银山矿区深部铜铅锌矿地应力测试研究

姚日林

（江西铜业集团银山矿业有限公司）

我国对金属矿产资源的需求日益增加，为保障国民资源的供给，国内各矿山的产能也随着增加，如今多数矿山面临着浅部资源的消耗殆尽，开采中段水平不断加深的局面，深部开采将面临高应力、开采扰动等问题，在原始地应力的作用下，随着开采卸压活动的进行，采场容易发生岩爆、大面积垮落等危险［1-3］。为解决深部开采的地质岩体灾害与我国金属矿产高需求、高产量之间的矛盾，对深部岩体的应力分布特征进行深入分析，有助于揭示空间卸荷后岩体的应力转移与重分布规律，从而解析深部采场地质灾害的成因［2-5］。

银山铜铅锌矿是我国著名的铜铅锌多金属矿，开采历史悠久，浅部资源枯竭，已逐渐转入深部地下矿体的开采。为了保证深部矿体开采过程中的围岩稳定性，通过水压致裂法开展了地应力测试［6-8］，分析银山铜铅锌矿银山区、九龙上天区、西山区、北山区和九区深部地应力分布规律，为矿山深部未来开挖巷道的路线、开挖方式的选择以及巷道工程稳定性分析提供基础依据。

1 区域概况

银山矿位于德乐中生代火山盆地的北北东的窄长边缘，按空间分布和产状的不同，矿内由北向南可分为5 个区，即北山区、九龙上天区、九区、银山区和西山区，各分区地质特征分述如下：

（1）北山区和九龙上天区走向NEE，受NEE 向压扭性断裂裂隙和千枚岩片理构造控制，与片理走向近乎一致。

（2）九区以网脉和小脉沿千枚岩、变石英闪长岩和石英斑岩的裂隙充填，矿体与接触带产状一致即走向近EW，倾角70°以上。

（3）银山区可分为银山东区、银山南区、银山西区和南山区。银山东区主矿体走向NE—NNE；银山南区矿体走向NNW—SN，W 倾，倾角60°～85°；银山西区产在西山火山口东部的千枚岩断裂裂隙中，矿体走向NWW，倾向SW，倾角70°～85°；南山区部分矿体赋存于千枚质砾岩及其上覆的火山岩系层间剥离带中，似层状平缓产出，走向NWW，倾向SSW。

（4）西山区产在西山火山口东部的千枚岩断裂中，矿体走向NNE，倾向SE，倾角70°～80°。

2 地应力测试概况

2.1 测试方法及原理

水压致裂测量法是国际岩石力学学会测试方法委员会建议的测定岩石地应力的方法之一［9］，其测试原理通过泵入液体对该段封隔钻孔进行施压，根据压力传感器计算数据，通过终端电脑和数据采集仪进行数据采集与分析，获取压裂过程曲线的压力特征值，最终拟合得到研究区域的地应力特征，测试的数据采集如图1所示。

通过水压致裂法进行封闭孔段压裂过程中［10］，钻孔围岩存在孔隙水压力P0，可认为此时岩体的地应力由有效应力及孔隙水压力组成［11-13］，当切向有效应力值等于或大于岩石的抗拉强度σt时，岩石破裂出现的临界压力［14］Pb与岩体的最大和最小水平主应力σH和σh有关：

根据破裂缝沿最小阻力路径传播的原理［15］，关闭压力泵后，维持裂隙张开的瞬时关闭压力Ps就等于垂直破裂面方向的压应力，即最小水平主应力：

则最大水平主应力：

2.2 测试钻孔选取

详查阶段地应力测试在银山区（SHZKY2309 孔、SHZKY604 孔、SHZK15B03）、九龙上天区（SHZKJ305孔）和西山区（SHZKXI-202 孔）共5 个测孔中进行。在5 个测孔中岩石相对完整区间共获得52 段实测资料，并对各孔中具有代表性压裂段进行了印模。勘探阶段地应力测试在北山区（ZK5B01 和ZK11B04）、九区（ZKT921 和ZKT6B13）累计布置4 个测孔中进行，采用水压致裂法在测孔中相对完整段总共获得37 段实测资料，并对各孔中具有代表性压裂段进行了印模，具体测试情况见表1。

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3 地应力测试成果与分析

3.1 银山区

银山区测孔在测深为108.0～472.0 m，最大水平主应力范围总体为16.5～41.5 MPa，最小水平主应力为10.6～25.1 MPa，铅直应力σz为16.0～24.4 MPa。

银山区钻孔横截面内主应力量值与测深关系如图2 所示，结果表明，除了SHZK15B03 孔在180～250 m 范围内受局部构造挤压作用，量值偏大外，银山区测孔的水平主应力量值与深度总体上呈线性分布。

对测深范围的实测结果进行线性拟合，获得水平主应力量值随深度H变化关系为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 九龙上天区

九龙上天区钻孔横截面内水平向主应力量值与测深关系如图3所示，可以看出，SHZKJ305孔在121～612 m 测试深度范围内，最大水平主应力为10.1～32.4 MPa，最小水平主应力为8.0～23.6 MPa，铅直应力为12.8～26.7 MPa。九龙上天区测孔在测深范围内水平主应力量值与测深呈线性分布。对测深范围实测结果进行线性拟合，可获得水平主应力量值随测深H变化关系为σH=0.039H+4.9，σh=0.028H+4.4。

3.3 西山区

西山区钻孔横截面内水平向主应力量值与测深关系如图4 所示，可以看出SHZKXI-202 孔在测深157.5～597.8 m 范围内的最大水平主应力为15.4～34.8 MPa，最小水平主应力为11.5～22.8 MPa，铅直应力σz为19.2～31.7 MPa。通过对测深范围实测结果的线性拟合，获得水平主应力量值随测深H变化关系为σH=0.042H+8.8，σh=0.025H+6.9。

3.4 北山区

北山区钻孔横截面内主应力量值与孔深关系如图5 所示，可以看出，北山区测孔在测试范围内水平主应力量值与孔深呈线性分布。ZK5B01孔在191.0～362.6 m 测试深度范围的最大水平主应力为11.7～27.4 MPa，最小水平主应力为10.1～18.6 MPa，铅直应力σz为18.3～23.2 MPa。ZK11B04 孔在154.3～283.1 m测试深度范围的最大水平主应力为28.2～42.4 MPa，最小水平主应力为16.7～23.9 MPa，铅直应力σz为17.0～20.6 MPa。对测深范围实测结果进行线性拟合，可获得水平主应力量值随孔深H变化关系为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 区

九区钻孔横截面内主应力量值与孔深关系如图6 所示，可以看出，九区测孔在测试范围内水平主应力量值与孔深呈线性分布。ZKT921 孔在165.3～622.9 m 测试深度范围的最大水平主应力为17.9～27.8 MPa，最小水平主应力为11.8～17.9 MPa，铅直应力σz为16.3～28.4 MPa。ZKT6B13 孔在211.7～482.7 m测试深度范围的最大水平主应力为30.7～47.5 MPa，最小水平主应力为19.0～28.2 MPa，铅直应力σz为17.5～24.7 MPa。对测深范围实测结果进行线性拟合，可获得水平主应力量值随孔深H变化关系为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 矿井深部围岩应力场评价

上述5个不同分区内9个测孔的地应力测试结果显示，最大水平主应力总体呈NNE～NE 向（平均NE27°），但地应力量值呈现不同分区现象。SHZK2309 孔、SHZKJ305 孔、SHZKXI202 孔、ZK5B01孔和ZKT921 孔所测最大水平主应力量值与铅直应力相当（侧压力系数约1.0）；SHZKY604 孔、SHZK15B03 孔、ZK11B04 孔和ZKT6B13 孔所测最大水平主应力量值明显高于铅直应力（侧压力系数高达1.5 以上）。因此，基于地应力实测结果的分区特征，拟给出不同测孔所在位置的局部应力场分布规律。

针对银山区SHZK2309孔、九龙上天区SHZKJ305孔、西山区SHZKXI202 孔、北山区ZK5B01 孔和九区ZKT921孔5个测孔及其邻区，地应力场表达式：

式中，H1为围岩埋深，m；γ为岩石容重，kN/m3。

针对银山区SHZKY604孔和SHZK15B03孔、北山区ZK11B04孔与九区ZKT6B13孔4个测孔及其邻区，地应力场表达式：

根据上述地应力场的建议表达式，依据《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016）［16］及完整硬岩（赋存高地应力的一般条件）抗压强度Rc=50 MPa，可以得出各钻孔附近高应力、极高应力的埋深分布范围，如表2所示。

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5 结 论

（1）通过在银山矿区深部铜铅锌矿银山区（SHZKY2309 孔、SHZKY604 孔及SHZK15B03 孔）、九龙上天区（SHZKJ305 孔）、西山区（SHZKXI202 孔）、北山区（ZK5B01 孔、ZK11B04 孔）和九区（ZKT921 孔、ZKT6B13 孔）9 个深孔的原位地应力测试及分析，通过水压致裂测量法测得各钻孔的最大及最小水平地应力。

（2）SHZK2309、SHZKJ305、SHZKXI202、ZK5B01和ZKT921 孔测深范围最大水平主应力与自重应力相当（侧压力系数约1.0），埋深880 m 起属于高地应力区；SHZKY604、SHZK15B03、ZK11B04 和ZKT6B13孔测深范围最大水平主应力明显增高（侧压力系数高达1.5），埋深550 m起即属于高应力区。