图，2种布置方式均出现了冒顶和底鼓现象，未优化的巷道位移量为4~5 cm。优化后巷道位移量为1~2 cm，对巷道稳定性影响很小。

对比图7（d）中2种布置方式的塑性区分布情况可以发现，未优化的巷道帮部有约0.7 m深的塑性区范围，说明巷道两帮损坏较为严重，优化布置后的巷道塑性区明显减少，巷道帮部破坏区减少，巷道稳定性加强。

综合对比2种布置方式下巷道周围的应力、位移和塑性区分布图可以发现，优化布置后的巷道更为稳固，因此在实际工程中应当考虑巷道断面尺寸与应力分布状况来确定巷道的最优布置方式。

5 结论

采用应力解除法对滥泥坪矿区3个中段进行地应力现场测量。根据地应力测量结果，提出巷道布置优化方案并建立三维模型进行2种布置形式（最大剪应力和最大主应力）的巷道稳定性分析。通过现场地应力测试和巷道稳定性数值分析可得如下结论：

（1）滥泥坪矿区的最大主应力σ₁倾角小于20°，为近水平方向；最小主应力σ₃倾角小于30°，为近水平方向，因此矿区原岩应力以水平构造应力为主。最大主应力方向为NNW-SSE向。

（2）滥泥坪矿山2 350 m中段最大主应力为28.62 MPa，1 900 m中段最大主应力为43.1 MPa，该区域岩体的主应力随埋深的增大而增加。实测地应力值及规律对工程设计有重要的指导意义。

（3）基于最大剪应力和等应力轴比理论优化巷道布置方式，计算得出与最大主应力方向呈26.3°夹角方向为最佳巷道布置方式。2种巷道布置形式的数值模拟结果显示：最大剪应力巷道布置形式的巷道的集中应力、位移值和塑性区大小都明显较小，巷道的稳定性明显提高，证明最大剪应力巷道布置形式更优。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

蔡美峰，乔兰，李华斌.

地应力测量原理和技术

[M]. 北京：科学出版社，1995：1-27.