岩石力学与工程(蔡美峰)

北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING《采矿理论与技术新进展》地应力测量与采矿设计优化北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING一、地应力的基本概念及地应力测量的重要性二、地应力场测量的基本原理和主要方法三、地下矿山采矿设计优化四、大型深凹露天矿边坡设计优化内容提要北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING1、蔡美峰著。地应力测量原理和技术。科学出版社，2000年。2、蔡美峰著。金属矿山采矿设计优化与地压控制-理论与实践。科学出版社，2001年。3、蔡美峰主编，何满潮、刘东燕副主编。岩石力学与工程。科学出版社，2002年。参考书北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING第一节地应力的基本概念及地应力测量的重要性BASICCONCEPTSANDIMPORTANCEOFIN-SITUSTRESSMEASUREMENT第一节地应力的基本概念及地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING什么是地应力？地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力、岩体初始应力、绝对应力等。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。准确的地应力资料是实现采矿和岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。第一节地应力的基本概念及地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING1.1.1地应力的成因30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，包括：大陆板块边界受压地幔热对流地球内应力地心引力地球旋转岩浆侵入地壳非均匀扩容另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。1.1地应力的成因及其一般分布规律北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING中国大陆板块受到印度洋板块和太平洋板块的推挤，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束，产生水平受压应力场。印度洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形成，控制了我国地震的分布。中国板块主应力迹线图1.1地应力的成因及其一般分布规律北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING汶川大地震北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING龙门山断裂带北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量水平应力普遍大于垂直应力平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性地应力的上述分布很会受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大1.1.2地应力分布的一般规律1.1地应力的成因及其一般分布规律北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING1.2.1地应力分布状态的复杂性和多变性构造运动和重力作用是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，造成了地应力状态的复杂性和多变性。即使在同一工程区域，不同点地应力的状态也可能是很不相同的，因此，地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测量。1.2地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING传统的采矿及其它岩土工程的开挖设计和施工是根据经验来进行的（查手册）。当开挖活动是在小规模范围内和接近地表的深度上进行的时候，经验类比的方法往往是有效的，但是随着开挖规模的不断扩大和不断向深部发展，经验类比法已越来越失去其作用。为了对各种岩土工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查。在诸多的影响岩体开挖工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要最根本的因素之一。1.2.2地应力对采矿工程的重要性1.2地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING对矿山设计来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸、开挖步骤、支护形式、支护结构参数、支护时间等，从而在保证围岩稳定性的前提下，最大限度地增加矿石产量，提高矿山经济效益，从而实现采矿工程的优化。1.2地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING根据弹性力学理论，巷道和采场的最佳形状主要由其断面内的二个主应力的比值来决定，为了减少巷道和采场周边的应力集中现象，它们最理想的断面形状应是一个椭圆，而这个椭圆在水平和垂直方向的两个半轴的长度之比应与该断面内水平主应力和垂直主应力之比相等。在此情况下，巷道和采场周边将处于均匀等压应力状态。这是一种最稳定的受力状态。vhba1.2地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态，最理想的走向是与最大主应力方向相平行。1.2地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING由于采矿工程的复杂性和形状多样性，利用理论解析的方法进行工程稳定性的分析和计算几乎是不可能的。但是，近20年来大型电子计算机的应用和各种数值分析方法的不断发展，使采矿工程成为一门可以进行定量设计计算和分析的工程科学。所有的计算和分析都必须在已知地应力的前提下进行。如果对工程区域的实际原始应力状态一无所知，那么任何计算和分析都将失去其应有的真实性和实用价值。1.2地应力测量的重要性北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING第二节地应力测量原理与方法PRINCIPLESANDTECHNIQUESOFIN-SITUSTRESSMEASUREMENT第二节地应力测量原理与方法北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERINGx0zyxzyzxzyxzxyyxyz2.1概述基本原理测量地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态（原岩应力），这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。由于地应力状态的复杂性和多变性，要比较准确地测定某一工程区域的地应力，就必须进行充足数量的“点”测量。在此基础上，可以借助数值分岩体中任一点三维应力状态析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法，建立工程区域的地应力场分布模型。北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING主要测量方法直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，计算出原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。间接测量法：不是直接测量应力值，而是测量岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算出岩体中的应力值。为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。2.1概述北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING直接测量法扁千斤顶法（Flatjack）刚性包体应力计法（Stiffinclusionstressmeter）水压致裂法（Hydraulicfracturingtechnique）声发射法（Acousticemissiontechnique）2.1概述北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING间接测量法套孔应力解除法（Stressreliefbyovercoringtechnique）局部应力解除法（Localstressrelieftechnique）松弛应变测量法（Relaxationstrainmeasurement）孔壁崩落测量法（Boreholebreakoutmeasurement）地球物理探测法（Geophysicaltechnique）2.1概述北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING2.2水压致裂法测量原理发展历史弹性力学基本理论孔边应力分布：12θ2121-3为极小值σ时，002cos)(2r(1)北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING2.2水压致裂法基本假设垂直方向是一个主应力方向，其值等于自重力岩体线性、均质、各向同性渗透符合达西定律rHv(2)北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING测量步骤(1)钻孔（地质勘探）、选段（完整）、封隔（气或液）；直径：38、51、76、110、130；2.2水压致裂法北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING(2)加水压将孔壁压裂(Fractureinitialpressure)(3)(3)关闭加压系统(shut-inpressure)(4)由(3)和(4)可求出1和2，但需要知道T。0123PTPi2sP2.2水压致裂法北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING(4)重新加压使裂隙张开(Fracturere-openingpressure)(5)由(3)，(4)即可求出1，2，不需要知道T。(5)关闭加压系统，再次测得Ps值。(6)将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。0123PPr2.2水压致裂法北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING(7)测量水压致裂裂隙的方位。采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。印模器简便实用。将印模器连同加压管路一起送入井下的水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，钻孔上的裂隙均即可印在印模器上。印模器装有定向系统，可确定裂隙的方位。最后，测点（即试验段）水平面内的二个主应力σ1和σ2的大小和方向确定了。再加上垂直方向主应力σv的大小也已知，测点的三维应力状态（三个主应力的大小和方向）就确定了。2.2水压致裂法北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING水压致裂法的优缺点：优点：能测深部地应力适用于采矿和岩土工程前期地应力评估缺点：主应力方向是假设的在多节理、裂隙岩体中适用性差。2.2水压致裂法北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING2.2套孔应力解除法测量原理在应力场作用下，岩体产生变形。如果将岩体中的一部分与周围岩体分离，使其脱离应力场作用（实现应力解除），这部分岩体中的变形将恢复，测量出这部分恢复应变，即可计算出作用在岩体上的地应力的大小和方向。北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEERING2.3套孔应力解除法测量步骤1)从岩体表面(地下巷道、隧道、峒室等表面)向岩体内部打孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔直径130mm。大孔深度为巷道、隧道或开挖峒室跨度的3倍以上，从而保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区。为了便于下一步安装测试探头，大孔要保持一定的同心度，尽量打直。应变计探头套芯大孔安装小孔套孔岩芯(d)(c)(b)(a)北京科技大学ROCKMECHANICSANDENGINEE