（地质工程专业论文）金川二矿区地应力场研究与地下工程稳定性.pdf

中国地质科学院l 尊士学位论文 摘要 近年来，金川主力矿山二矿区随着采掘深度的不断加深以及双中段回采，水 平矿柱与垂直矿柱已经形成，其地压显现明显，巷道工程变形破坏严重，个别严 重地段经多次返修都无法正常使用，地表裂缝出现并加速扩展，采场与充填体时 有冒顶发生。面对越来越严峻的实际情况，有必要对深部工程区域进行岩石力学 问题深入细致的研究，对于地下工程来讲地应力是最为主要的影响因素，工程开 挖致使围岩的应力重新分布。因此对于深部应力状态的研究以及应力环境与地下 工程的关系的探讨显得尤为重要。 本论文以金j i i 公司科技攻关项目“金川矿区应力场与岩石力学研究”为依托， 主要针对二矿区开展工作，通过对二矿区深部地质构造、岩石力学特性、构造应 力场的现场调查和测试，以及室内试验和数字仿真模拟，研究了矿区应力分布， 在此基础上结合地下实际工程，分析了重点工程的稳定性。 主要进行了以下分析和研究工作： 1 系统的收集、整理、分析前人原岩应力实测工作和岩石力学研究的成果； 2 矿区深部的工程地质特征调查与分析研究； 3 矿区深部地应力测量，矿区深部的应力作用特征及变化规律研究，矿区浅 部与深部地应力特征的对比、分析； 4 对矿区地应力场的有限元模拟分析研究： 5 对重点工程稳定性的三维有限元模拟分析研究。 获得了以下主要成果： 1 根据本次地应力实测结果，结合前人所做的工作，并与数值模拟相结合， 基本上构建了矿区深部应力作用平台，取得了良好的效果： 2 通过综合分析研究，基本上了解了二矿区深部应力作用特征，并指出深部 应力作用特征与浅部应力分布规律的不同之处这种应力作用方式与工程实际变 形破坏情况较好吻合，被实践所验证，本结果为地下工程的设计与施二】：提供了可 靠的科学依据t 3 在本文建立的地应力场的基础上，通过对重点巷道的变形破坏调查和监 测，结合现场工程地质调查研究，利用a n s y s 软件对所选取地段进行了三维模拟 摘要 分析，进而分析巷道变形破坏的特征及原因，对于深部巷道工程的设计与建设有 借鉴意义； 4 在本文建立的地应力场的基础上，结合工程地质条件，利用有限元三维模 拟分析，对水平矿柱与垂直矿柱的稳定性问题进行了初步研究。模拟分析制定了 六种采掘比选方案，通过对六种方案的模拟及结果的研究对比，确定了优选方案， 明确了矿柱开采过程中的应力变化情况，对矿柱在开采过程中的稳定性做出了初 步判断，提出了现阶段进行矿柱开采的建设性意见。 关键词：金j i i 二矿区，地应力实测，应力场，a n s y s 有限元模拟，工程稳定性 中国地质科学院博士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n ge x c a v a t i o nd e p t ha n dt h et r u t ho f d o u b l e l e v e lm i n i n g ，d r i f t sw e r es t r o n g l yd e f o r m e da n ds e v e r e l yd a m a g e di nt h e s e c o n dm i n eb l o c ki nt h ej i n c h u a nm i n e s o m ed r i f t sc o u l d n tb eu s e dn o r m a l l ye v e n b e i n gr e p a i r e df o rm a n yt i m e s t h eg e o s t a t i ce m e r g e n c ei sv e r yo b v i o u s t h e c r e v a s s e si nt h es u r f a c eh a v eb e e no c c u r r e da n de n l a r g e dq u i c k l y s o m e t i m e st h e r ei s c a v i n gi nt h es t o p ea n dt h ef i l l i n gb o d i e s i t i s n e c e s s a r yt os t u d yo nt h er o c k m e c h a n i c sp r o b l e m si nt h ed e e pe n g i n e e r i n ga r e a t h es t r e s si so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r st oa f f e c tt h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g e n g i n e e r i n ge x c a v a t i o nw i l l r e s u l ti nr e d i s t r i b u t i o no ft h es t r e s si nt h es u r r o u n d i n gr o c k s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d yt h es t r e s sc o n d i t i o ni nt h ed e e pm i n ea r e aa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r e s s s t a t ea n dt h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g t h i sp a p e rr e l i e so nt h et e c h n o l o g i c a lp r o j e c to ft h ej i n c h u a nc o m p a n y “s t u d y o nt h es t r e s sf i e l da n dt h er o c km e c h a n i c si nj i n c h u a nm i n e ”t h ew o r ki sm a i n l yi n t h es e c o n dm i n eb l o c k w eh a v ed o n eal o to fw o r ks u c ha se n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o n ， t h ec h a r a c t e r i s t i co fr o c km e c h a n i c sa n dt h et e c t o n i cs t r e s sf i e l di nt h es e c o n dm i n e b l o c k w eh a v ea l s od o n et h ei n d o o re x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h r o u g h t h o s ew o r k s ，w eg r a s pt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h em i n i n ga r e a o nt h eb a s i so ft h i s k n o w l e d g e ，c o m b i n i n gt h eu n d e r g r o u n dp r o j e c tr e a l i t yw ea n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h e k e yp r o j e c t t h em a i nw o r k sw l a i c hw eh a v ed o n ea r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 s y s t e m a t i c a l l yc o l l e c t a n d a n a l y z et h ed a t a o ft h es t r e s sa n dt h er o c k m e c h a n i c sw h i c hw e r ed o n eb yt h ep r e d e c e s s o r s 2 i n v e s t i g a t ea n da n a l y z et h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i ci nt h em i n i n g a r e a 3 s t r e s sm e a s u r e m e n t sw e r em a d ea td i f t e r e n ts t r u c t u r a lp o s i t i o na n dd e p t h sa n d i nd i f f e r e n tr o c kb a s eo nt h er e s u l t so fs t r e s sm e a s u r e m e n t st os t u d yo nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t i o n o ft h es t r e s si nt h em i n i n ga r e aa n dt h es t r e s s a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i c so fi nd e e pl e v e lc o m p a r ew i t hi ns h a l l o wl e v e li nt h em i n i n ga r e a 4 s t u d yo nt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f t h es t r e s sf i e l do f t h em i n i n ga r e a 5 r e s e a r c ho nt h et r i d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f t h e s t a b i l i t yo f t h e k e yp r o j e c t b a s e do nt h ea b o v ew o r k ss o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 b a s e do r lt h er e s u l t so ft h es t r e s sm e a s u r e m e n t ，t oc o n s t r u c tt h es t r e s sf i e l db y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h ed e e pl e v e li nt h em i n i n ga r e a 2 t h er e s u l t so f t h es t r e s sm e a s u r e m e n ti n d i c a t et h a tc h a r a c t e r i s t i c so f t h ea c t i o n o ft h es t r e s si nt h ed e e pl e v e lo ft h es e c o n dm i n eb l o c k a n di tc a na l s ob es e e nt h a t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t i o no ft h es t r e s sd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei nt h ed e e pa n di n t h es h a l l o w t h er e s u l t so ft h es t r e s sm e a s u r e m e n tw e l lc o i n c i d e sw i t ht h ea c t u a l d e f o r m a t i o na n dd a m a g ei nt h ep r o j e c t t h er e s u l t so f f e rt h er e l i a b l es c i e n t i f i c f o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o no f t h eu n d e r g r o u n dp r o j e c t 3 ，o nt h eb a s i so ft h es t r e s sf i e l dw h i c hi sf o u n d e di nt h i s p a p e r , t h r o u g ht h e s u r v e ya n dt h em o n i t o r i n go ft h ed e f o r m a t i o no ft h ek e yd r i f t s ，c o m b i n i n gt h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o n a n dt h es o f t w a r ea n s y st od ot h e t r i d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o na n a l y s i sf o rt h ec h o s e ns e c t o r st oa n a l y z et h em a i nr e a s o n s o f d e f o r m a t i o na n dd a m a g eo f t h ed r i f tt h e s ew o r k si si m p o r t a n tf o rt h eu p g r a d i n go f d e s i g na n dt h es t a b i l i t yo f t h ep r o j e c ti nt h ed e e pl e v e li nt h em i n i n ga r e a 4 b a s eo nt h er e s u l t so ft h es t r e s sm e a s u r e m e n tc o m b i n i n gt h ee n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n tt r i d i m e n s i o n a ls i m u l a t i n gt oe l e m e n t a r y s t u d yt h es t a b i l i t yp r o b l e m so f t h eh o r i z o n t a la n dt h ev e r t i c a lj a r a b s t h e s es i m u l a t i o n a n a l y s e se s t a b l i s hs i xd i g g i n gs c h e m e s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h e s t r e s sc h a n g e sd u r i n gt h ej a n t h se x c a v a t i o np r o c e d u r e a l s ot h es i xs c h e m e s c o m p a r e w i t he a c ho t h e rt od e t e r m i n et h ep r e f e r r e ds c h e m e t h ee l e m e n t a r yj u d g m e n to ft h e s t a b i l i t yo ft h e j a m b sd u r i n gt h ee x c a v a t i o np r o c e d u r ea n ds u g g e s t i o n sf o rt h ej a m b s e x c a v a t i o na r em a d en o w a d a y s k e y w o r d s ：t h es e c o n dm i n eb l o c ki nj i n c h u a nm i n e ，i n s i t us t r e s sm e a s u r e m e n t ， s t r e s sf i e l d ，a n s y sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gs t a b i l i t y d 中国地质科学院1 尊士学位论文 原创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国地质科学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 驿础、孑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国地质科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国地 质科学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二罄 7 弩一导师签名：继日期：赳 中国地质科学院博十学位论文 第一章绪论 金川镍矿是世界著名的多金属共生的大型硫化铜镍矿床之一。，是我国最大的 镍生产基地。发现于1 9 5 8 年，集中分布在龙首山f 长6 5 公里、宽5 0 0 米的范 围内，已探明的矿石储量为5 2 亿吨，镍金属储量5 5 0 万吨，列世界同类矿床第 二位，铜金属储量3 4 3 万吨，居中国第三位，近年来的地质勘探成果表明金川镍 矿的深部、边部及外围具有良好的找矿前景。金川矿石还伴生有钻、铂、钯、金、 银、锇、铱、钉、铑、硒、碲、硫、铬、铁、镓、铟、锗、铊、镉等元素，其中 可供回收利用的有价元素有1 4 种。矿床之大、矿体之集中、可供利用金属之多， 在国内外都是罕见的“3 。 金川公司经过几十年的发展，目前制约公司快速发展的一系列科技重大难 题，最基础的问题是资源问题，即立足于金川镍矿现有探明储量矿产资源，进行 持续、稳定、安全开采。矿山已进入深部开采阶段，开采面积不断增大，多中段 回采已成现实。与浅部开采相比，深部多中段回采难度越来越大，开采强度大、 开采扰动剧烈、围岩及充填体变形破坏明显、地应力场分布状态的复杂多变等一 系列问题，严重制约着矿山安全生产，矿山存在着发生突发性、破坏性事故的隐 患。 在这样的背景下，2 0 0 4 年6 月金川公司重大科技攻关及产品结构调整战略 研讨会在金川公司召开。来自全国各地的1 0 3 家高校、科研院所5 0 0 余名专家学 者相聚金川，共商科技发展大计，为公司的发展提出了许多有见地的建议和意见。 在这次会议上金川公司在地质、岩土工程、采矿、选矿、冶炼、化工及环保、新 产品开发、装备及自动化等方面所遇到各种新问题、新现象以及各种难题与各行 专家进行了深入地讨论与分析，在7 个方面总结了1 0 7 项技术难题，面向全社会 进行招标。 中国地质科学院地质力学研究所、东北大学、金川镍钴研究设计院、北京大 学地球物理系、金川公司龙首矿、金川公司二矿、金川公司三矿等联合承担了岩 石力学研究方面的攻关课题：金川矿区应力场与岩石力学研究。本项目是自上世 纪9 0 年代初金川矿区进行岩石力学研究后，面对深部的末研究区域以及整个金 川矿区进行的一次全面、深入、系统的岩石力学研究。由于项目关系到整个公司 第一章绪论 的发展，关系到矿山的安全与生产，被公司定为一级攻关课题。整个项目涉及到 金川矿区岩石力学研究成果调研、总结、系统分析与二次开发，矿区深部的工程 地质特征与岩体性质研究，深部采动影响，地压显现特征、矿区深部的应力作用 特征及变化规律，矿区有限元数值模拟和优化设计研究、深部开采岩体力学行为 的数值分析，矿区应力、变形实时监测系统的建立等各个方面。项目的研究将为 金川矿山的建设提供基础的数据资料，构建一个岩石力学平台，为矿山建设与安 全生产提供科学依据。为了解决制约矿山建设、开采过程中的重大技术难题，实 现矿山可持续安全生产，进行本项研究工作，具有极其重要的现实意义和长远意 义，是金川公司进一步发展的内在需要。 本论文即以金川公司科技攻关项目：“金川矿区应力场与岩石力学研究”为 依托。立足理论研究，面向实际应用，为生产实践服务。主要针对金川公司二矿 区开展工作，通过对二矿区深部地质构造、岩石力学特性、构造应力场的现场调 查和测试，以及室内试验和数字仿真模拟，掌握矿区应力分布，在此基础上结合 地下工程实例，分析二矿区地下工程稳定性，为矿山建设提供依据。 1 1 出现的问题及引发的思考 二矿区是金川集团有限公司的主力矿山。矿山年产矿石量近5 0 0 万吨，其中 二矿区3 0 0 万吨，承担着公司7 0 以上的自产矿石原料。二矿区年产量超过3 0 0 万吨以后，随着二矿区年出矿量的连续大幅度增长，盘区、中段回采下降速度加 快，开采深度和面积也在不断增加。深部多中段开采强度大，采动影响强烈，形 成了水平矿柱与垂直矿柱。加上工程地质条件复杂、地压大、岩体稳定性差，致 使采场充填体和采准巷道变形破坏严重。 2 0 0 1 年金) l l - 矿区对1 9 9 5 年以来的地下巷道( 包括全断面返修、局部返修 及重复多次返修) 返修工程量进行了详细统计。结果如图1 1 所示，其中2 0 0 1 年 实际返修量己达到7 0 6 6 米，超出计划返修量2 2 0 0 米的三倍以上。1 。 由图中可见，从9 9 年开始，井下巷道返修量急剧增加。大规模的地表变形、 尤其是地裂缝的产生也多始于1 9 9 9 年，这并非巧合。 1 9 9 9 年9 月，中国科学院地质与地球物理所在对金川矿区地表控制网g p s 监测时发现，二矿区采场上方的地表控制点均产生了指向采场方向的水平位移和 沉降，最大水平位移3 5 7 m m ，最大沉降量3 2 7 u n “。 中国地质科学院博士学位论文 图1 1巷道t j ：2 返修量统计图 在开采过程中，11 5 0 m 中段下降较快的19 3 4 号盘区在回采11 9 8 m 分段最后 两个分层时，均出现分层道大面积脱层的情况，而11 7 8 m 分段地压显现更加明显， 分段道经多次维修，但收敛变形依然非常严重。 所有这些现象都迫使我们去思考将来可能出现的问题、潜在的灾害和安全隐 患，例如： ( 1 ) 深部应力状态与浅部有什么不同? ( 2 ) 水平矿柱与垂直矿柱的工程稳定性如何? 是否存在灾变隐患? ( 3 ) 对于正在进行开拓的8 5 0 m 水平工程，如何实现工程的稳定与安全? 等等 一系列问题。 面临越来越严峻的实际情况，对上述问题的解决就越来越紧迫。在众多影响 地下工程稳定性的因素中地应力环境是决定性的基本因素。对于深部应力状态的 研究以及应力环境与地下工程的关系的探讨又是解决其它问题的出发点。因而一 个最基本的任务就是要弄清楚在现今条件下二矿区的地应力状态，以往在二矿区 也进行了多次地应力实测工作，但由于条件所限，缺少深部的实测资料，现在 1 0 0 0 m 中段已建成并投入使用，8 5 0 m 中段也正在施工当中，这就给我们进行深部 地应力测量创造了有利条件。 因此首先要解决的关键问题就是在二矿区深部进行地应力实测工作。这是我 们开展其它工作的基础；其次，在取得深部地应力实测结果的基础上掌握深部应 力状态，结合有限元分析获得深部地应力场，并与以前相对浅部的地应力状态对 比，分析其相同点与新的变化，使我们对于二矿区的整体地应力环境有一个较完 整的认识；在此基础上结合地下工程实例开展岩体破坏规律研究，对于关键性部 *删塾蚓枷输 第一章绪论 位与破坏严重的情况要进行专项研究，得到规律性的认识，从而指导地下矿山的 建设与生产。 拟解决的关键问题有以下两点： ( 1 ) 深部应力状态及变化规律： ( 2 ) 高应力作用下不同性状的岩体力学特征及破坏机理。 1 2 研究意义 在岩石力学与工程学科的研究领域中，地应力的研究始终占据着重要的地 位。它是地壳中地震、火山、山体滑坡等地质灾害发生的直接原因。重大地质灾 害的发生，是地球或表面地质过程长期作用的结果，它们是在特定的岩石圈结构、 地壳和地表，特定的地球物理场( 包括地应力场、地形变场、地温场等) 的特定地 带或地区产生的。很有必要对它们发生的特定背景、形成条件、时空分布和发育 机理进行研究，用以指导工程建设。地壳中的构造活动引起地应力场变动，当应 力的作用超过了岩石所能承受的强度，岩石发生破裂，破裂的迅速传播导致灾难。 地下工程活动同样使相对稳定的原岩应力状态受到扰动，在采空区周围引起应力 集中现象，一旦达到岩石的破裂临界值，就会引发各种地质灾害。减少和防止灾 害的发生，是人们长期不懈努力追求的目标。 地形变和位移是地应力活动的外在表现形式，岩石力学性能除了与岩石本身 的物质组成和结构构造有关外，还受制于所处的构造环境、应力状态等。岩体由 岩块和结构面所组成，岩体稳定性取决于岩块和结构面的力学特征，更取决于岩 体结构面的组合型式及其与建筑物的方位关系，因此，要使地下工程稳定，也就 要研究构造应力场作用下的岩体稳定性。 随着浅部资源的日益枯竭，固体矿产采掘向深部发展。随之而来的是地应力 的增大，深部岩体结构和构造更加复杂，岩石力学性状、强度指标、变形特征、 破坏特性均不同于浅部，在深部工程中由于高应力引发的重大事故更加频繁，如 硬岩中的岩爆，软岩中的变形破坏、岩层移动、冒顶等等。深部矿区地质灾害的 频发，促使人们更加关注深部高应力状态下岩体力学性状和岩石破坏机理、灾害 预测和防范措施的研究。 金川矿区由于地质历史时期受过多次构造运动影响，断裂、节理、裂隙十分 发育，加之本区现今仍处于构造活动期，这就为地面和地下工程的稳定带来极为 中国地质科学院博士学位论文 不利的影响。进入深部开采后，矿山地质条件复杂化进一步加剧，构造发育、矿 岩破碎，巷道围岩碎胀蠕变明显，岩体整体性、稳定性差，地表裂缝发育扩展， 地面沉降加剧，应力值增大，深部巷道和采场稳定性控制问题更加突出。 本论文是结合为金川矿区深部工程的建设提供科学依据和技术支撑的科研 攻关项目来开展工作。通过对应力场、深部地质构造、岩石力学特性的现场调查 和测试，以及数字仿真模拟，结合地下工程实例，了解各种工况条件下其应力、 应变状态，综合研究工程岩体的破坏机理，分析工程稳定性。这不仅为深部工程 的安全提供基础依据，同时也为深部岩石力学和构造应力场研究提供基础性的科 研成果。开展这项研究工作是非常必要的，它对防治矿山灾害和保障矿山安全生 产具有重要的意义，同时也具有实际应用价值。 1 3 研究现状 1 3 1 地应力研究现状 1 国外研究现状 二十世纪三十年代美国为修建胡佛大坝开展了世界上最早的地应力测量。日 本、美国等国家在地震前兆监测中广泛使用了钻孔应变连续观测。日本于1 9 7 4 年在首都圈安装了3 1 套钻孔体积应变计，并配有先进的数据传输和记录分析系 统，自八十年代初开始，将小震活动与体应变变化速率两项数据作为首要的短临 预报判据。阪神地震后，日本大大增强了地震预报计划的力度，将在全国建设 1 0 0 0 多个包括连续应变观测在内的前兆观测台站( 重点地区间距为2 0 3 0 公里， 一般地区3 0 5 0 公里) ，并加紧实施在首都圈安装1 3 个深孔( 1 2 千米) 综合观 测装置。美国目前在加利福尼亚的5 个地区( 主要是沿圣安德烈斯断层) 共安装了 2 6 套钻孔应变计，采样的信号通过卫星传输到地调局进行实时显示和分析。此 外，瑞典、挪威、芬兰、加拿大、美国、日本等国己相继开展了地应力环境数据 库的建立工作。 地应力的一系列观测、研究计划在世界范围相继展开。其中主要包括 m l z o b a c k 博士领导的世界应力图计划；日本为地震预测、预报为目的，在其 首都圈附近布置了一系列1 0 0 0 2 0 0 0 m 左右的深孔进行地应力测量研究，另外还 布置了几十套钻孔应变计，进行地应力连续监测，以了解地应力的变化情况；另 第一章绪沦 外，在世界大陆深钻计划中，深部地应力测量是其中一项重要的研究内容，截至 日前，原地应力测量的最大深度已达6 0 0 0 米( k t b 钻孔) 。加拿大实施的u r l ( u n d e r g r o u n dr e s e a r c hl a b o l a r y ) 研究计划，在原地应力测量、地质构造分析 的基础上建立的地质力学模型，比较有效合理地论证了研究区内各种因素对地应 力的影响，揭示了地应力的分布规律“1 。 2 国内研究现状 我国的地应力测量研究工作是在李四光教授的倡导下于六十年代开展起来 的，在李四光教授亲自指导下，我国地应力工作者多年来发展并逐步完善了地应 力测量的理论和方法，其研究的主要内容有：地应力成因及主要特征；地应力测 量的基础理论；测量仪器、测量方法；构造应力场的数学模拟；应力场的反分析； 工程稳定性应力分析；地应力在工程建设中的应用，包括在矿山、水利、电站、 地震及石油工业中的应用。建立了压磁法地应力测量系统和空芯包体三轴地应力 测量系统，为我国提供了完善的地应力测量理论和可靠的地应力测量系统，并已 在国内地震、地质、矿山、水电、地下建筑工程等方面被广泛应用，如二滩水电 站、黄河小浪底水电站、潘家口水库、青海拉西瓦水电站、李家峡水电站、北京 十三陵抽水蓄能电站、广东大亚湾核电站、长江三峡三斗坪坝等重大工程中的应 用，为工程设计提供了重要的科学依据，还解决了许多设计和科研中的重大技术 问题，并推动了我国地应力测量和技术的发展。通过大量的地应力测量研究工作， 获得了许多重要的基础资料，基本揭示了我国大陆应力作用的主要特征：表层水 平地应力的主导性；水平应力和垂直应力均随深度的增加而线性增大，但增大的 斜率因地而异；现今构造应力主方向具有一定的分布规律，且与地质构造有关。 此外，还研制了适用于深部地应力测量的水压致裂方法。这些方法是目前国内外 常用的测量方法，它们的完善不但为工程建设提供了适用于不同用途的测量方 法，同时还使我国在这一领域的研究水平和测量技术达到国际先进水平。 金川镍矿是我国最大的镍生产基地。二矿区的储量占金川镍储量的四分之 三，金川公司的前途和命运，很大程度上取决于二矿区的开发。金川二矿区从六 六年起开始建设，拖了十多年始终不能建成，许多巷道边掘边塌，返修工程占总 工程量的46 。7 0 年代，在中国地质科学院地质力学研究所廖椿庭研究员的主 持下，多家单位协作在金川矿区开展了地应力测量及其应用研究工作，提出了矿 中国地质科学院博l 学位论文 区应力作用的主要特征，揭示了水平应力的主导性，同时，指出应力状态与构造 之间的关系。在综合分析研究基础上，系统阐述了巷道变形破坏的主要原因，提 出了有效的防治措施，并对开采设计有关的技术问题提出了科学意见。随着金川 二矿的开采，许多科研单位相续在会川开展了许多研究工作，对金川矿的发展起 了积极作用。 随着我国经济的不断发展和减灾防灾的需求，结合工程实际开展应力、岩体 特性综合研究变得越来越迫切。近年来我国大型矿山煤瓦斯突出、岩爆、巷道变 形破坏、突水等问题越来越严重，在资源开发( 特另u 是矿山井下开采中) 和地质灾 害预报过程中，进行应力状态研究是非常必要的。今后，我国金属矿山进入深部 开采的将越来越多，如辽宁抚顺红透山铜矿目前开拓深度1 3 3 7 m ，开采深度 1 1 5 7 m ，冬瓜山铜矿己达1 0 0 0 m ，湘西金矿已接近1 0 0 0 m ，凡口铅锌矿、金川镍矿、 会泽铅锌矿的开采深度都已达到或超过7 0 0 m ，而且深度还在增加：河南和山东 两个黄金大省现已探明的黄金地质储量6 0 以上埋深在6 0 0 8 0 0 m 之间。冲击 地压活动和岩爆研究是国内外许多矿山必须面对的一个大课题。毫无疑问，本世 纪初，我国金属矿山深部开采地质灾害防治问题将成为矿山开采的突出矛盾，也 是需要投入相当大的精力去研究、攻关的重大技术难题。红透山铜矿发生的一系 列岩爆灾害在国内的金属矿山中极具典型性，金川镍矿岩体破碎、地应力值大、 巷道变形破坏严重，在国内金属矿山中也是罕见的，因此，以这些典型矿山为示 范基地进行研究，不仅将产生巨大的经济效益和社会效益，同时还可以起到以点 带面的作用，对指导全国的矿山安全生产，防止恶性事故发生具有重要的借鉴作 用“。 1 3 2 金川二矿区地应力场的研究现状 金j i l 矿区是我国三大资源综合利用基地之一，国家对金j | l 矿区的建设和生产 极其重视。由于矿区工程地质条件复杂、地应力高，致使巷道产生严重变形和破 坏，严重影响了矿区的建设和开发。为解决巷道变形及与矿山开采设计有关的问 题，在矿区开展了多次原岩应力实测工作： 1 9 7 3 年至1 9 7 4 年，长沙矿冶所等三单位在金) j l - - - - 矿区进行了局部原岩应力 实测工作( 应力测点位于1 3 0 0 m 水平以上) 。 1 9 7 5 年至1 9 8 1 年，中国地质科学院地质力学研究所与国家地震局地震地质 大队、冶金部金川公司研究所、国家地震局兰州地震研究所、冶金部北京有色冶 第一章绪论 金设计研究总院等单位协作，利用钻孔套芯应力解除技术( 压磁电感法) 在矿区及 其外副开展了原岩应力实测、地质构造调查及构造应力场的研究，并应用于矿山 开采设计中。在六年的实测和研究过程中，第一次在金川矿区大规模系统地进行 了原岩应力实测( 应力测点位于1 2 5 0 m 水平以上) ，取得了可靠的第一手资料，揭 示了矿区地应力作用特征： ( 1 ) 现今地应力都是压应力，并以水平应力为主导； ( 2 ) 在近地表2 0 3 0 m 深度范围内，最大主压应力值为3 m p a 左右； ( 3 ) 随着深度的增加，应力值增大，至4 0 0 5 0 0 m 深度，最大主应力值约为 3 0 5 0 m p a ： ( 4 ) 最大主应力方向一般为北北东，在不同构造部位，其方向有明显变化； ( 5 ) 最大主应力值和最小主应力值相差较大。 1 9 8 6 年至1 9 8 8 年，中瑞合作由瑞典吕律欧大学岩石力学系、金川镍钴研究 院、北京有色冶金设计研究总院等单位协作，在金川二矿区开展了局部的原岩应 力实测工作( 应力测点都位于1 2 0 0 m 水平) 。 1 9 9 4 年至1 9 9 7 年，北京科技大学、金川公司二矿区、金川镍钻研究设计院 等单位协作，利用钻孔套芯应力解除技术( 空芯包体法) 在二矿区进行了原岩应力 实测工作( 应力测点位于9 4 0 m 水平以上) 。 2 0 0 1 年，兰州大学利用声发射法( k a i s e r 效应) 在金川矿区进行了原岩应力 实测工作( 应力测点位于1 1 9 8 m 水平以上及地表) 。 2 0 0 4 年至今，中国地质科学院地质力学研究所、东北大学、金j i l 镍钻研究 设计院、北京大学地球物理系、金川公司龙首矿、金川公司二矿、金川公司三矿 等联合承担了金川公司岩石力学研究的攻关课题：金川矿区应力场与岩石力学研 究。在本项目中将对整个金川矿区进行有史以来第二次大规模、系统、全面的原 岩应力实测工作。本次测量工作的重点区域是二矿区，经过这次工作将对二矿区 的现今应力环境有一个较全面的认识。 1 3 3 金川二矿区工程地质条件的研究 在金川矿山建设初期，中国科学院的一批专家与金川公司技术人员一起，经 过六年的大量现场研究，创建了金川矿山工程岩组分类，并对每类工程岩组的岩 石力学与工程性质进行了详细地描述，这一科研成果指导金川矿山设计、科研与 生产实践几十年，为金川矿山在岩体破碎、高地应力等及其恶劣的工程环境下， 中国地质科学院博士学位论文 实现目前近五百力吨的年生产能力奠定了基础。 随着矿山开采的深度与广度的增加，部分工程岩组特性在深部发生了变化， 在这种情况下，合川公司结合各高校与科研院所作了大量富有成效的工作： 1 9 8 8 年，中瑞合作在金川二矿区开展了岩石力学研究； 1 9 8 8 年，金川镍钴研究院对二矿区深部的岩石进行了岩石力学物理性质测 试： 1 9 9 1 年，中国科学院武汉岩土力学所在二矿区开展了金川二矿区岩石力学 实验、二辉橄榄岩岩石力学流变特性研究、金川镍矿断层泥物理化学性质和膨胀 特性研究等工作： 1 9 9 6 年，金川镍钻研究设计院进行了金川矿区工程地质岩组特征及工程处 理研究； 1 9 9 6 年至1 9 9 8 年，北京科技大学、金川镍钻研究设计院、金川公司二矿区 联合进行了金川二矿区深部工程地质分区和岩体分类研究、金川二矿区深部矿岩 力学特性测试研究等工作。 以上这些工作的开展，使得我们在新的开采条件下，对于围岩工程地质条件 有了更加清楚地认识，这些在深部取得的研究成果与以往的研究成果相结合，指 导了金川矿山进一步的建设与发展。 1 3 4 金川二矿区地下工程稳定性的研究 金川矿山最根本的问题是各类工程的稳定问题，小到巷道的稳定、采场的稳 定，大到整体充填体的稳定、及正在拟建中的开拓工程的稳定，这些问题严重制 约着矿山采矿效率的提高，增加了采矿成本。几十年来，金川公司科技人员联合 国内外科研院所、高校，与生产人员一并致力于解决矿山各类稳定问题，才取得 今天矿山顺利达产的局面。 但随着矿山开采规模的增大，开采深度的增加，采矿工程地质环境发生了新 的变化。在深部开采掘进过程中，巷道形变之快、变形量之大、蠕变期之长，在 国内外金属矿山实属罕见。如二矿区1 0 0 0 米水平某段巷道在开掘一个月之内， 四米多宽的巷道两帮内挤收敛累计达两米，部分巷道在其服务期内返修达四次以 上，几乎用尽了国内外各种先进的支护形式，但仍末从根本上寻找出一种行之有 效的支护方式；而从目前1 1 5 0 中段开采时出现的严重变形破坏来看，应力作用 第一章绪论 明显加剧了，如在巷道开拓过程中，新掘进巷道最短在2 3 天内就会发生侧帮、 顶板开裂、整体规格缩小的现象，严重地影响着矿山的安全生产以及基建进度。 深部开采采场顶板稳定问题也越来越突出，不时发生采场顶部充填体局部冒顶事 故，严重影响了正常的采矿进度，也危及到工人人身和设备的安全。 近年来在二矿区地表发现大量的地面变形裂缝，表明采空区整体变形已大量 存在，并已波及到地面，监测结果表明：地裂缝仍在不断发展、地面沉降正在加 剧。而在2 0 0 5 年3 月9 同发生的1 4 行风井工程失稳事故正是地下工程变形在地 表的一次集中表现。 在地下工程稳定性方面开展的研究工作主要有： 1 9 8 9 年，中国科学院地质与地球物理研究所对地下巷道长期稳定性的力学 问题进行了研究； 1 9 9 1 年，中国科学院武汉岩土力学所进行了题为金川镍矿二矿区不良岩层 巷道稳定性研究； 1 9 9 7 年，北京科技大学、金川镍钴研究设计院、金川公司二矿区联合进行 了金川二矿区二期工程无矿柱大面积连续开采的稳定性及其控制技术研究； 2 0 0 2 年，中国科学院地质与地球物理研究所、金川镍钻研究设计院、金川 公司二矿区联合进行了深部多中段回采地压规律及灾变失稳预测与控制研究； 2 0 0 2 年，金川镍钻研究设计院、金川公司二矿区、金川公司矿山公司联合 进行了金川二矿区深部巷道稳定性与支护技术研究； 2 0 0 3 年，中国科学院地质与地球物理研究所与金川公司合作进行了金川矿 区地表岩移的g p s 测定与井下系统归并研究： 2 0 0 4 年，金川公司二矿区进行了二矿区采矿盘区不均匀下降问题的对策研 究； 2 0 0 4 年，中南大学、金川公司二矿区合作进行了1 1 5 0 m 中段大面积高应力 水平矿柱中深孔采矿方法应用技术研究。 1 3 5 巷道设计与支护 金川矿山巷道设计与支护的研究已有几十年的历史，积累了丰富的经验与研 究成果。在建设初期，根据传统的普氏理论，普遍采用的巷道断面是直墙半圆拱， 单轨巷道的跨度高度的比值小于l ，在工程地质条件较好的矿区，该断面几何 中国地质科学院博l 学位论文 形状是适用的，并且施f t 上比较方便，成本较低。但是，地应力测量结果表明， 在矿区的绝大部分地区，是以水平应力为主导的，并非以垂直应力为主导，这样 在矿区工程地质条件比较复杂的部位，就出现了由于最大水平主应力的作用而引 起的巷道变形破坏，这就要求我们根据实测的地应力结果来设计合理的巷道断面 几何形状。基于矿区地应力作用特征以水平应力为主导，巷道变形调查结果也表 明受强烈水平侧压力的作用为主，因此，似椭园断面的巷道比较适于本矿区应力 作用方式，其跨度高度比值应大于l 。 金川矿山在过去几十年的建设中，使用过木棚支护、预制混凝土块支护、现 浇混凝土支护、喷锚网支护、锚注支护、u 型钢拱架支护及中长锚索支护。国内 外的经验表明，锚杆支护是对碎胀蠕变岩体最有效、最经济的支护方式。喷锚网 支护技术、锚注支护技术、锚索支护技术在国内外已达到较高水平，金川矿山也 积累了一定的成功经验。 在矿山建设初期，人们常把巷道的维护问题看成种单纯支护结构问题。它 的特点是把支架上压力作为给定的静荷载，而与支架类型和结构无关，也和巷道 掘、砌方式方法、工艺过程无关。这种传统的维护