矿区原岩应力场的测定与研究.pdf

／ 矿 区原岩应力场的测定与研究 北京有色冶金设计研究总院 田治友 { 【 摘要】 结台矿区特点．提出了在矿区进行地应力蚜测定与研究的方法．主要包括矿区构造盅力 计 力地应力 耐量构盥 赫 毛 关 键 饲 地 应 力地 应 力 耐 量构 造 应 力 场 反 演 计 算 Y 多 磁一 ⋯ ⋯， m ； 1 引言 ～ ； 一 ／ 人 们普遍关 心的是 根据矿 区的特点， 如 何开展 对原 应力场最 有效的研究 。笔者 根据 近年来的工作体会及拥有的相关资料，试图 总结在矿 区进行原岩应力量测与研究的一般 方法。笔者 认为 ， 以下所 到条 目是矿 区原 岩 应力场的测定与研究所必须经历的，妥善处 理其 中所 汲及 的 问题 ，会 有助于获 得满意 的 研究成果。这些条 目是； 1 了解地壳浅 层的原岩应 力状态 } 2分析矿 区的 地质 构造特点与构造应 力 场t 3选择合适 的 地应力测量方 法t 4确 定测点的最少数 量 并合理布局 测点 j 5实测 中应注 意的 阐题 ； 6对 铡定结果 的 整 理 与 评述 } 7区域原岩应 力场的反 演计算。 2 有关地壳浅层原岩应力状态 经典认识 与再认识 具有代表性的T e r z a h i和R i c h a r t 原 岩 应力计算 法 1 9 5 2 年 左右 了人们近 2 0 年 。 他们 指出，地壳 内一 点的原岩应力 状态 由一 个垂直方 向的应力状态 和两个相等的 水平应 力组成，其量值如式 1 z∑ h 。 。 a z 击 h 上覆岩层厚度， ’ 。 铡向应力，lX I p a t 岩石 的泊松 比 。 这 种计 算方法可 以给出从上 至下岩层为 水平排列的沉积岩地区的估算值。但在绝大‘ 多数 情况下，这种假设并不符合实际的地质 情况 。 海姆法则也曾指导着人们在 地下岩石工 程 中的行为 。该 法则 认为 岩石不能承 受较 大的应力差值和与时间有关的变形影响，这 就 可能在 整个地质年 代使水 平应力 和 垂直 应 力趋 于平衡 。该法则 可给出软 弱岩休 原岩 应 力的 良好近似值，也可估算超过l O 0 0 m深度 下地层所存在 的水平应力 。 哈斯特 Ha s t 在斯堪的纳维亚半岛的 应力实 澳 』 结果 1 9 fi 8 年 均有别于上述 经典 认识 。随着 测试技术 的 飞速发展 ，人 们获 取 了大量地壳 浅层 的地 应力测定成果 ，霍克 和 布 郎 Ho e k ＆ B r o x n 认真总结 了这 些成 果，重新认识了地壳浅层地应力的一般分布 规 律 。即 _。 1 3个主应 力之一近于 铅 直 方 向 与铅直方向的夹角不大于3 0 。 ，其 量 值 近 似于上覆 岩层 自重， 2地壳 中的水平应力具有强烈的方 矿区佩岩盘力场的测定与研究岛治炭 一 2 l 一 喜 _善． ～ 学～ ～ 力～ 一 石一 薰 }j - 维普资讯 向性，即两个水平应力 c r ⋯ 、a ． 。 通 常 不 相 等 ，口⋯ √d 一般 等于 0 ． 2 ～0 ． 8 ， 可 以认为 地壳上 部处 处存在 构造应力 。最 大 水平主 应力在量值 上远远 大于主应力 ， 3 3 个主应力均随深度的增加而增 加，但增加速率因地而异。如果取K 为 平均 水平应力 与 垂直 应力 之比，则K值 的变化 围 围为 ．t - 0． 3 K 。 ． 5 2 式中h 与公式 1相同。对 地 应力分 市规律 的再 认识告诉我们 ，进行地应力量 测 与研究是 十分必要 的。 3 矿 区地质构造与 构造应力场分析 地质构造是构造应力场分析 的 基 本 依 据，在进行构造应力场的分析之前，必须搞 清楚 以下 内容 1矿区岩性种类及其主要物理力学 指标 拉，剪 切强度 ，弹性常数，内聚力 ， 内摩 擦系数等 I 2节理 、裂 踪 、断层 、岩层在 矿区 ，的横向与纵向展布情况} 3成 矿历史 、矿区及 区域 构造运动 ，历史 构造分期 、区域地震记录。 岩性及 物理 力学指标为 我们判断应力 的 相对 量级提供 了依 据 。一般 认为强度 和硬度 、 高的岩石 易形成 月 B 量 积 累，因而 在相 同地质 背景下 地应 力就会高 统计 资料 表明 ，在 弹 性模量相差1 ． 5 个量级的两种 岩 体中，其天 然 应 力相 差一 个量级 左右 。 构造形迹是我们正确判断构造应力的性 质 与方向的出发点。岩体 中任何一点都有压 应力、张应力与一对剪应力，从 理 论 上 分 析 ， 3种应力可产生 3种对 应的结 构面。 由 于这 3 种应力在空间上都保持着一定的的荧 系，因而它们所产生的 3种结构面就有一定 的组合形 式 。通 常，压性 结构 面与 张性结 构 面相 互垂直 ，一对扭 性结构面 相互交叉 ，且 呈锐角与钝角的关系，压性结构面为一对扭 性结构面的钝角平分面或平分线，张性结构 面为其锐角 平分面 或平 分线 。锐角 大小一般 为6 0 。 上 下 ， 理 论上讲扭 裂面应 沿最大剪应 力 方向产生 ， 即这一对 扭裂 面相互 垂直 。 但 由于 岩石内摩擦角的关系，扭裂面与最大剪应力 保持 了1 I} ／ 2 的角度 ，故压 应力方 向的夹 角为 锐角 。 无 论理论上或实践 中均 表明 ， 压 应力方 向与张性结构面走向平行J张应力方 向压与 性结构面走向平行。压应力方向亦就是一对 扭裂面的钝角平分线这是一次构造运动的应 力 场分析 所遵循 的一 般原 则，如 图 1所 示。 必须强调的是，构造应力场的分析一定 要考虑地质构造运动的历史 与 区 域 地质背 景 。现 今构造应 力场的形成无一 不是在 漫长 的 地质 年代 里若 干次地质构造 遥动迭加 复合 的 结果 。如 安徽狮子 山矿 区，该 区 的 浅 部 5 O O m 区域构造应 力场方位 为 北西 ～ 南东 向，深部 5 0 0 m以下则 转 为 北东～ 南西向，浅部的分析是以矿区构造形迹的展 布 与其 构造历史为依 据 ，而 对深部 的结论则 是 考虑 了其处在 淮 阳山字型 构造前 弧东 翼的 事 实，这些推 论在 实测中得到 证实 。 综上所 述 ，构造应力 场的分 析要 防止片 面，构造应力场在一定区域往往不能用一个 简单方 位来 描述 ，这也 是要 注意 的。 4 测 点数量 的最低值 与测点的布局 4 ． 1 测点数量的最低值 从理论上 讲，测点越多越 好 ，现 场的瓣 试条件与经费却常常不允许随意进行大量的 现场实 测。测点多少为 合适 ，既要考 虑测试 服务的对象 ，也要考虑理 论研究上 的需要 。 对 永久 性关键性 的岩石 工程 常常需要 十 几个 或更多 的测点 ，考虑 到矿 区的服 务年 限，如 此多的测点是不必要 的 。在 我们进行二维原 岩应力场的反演研究时发现，求算一定区域 有 自 一l 9 9 4 ． 5 维普资讯 圈1 一次 构造运动 的应力场 分析 的边 界条件 必须 ≥ 2个点的 实测值。采掘工 程 通常需要至 少进 行水 平面与垂直 剖面 两个 面的应力反演 计算 ， 因此 ， 4个 测量 点是我 们开 展研究 的晟 低要 求 。一个基 本 的 原 则 是 ，重 要工程必须 进行 原岩 应力量测，测 比 不 测好 ，多 涮比少 测好 。 4 ． 2 测点 的合理布 局 测点布 局台理与 否，将直 接 影响 i 疃 『 量 值 的使用 价值。 在布局 测 点时 应注意 以下 问题 1靠近研 究对 象。对 矿 区而 青，矿 体 通常是研究对 象， 因此测点要 布置在 矿体 内或其周边区域。对有针对性的工程稳定性 研究要另当别论，比如大型硐室，竖井，斜 井等 的稳定性研究 ，测点要 尽可能布 置在将 来 的开 挖 区 。 2岩 体的质 量 。绝大多 数 测量 方法 都假设岩体为均质 ，各向同性 的 线 弹 性材 料。事实上，岩体并不符合上述假设。为尽 可 能消除岩体 各 向异性 的影响 ，测点应布置 在 岩石 质量好 的 医域 。从 测试工 艺上说 ，岩 石完 整是测试成 功的基本 保证， 3避免断层对测定值的影响。实测 结果 表 明，在 大断层 附近 ，水 平 应 力值偏 低 。在圣 安德 烈断层 和八 宝 山断裂 带煤 岭弧 形断裂 附近 的实测结果 证实 了这一 现象。 因 此 ，在 有大断层 的地 区，测 点要 布置 在尽 量 远离断层的区域 4避 免地形地貌 的影响 。在 挪 威喀 里多尼 亚 山脉所 做好 的一批河量成 果表 嚼， 在地表，地应力分布十分分散，水平应力与 垂直应力 之比为 O～1 O ，水平应力 有时平行 山脉走向，有时则垂直山脉走向。为了避免 这些影响，测点离地表的深 度 应 至 少大于 3 0 m。在前苏联纳伦河托克古尔水电站应力 测试， 揭示 了 山体应力 的分 布特 征，从 襄至 里有皿个应力区， I区为应力降低医， Ⅱ区 是应 力集 中 医皿区， 是恒应力 区， 各 区范 围2 0 l O O m不等，应力测点要布 置在恒应力 区 矿 区 原岩 应力场 韵测定 与研 究 田治友 一 2 3～ 维普资讯 5 避开 应力 崎变 区、不稳 定 区及 干 扰 源 l 6考 虑测试条 件 。例如 是 否 具 备 永 、 电等条件 ，是 否与 正常生产 、施工 相 冲 突，是否具备 测试必要 的空间 钻机 支撑空 间，布置仪器设备 的空间等，这些因素往 往 制约布 点的正常考虑 。 5 地 应力 测量方法的选择 在胡佛水坝首次成功的应力 绝 对 值 测 量 ，开辟 了地应力 测量 与研 究 的新 纪元 ，经 过科学工作者近 6 0 年 的精 心研究 ，开发丁众 多 的地应力 测量方 法。据 初步统计 ，按测试 原理这些 测量方 法大致 可分为五 大类 形变 类 、构 造类 、地震类 、电磁类 、放射 性类 。 总计3 O 余种 。这 些测量方 法各有特点 ，分 别 具有不 同的应用 场台 ， 自然也不尽完 善，如 何根据矿 区的特点选用就难 了。在 此推荐 8 种适合 矿区应力 测量的方 法 。 1应 力解 除孔壁应 变法。读法也称 套 芯法，其特点是 测试工艺 易掌握，仪器设 备简单，实测数据可靠，测试原理合理。可 在有坑道 撼露 的地方 展开，一个钻 孔 即可铡 得三维应力场，因而该法在国内外得到最广 泛 的认可与 应 用 。空 心包体 C S I RO 、 L UT 式三轴应变计是在该法中广泛应用的传 感元件 } 2 水压致裂 法。该法假设有一个主 应力是铅 直的，并等于 上覆岩层 的 自重， 而 另外 两个 主应 力的方 向是水平 的， 且破 裂方 向垂直于最小主应力的方 向。实测时。通过 在一 个垂直 钻孔，封隔加压段 ，注水加压 垂 直孔壁破裂，并测取岩壁破裂时的水压、破 裂方位等 参数求 出三 维原 岩应 力。该法的特 点 是可在 没有坑道 的地方，通过 垂直 钻孔 测 取 有足够 深度 地段的原岩应 力，这 个优点是 其 它方 法无可比拟的 ，因此得 到人 们越来越 广 泛的 重视， 3AE 法 。此 法是利用岩 石 材料对 受 力历史 的记 忆功能测定原 岩的应 力，这 是 近年来 开发 的新方 法，其特 点是可 以在 一定 范围内 大量 取样 测试，但从 测试原理上 训 ， 剪应力 的澳 I 试 尚没有 妥善处理， 且要 求有 良 好的试验设备 声 发射及 其接收 设备 。 此外，孔径法与孔底法可以方便测取二 维应力场， 但当要测定三维应力场时，需布 置 3个交 汇予 一点的 钻孔 ，故测 试 工 艺 繁 琐， 但 国内仍 有研 究者使用 这两种方 法， 从 长远看，其 发展前景 十分 有 限o 6 实测中应注意 的问题 1钻进方向。由于岩体各向异性的 客观 存在，因而台理的钻进方向有助于减少 这 方 面的影响 。 美 国学者B。 阿马德 Ama d e i 1 9 8 8 年进一步 将岩体 假设 为横 向各 同性，这 就可把 问题 限制在一个平 面 内，很容易用 几 何 图形 表示出来 。研究 表明，当横 向同性平 面 旋转到垂直 钻孔 轴时，岩石 的各 向异性影 响最小 。因此对层 状岩石 地区，钻进方 向应 垂直层 面。特别要 避免与岩层 面平行， 2 钻进深度 。当在 有工程 揭露 的地 方钻孔 时，钻进深度也 应注 意，钻进深度不 台适 ，或使 蒯值失真 为扰动 应力， 或给 测试 操作 带来不必要 的困难 。确定钻 孔深度 的依 据是巷道 、碉 室周边的应力分布特 征， 一 般 而论 ， 硐 室周边 由表及 里应力 分布成 1 个 区 I区是 商室壁 面的应力 弱化 区，从 壁 面到其 内为 0 ． 4 ～O ． 8 m， 也称 松动罔 ， Ⅱ区为 应 力集 中区，对 径 向应力， 当 钻孔探 度超过 一 倍硐室直径时，其扰动影响量2 O 。此 外，对 切向应力 、轴 向应 力、剪 应力分量的 影 响量 3 O MP a 为超 高应力 区； 4 垂直应力与水平 应力的关 系j 5对具 体工程设计 施工 的指导性 建 议 。 8 区域原岩应力场的反演计算 受资金与现场条件曲 限制，通常只能给 出矿区有限点的应力实测值，由于地应力分 布的复杂性，这些有限点 的数值远不能准确 地表达原 岩应力 场的分布 。因而不 能满足 [ 程上 更准确 的需要 ， 以实 测值 为基础 的区域 原岩应力场的反演可弥补上述不足，因而其 研 究价值 日益 受到人们 的重视 。 目前 医域 原岩 应力 场的反演方法有下列 几种 1边 界菏载谢整法 J 2有 限元数 学模 型多 元 回归分析法 ； 3 应力 函数 法’ 4 构造应力场拟合计算法。在次就不一 一 介绍，它们共同之处是结合地厦条件、以实 测地应力资料为根据的反分析方法。比较丽 言，笔者以为有限元多元回归分析法更为台 理，其基本作法是在给定的力学模型下，单 独在 每一 自由边 界施加 单位力，用 有限元求 算在实测点处的应力值 应力灵敏系数， 然后建立以实鲥值为 已知量的边界条件线性 新型径向柱塞液压马达 一 种新型径向柱塞液压马 达 于 1 9 9 4 年 4 月 IH a g g l u n d s D r i v e s 公司研制成功。 与 以前 的马达相 比，这种 马达 功 率 大，空 间 小，同样的生产率，新型马达的传动装置尺 寸仅为其它马达的一半。其功率与重量比为 1 ． 5 ～2 ． 0 k W／ k g 。 传动装置有i 0 0 1 2 0 mt n 的孔通过中心， 方程，用多元 回归法求 解边 界条件 ，最 后将 各边 界条件联 合作用 于受力模型 ，隶解指定 域内 的应 力分布 。该法 中关 于边 界条件 的处 理 ，在此作 些补充 与强调 ，现在人 们大多将 边 界条件 假定为正 向与切 向的均布 力，最近 笔者 发现 这样 处理 是不 完善的 。事 实上 ，真 实 的边 界条 件应 是沿边界方 向任 意次 方的函 数 如 式 3 。 F∑aI e 3 斌 中at 待 定参数J e ‘ 边界座标。 过 是一个无 限逼近 的解 ，换 言之 ，实测 已知值越多，边界条件的解就越准确。I_{ _i 此 也提出了原岩应力场反演计算 的必要条件， 那就是实测点数必须大于或等于 2。当实测 点为 2时，可求解最 粗略的边 界条件 ，f J j 均 匀分布，当 实测数 大于 2时 ，如果 仍用均 匀 边界条件米求解，势必浪费 已知条件，使求 解的准确度大受影响。 豫岩应力场的反分析需要继续解决的问 题有； 1三维应力场 的 反 分 析’ 2 断 层、节理等弱面力学参数的考虑J 3边界 效应的处理。 责任 编辑周致勤 出于可把传动装置直接安装在旋转轴上，便 能进一步 节省 空间。 该公司研制的这种径向柱塞液压马达已 获专利，这种马达 重 量 为1 7 5 3 3 5 k g ，转 速为2 2 O ～2 8 0 r ／ mi n ，且转动惯量很 小 ，对 冲击载荷很敏感。最大允许转矩岛调节，e 』 防止损坏设备。 张丽萍 摘译 自Mi n ．J 。 u r ． ， 1 9 9 , 1 ， 3 2 2 8 2 7 0 2 5 2 ． 有也矿山一l 4 ． 5 维普资讯