东滩煤矿三采区地应力测量及应力场分析.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 东滩煤矿三采区地应力测量及应力场分析 姓名梁继新 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师王同旭;孙新荣 20050501 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 地应力是影响一切地下工程稳定性的根本力源，是工程地质学科长期研究的 差要课题之一。本项目采用一种方便且较为经济的地应力测试方法一声发射法 A E 法 ，对东滩煤矿三采区进行了地应力实测，在此基础上估算了三采区3 煤顶板4 0 m 和底板3 0 m 范围包括软岩和煤层的水平最大主应力、水平最小主应力和垂直主应 力；对该采区．5 0 0 m ～．7 0 0 m 的范围地层进行了反演分析，得到了三采区地应力场 分布规律，为巷道支护、采场矿压控制提供设计依据。 地质构造分析表明，东滩矿三采区为构造应力场型采区，水平最大主应力方 向为北西西一南东东方向；三采区8 个地应力实测点结果表明水平最大主应力方 向为1 0 5 ．7 。～1 4 8 ．7 。，二者结论基本一致。 三采区地应力值大小的分布规律在开采深度小于7 8 0 m 时，水平最大主应力 为1 5 ～1 9 M P a ，且煤层底板比顶板大一些，但断层附近地应力大小和方向变化较 大；在开采深度达到7 8 0 m 左右时，垂直主应力近似等于水平最大主应力；在开采 深度大于7 8 0 m 时，垂直主应力大于水平方向最大主应力。 反演分析绘制的最大主应力等值线图表明，煤层老顶、老底岩层往往处于较 高应力区；采区最大水平主应力的最大值出现在F S 4 6 和F S 5 1 断层附近及采区西 南部，达2 4 M P a 最小主应力的最大值出现在中部断层F S 5 1 处；最大剪切应力的 最大值出现在断层F S 4 6 和F S 5 1 处和3 采区南部，为1 5M P a 左右。 巷道布置方向应该尽量与水平最大主应力方向平行或保持小夹角相交，尽可 能避免两者方向垂直；在无法回避两者方向垂直或大夹角相交情况下，应根据巷 道具体位置地应力值大小，加强巷道支护。 关键词地应力测量声发射法反演分析地应力分布规律巷道布置 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t G r o u n ds t r e s si St h eu l t i m a t ef o r c eS O U i c ew h i c ha f f e c t sa l l 也eg r o u n dp r o j e c t s t a b i l i t ya n do n eo ft h em a i ns u b j e c t st h a tt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yl o n g t i m es t u d i e s ． T h i si t e ma d o p t sac o n v e n i e n c ea n dm o r ee c o n o m yg r o u n ds t r e s st e s t i n gm e t h o d s o u n d e m i s s i o nm e t h o d A Em e t h o d ，m e a s u r i n gt h et h i r dm i n es e c t i o ng r o u n ds t r e s so f D o n g t a nc o a lm i n e 、e s t i m a t i n gt h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s s ，t h el e v e lm i n i m u m p r i n c i p a ls t r e s s ，a n dn o r m a lp r i n c i p a ls t r e s so ft h i r dC O a lr o o f4 0 ma n dm o t h e r b o a r d 3 0 mr a n g ei n c l u d i n gt h es o f tr o c ka n dC O a lb e d ；m a k i n gt h ei n v e r s i o na n a l y s i so f 也e s t r a t u mr a n g eo f 一5 0 0 m ～7 0 0 m 。o b t a i n i n gt h ed i s t r i b u t i n gr u l eo ft h i r dm i n es e c t i o n f i e l d ，p r o v i d i n g t h ed e s i g n i n gg i s tf o rt u n n e ls u p p o r t i n ga n ds t o p em i n ep r e s s c o n t r o l l i n g ． G e o l o g yc o n s t i t u t i o na n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h et h i r dm i n es e c t i o no fD o n g t a nm i n e i st h es e c t i o no fs t r u c t u r es t r e s sf i e l d ，a n dt h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s si Sn o r t hw e s t w e s t ．s o u t he a s te a s to r i e n t a t i o n ；t h er e s u l to f t h et h i r dn l i n cs e c t i o ne i g h tg r o u n ds t r e s s m e a s u r ep o h a t si n d i c a t e s 也a tt h eo r i e n t a t i o no fl e v e lm a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s si S10 5 ．7 。～1 4 8 ．7 。．田1 et W Oc o n c l u s i o n s 舡em a i n l yc o n f o r m i t y ． T h ed i s t r i b u t i n gr u l eo ft h et h i r dm i n es e c t i o ng r o u n ds t r e s sv a t u e w h i l et h e m i n i n gd e p t hi sl e s st h a n7 9 0 m 。血el e v e lm a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s si s1 5 ～1 9 M P a 。 m o r e o v e rt h ec o a lb e dm o t h e r b o a r di Sb i g g e rt h a nr o o f , b u ta r o u n dt h ef a u l tt h es i z ea n d o r i e n t a t i o no fg r o u n ds t r e s sc h a n g eal o t ；w h i l et h em i n i n gd e p t hi s7 8 0 ma b o u t ．t h e n o l T n a lp r i n c i p a ls t r e s sa l m o s ta m o u n tt h el e v e lm a x i m u mp r i n c i t ’a ls t r e s s ；w h i l et h e m i n j n gd e p t hi Sm o r et h a n7 8 0 m ．t h en o r m a lp r i n c i p a ls t r e s si sm o r et h a nl e v e l m a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s s ． T h em a x p r i n c i l ；} a ls t r e s si s o l i n eg r a p ho fi n v e r s i o na n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h eo l d r o o fa n do l df l o o rr o c ks t r a t u mo ft h ec o a lb e ds o m e t i m e sl o c a t e si nm u c h1 1 i g h e r s t r e s s e dz o n e ；t h em a x ．o f m i n es e c t i o nm a x i m u ml e v e lp r i n c i p a ls t r e s sp r e s e n t st oF S 4 6 a n dF S 5 l f a u l ta r o u n da n dt h es o u t h - w e s to f t h es e c t i o n , a l m o s t2 4 M P a ；t h em a x ，o f t h e m i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s sp r e s e n t st om i df a u l tF S 5 1 ；t h en l a x ．o f t h em a x i m u ms h e e r s t r e s sp r e s e n t st of a u l tF S 4 6a n dF S 5la n dt h es o u t ho ft h et h i r dm i n es e c t i o n ．a l m o s t 1 5 Ⅳ陴a ． T u n n e ld i s p o s eo r i e n t a t i o ns h o u l dp a r a l l e lw i t hl e v e lm a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s so r k e e ps m a l li n c l u d e da n g l ei n t e r s e c t i n g ，a v o i d sb o t hv e r t i c a lo r i e n t a t i o n ；i nt h ec o n d i t i o n t h a tc a n n o to b v i a t eb o t l lv e r t i c a lo r i e n t a t i o no rb i gi n c l u d e da n g l e ，t u n n e ls u p p o r t i n g s h o u l db es t r e n g t h e n e da c c o r d i n gt ot h eg r o u n ds t r e s ss i z eo f a m n e lp r o pp o s i t i o n ． K e y w o r d s g r o u n ds t r ％sm e a s u r e s o u n de m i s s i o nm e t h o di n v e r s i o n a n a l y s i s t h ed i s t r i b u t i n gr u l eo f g r o u n dS t r e S S t u n n e ld i s p o s e 山东抖技大学硕士学位论文l 绪论 1 ． 课题研究的意义 1 绪论 地应力是影响一切地下工程稳定性的根本力源，引起巷道围岩变形和破坏， 对巷道支护形成矿山压力，导致支护体矿压过大而致使巷道工程失稳。地应力是 程地质学科长期研究的主要课题之～。 随着我国煤炭资源持续开采，东部许多国有大中型煤矿开采深度在不断增加， 相当一部分矿井已进入深部开采，发生冲击矿压的可能性大大增加；而我国中西 部由于所处特殊区域地质构造位置，大部分矿井都存在较大的水平构造应力 如 金川矿区 。本项目以山东兖州煤业集团公司东滩煤矿3 采区为研究区域，开展采 区地应力场研究，为巷道支护、采场矿压控制提供地应力基础资料，在煤矿安全 生产上具有较重要的实用意义。 她应力是在漫长的地质历史时期逐渐形成的复杂应力场。它是引起采矿、水 利水电、土木建筑、铁道、公路、军事及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，是确定工程岩体属性、实现岩土工程开挖设计和决策科学 化的必要前提。 在诸多影响工程开挖稳定性的因素中，地应力是最重要的因素之一。只有掌 握了．具体工程区的地应力条件，才能准确合理的确定矿山的总体布局、选取适当 的采矿方法、确定巷道和采场的最佳断面形式、断面尺寸、开挖步骤与支护形式、 支护时间等等。因此对于地应力场的研究已受到国内外学者的高度重视。尤其随 着采矿向深部发展，高地应力场的研究对于煤矿安全高效生产更为重要。 1 ．2 国内外研究现状 就地应力测量而言，国内外最常用的是水压致裂法和应力解除法，但因其较 大的测试设备和较高的测试费用及较繁琐的测试工序限制了其广泛应用。为此国 内外提出了一种方便且较为经济的地应力测试方法一声发射法 A E 法 ；并已 在一些重大的地质工程中得到应用 如二滩水利发电站、三峡水利工程等 。根据 本项目实际情况。选用了A E 法对东滩煤矿三采区8 个点进行了地应力测量。 山东科妓太学硕士学位论支 l 绪诗 根据东滩煤矿要求，进行3 采区地应力场研究，主要包括地应力测量和地应 力场综合计算分析，进行现场取样、室内测试计算、分析总结等工作，并在此基 础上对没有实测的岩层进行地应力值估算；对3 采区．5 0 0 m ～．7 0 0 m 的范围进行数 值模拟反演计算分析，得到三采区地应力实测及应力场分布规律。 1 ．3 研究的主要内容 主要研究内容为 1 根据根据地质构造特征及“密度椭圆球理论”确定区域地应力类型。 2 对3 采区4 个补勘孔，每孔取采3 煤的老顶和老底2 个层位段的砂岩样， 用A E 法测试s 个点倍孔2 个点 的主地应力值大小及主应力方向。 3 用理论分析法、地质构造力学分析法等方法，确定东滩矿宏观地应力场 类型，并确定水平最大主应力方向，然后结台实测值对矿井宏观地应力场类型特 点进行分析。 4 根据矿方提供的相应钻孔岩块物理力学参数成果和岩芯R Q D 值，由 H o e k ．B r o w n 岩体强度准则，确定相应的各岩层岩体强度和变形参数。 5 用上述8 个点实测值，计算3 采区未进行实测的部位煤及软岩层中地 应力大小。 6 考虑地质构造、岩性条件，建立3 采区水平地应力场反演计算力学模 型。根据8 个点地应力实测值、岩体强度和变形参数值，进行弹塑性有限元反演 计算，得到3 煤底板5 0 m 至顶板1 5 0 m 范围岩层水平地应力场分布变化结果，得 到水平最大、最小主应力方向矢量圈，大小等值线图．最大剪应力等值线图。 7 根据地应力的分析结果。同时结合了3 采区煤层赋存特点及构造特征 对3 采区巷道布置进行合理设计，对巷道支护提出合理建议。 对3 采区巷道布置进行合理设计，对巷道支护提出合理建议。 2 - 糸辩技太学颐士学位论支2 区主j } 地应力场类型分折 2 区域地应力场类型分析 兖州煤田为一向东倾伏、轴向北东一南西向的向斜构造，地层倾角较为平缓， 一般小j 二1 0 。。其主要构造是北东向的褶皱构造，北西、北东东和近南北向断层 为蔓体 图2 ．1 。从整体上看，煤田内部大中型断层不甚发育，主体向斜内部次 级断层比较少。煤田内的次级褶皱有杏行背斜、充州煤田轴部向斜、鲍家场背 斜、小南湖向斜、齐家村背斜、前候营隆起、街头背斜等。 东滩煤矿位于兖州向斜轴部。分折区域构造切割关系，发现北西向组正断层 马家楼断层、北部正断层 ，切割了北东向构造 如兖州向斜 ，说明在水平方 向，最大主应力近北西向。 矿区的地应力场类型包括构造应力性和重力应力性，与周边运动地块的运动 趋势有关。若矿区处于某一运动地块运动方向的正前方，则其地应力场型多为构 造应力场型矿区处于某一运动地块运动方向的正后方，其地应力场多呈现重力 应勾场型。 圈2 ．1 兖州煤田构造纲要示意图 F i g ．2 ．1y s m b o uc o m lm i n ec 蛐s t n ．c l 3 山东科技太学硕士掌位论文2 区域她应力场类型分析 研究矿区是否存在运动地块及判断其运动方向，可以采用中国矿业大学于双 忠教授提出的“密度椭球体理论”。该理论认为密度相对大的地块，具有向地球 极点运动的趋势；密度相对小的地块，具有向赤道运动的趋势。根据这一理论， 研究东滩矿区及其相邻地区的重力密度分布变化，进而分析该区的宏观应力场类 型。 分析矿区所处的布格重力异常图 如图2 ．2 所示 ，可以看出，在该区的东南 和西北方向分别有两个重力异常区，东南部异常区的重力异常值为 1 5 ．2 ，具有向 北运动的趋势；西北部异常区的重力异常值为．2 9 ．3 ，具有向南运动的趋势。在这 两股趋势的共同作用下，矿区受到扭压作用，在北西．南东向受到挤压。因此，矿 区所属的区域应力场为受挤压的构造应力场型，最大水平主应力方向为北西- 南东 向，与根据构造特征推断结果一致。因密度异常值较小，故构造应力值也不会太 大。 图2 ．2 东滩矿区重力布格异常圈 F 堙．2 ．2D o n g t ．nm i n e 胂v i t y 4 J ，东科技大学硕士学位论文3 采区钻孔A E 法地应力测量 3 采区钻孑LA E 法地应力测量 按弹性理论分析，假设岩芯原岩应力为玑，在实验室加压过程中，当加压应 力≤c r 0 时，岩样仍处于弹性状态，当加压应力卜O “ o 时。随着压力增大岩样会发出 声音 声发射 ，直到破坏。 3 ．1A E 法地应力测量基本方法 声发射测岩石地应力的具体做法是在现场采取标明方位的定向岩样，经室内 加工后进行单轴抗压强度的测试，同时接收其声发射信号，根据凯塞效应确定所 对应的地应力值。根据凯塞效应，当作用力达到某一临界值时，声发射活动会突 然增多，此临界应力值即为岩芯试件先前所受的应力 原岩应力 ，如图3 ．1 所示。 磨制定向试样时，为了便于计算空间主应力，一般需从六个特殊方向切取岩 芯即x 、Y 、z 和x 4 5 。Y 、Y 4 5 。Z 、Z 4 5 。X 。其中X 、Y 、z 相互垂直，后三 个方向分别与x 、Y 、z 成4 5 。夹角．利用弹性力学公式可求得空间主应力a 8 0 7 0 6 0 5 0 暑4 0 R 毯3 。 2 0 1 0 0 S t r e s s 屈 ，| r 。J ， 卜“，／{ ， ， ， ， l 【l 』I l I I If | _ ⋯_ 一I ～_ _ “{ ， “匝 ， 』， ， I 瓣 韶 划 徂 应变 咖 图3 ．1 声发射钒塞效应 F i g ．3 ．1K a y s e r e f f e c to f t h es o u n de m i s s i o n 对于深部岩层而言，为方便主应力的测定与计算，利用钻孔取出来的岩芯测 地应力时，常假设钻孔轴线平行于某一主应力 主应力大小为y h ，这样只须三 5 山东科技大学硕士学位论文 3 采区钻孔A E 法地应力测量 个方向的定向试样进行测试即走向X 、倾向Y 、与X 和Y 成4 5 。夹角的z 。如 图3 ．2 所示。 k 、／7 7 、／／轴5 ’ 、√f 7 z ／，’』』玉＼xt ／7＼J a 三个方向 b 六个方向 图3 ．2 声发射法岩芯试件切取方向 F i 2 j ．2 d i f f e r e n c eo fs o u n de m i s s i o nm o d e l 3 ．2 取样与制样 本次试验是在地面打钻取样，标记岩样的倾向；本次试验采取的岩样是从钻 孔中采取具有明显层面的岩芯样，因可以知道采样处岩层倾向，这样岩样可以定 向，见图3 ．3 。本次试验共取样8 组 3 个钻孔，每孔2 组 3 煤顶底板各l 组 ， 都来自东滩矿3 采区。采用三方向制样法，按一定工艺要求在室内加工声发射试 样。其取样及制样的具体情况参见表3 ．1 。 图3 ．3 岩样照片 F i g e 3 ．3p h o t oo f s o u n de m i s s i o nm o d e l 6 上查 i 垄查兰竺主兰堡垒圭 墨垦壁塾垒兰兰垫生垄型兰 表3 ．1 岩样基本情况表 f ；洋编号 钻孔编号 ’深度 岩性 8岩零雩向8 长x 宽 c m 。高度试洋方向 取样层位 m c m | | 。 l I T 1 1 2 ．7 6 X 28 l4 ．9 7 2 53 2 53 i T l ，2j 3 ． 顶5 2 0 ．1鲴砂岩 l 2 6 8 2 ．6 4 9 5 ．0 1 l l j3 I T 1 32 ．6 5 x 2 ．5 7 0 4 ．8 5 0 7 03 D 【1 ．4 ⋯r 高薰隼繁 D T I ．5J 3 ．1 1 底 5 8 5 ．6 一I T 1 ．6 一P T 2 一l 8 f |。。l 2 ．7 9 x 2 ．4 25 1 7 8 0 ．5 J _ T2 2 IIJ 3 - 1 2 顶 f J 5 3 4 I l 中细砂岩I | II 2 ．7 5 2 6 l II5 ．1 2 』| 9 05 一D T 2 ．3 l |88I I 2 ，8 9 X 26 9 0 5 ．0 1 l 4 55 D T2 ．4 Il0 ，， 9 2 ．8 9 X 2 ．7 8 l 5 ．1 9 l _ 2 D T 2 ．5J 3 ．1 2 底 l挪．2 0 0 灰岩{ 一 2 ．7 2 2 ．6 404 ．8 6 9 J 2 r ，T 2 ．6 0I I 2 ．9 0 X 2 ．5 3 l 5 ．0 5 4 6 ．2 D T3 ．1 0I IE 8 2 ．7 8 2 ．6 6 I I 5 ．1 5 8 5 D T3 2．补4 0 顶 『，3 0 m8 中细砂岩l 3 8 2 ．6 2 x 2 ．5 i I I 5 h 2 2 9 9 5 D T3 ．3 8l 0 2 ．6 6 X 2 ．4 6 84 ．8 6 | | 5 0 } D T 3 “ 4 I ．，高2 , 6 8x 配2 ．5 。5 。嵩5 ．0 9 芸 D T3 ．5 0 补4 0 底5 7 0中细砂岩 D l ’3 - 6 0 fl 2 ‘7 2 地6 1 r 68 49 。7 J I D T 4 _ 1 h 。m。，。。0 ，。。。 ．．2 ．8 t X 2 6 40 5 ．1 2 I 1 0 2 ．9 4 X 2 ．8 6 I 4 ．9 81 0 0 。D T 4 。3 2 8 8 。0 1 。3 I ’0 5 2 8 ‘97 0 ’8 8 ’1 ’8 2 ．6 4 X 2 ．7 1 8 5 ．0 35 5 I 筹；；i f 补。，c 底，56 3 。8 粗砂岩1垃，一．，5 ，4 地X 2 ．，5 刮I 4 ．9 2 8 1 2 ．3 5 ．0 6 I 1 1 2 ．3 l D T4 - 6 』I lI lI Z 6 3 2 ．5 9 0 5 ．0 l 0 5 73 3 。3 实验数据整理及实测点主应力计算 整个测试实验在中国矿业大学岩控中心完成。试验采用1 0 0 K N 普通试验机作 却加载系统，用国产A E ．4 0 0 B 型四通道A E 参数测试仪记录获得声发射率一时间 曲线，同时测量岩石试样的应力和应变 纵向和横向 及位移，得到应力一时间 曲线，如图3 , 4 。整个测试系统是在微机控制下自动采集和储存的。 7 山东科技大学硕士学位论文 3 采区钻孔A E 法地应力测量 8 山东科技大学硕士学住论文 3 采区钻孔A E 法地应力测量 在声发射率～时间曲线上寻找凯塞效应特征点，按照凯塞效应原理整理试验 数据并判断取样方向上的正应力值。岩样应力实攫4 值见表3 2 。 表3 ．2 岩样应力实测值 凯塞效应特征点应力 试样编号 凯塞效应特征点应力 M P a 试样编号 M P a D T 卜1 1 43 D 1 3 ．1 1 67 0 D T l ．29 ．6 8D T 3 ．21 2 ．0 8 D T l ．31 1 ．9 5D T 3 - 31 5 。l l D T l - 41 7 ．8 2啪．4 1 2D 6 D T I 巧1 3 ．0 8D T 3 - 58 ．2 0 D T l - 61 4 ．9 7D T 3 1 61 1 ．3 4 D T 2 ．11 8 ．0 7D 1 “ 4 - l1 37 4 D T 2 ．21 4 ．7 4D T 4 ．25 ．4 7 D 叮2 - 31 6 ．3 4D 1 j I ．31 2 ．4 l D T 2 ．41 3 ．8 2D T 4 ．．41 2 ．0 8 D T 2 ．51 0 9 0D T 4 - 59 ．4 3 D T 2 ．6 1 2 ．9 2D 1 “ 4 ．6 “．8 6 因为取样时，各岩样的夹角为4 5 。，可采用以下公式计算最大、最小主应力 的大小和方向 蜊 错 卟华 巫2 咿华一孚厢j 再丽 9 3 1 3 - 2 3 3 山东科技大学硕士学位论文 3 泉区钻孔A E 法地应力测量 式中口、a 、a ；平行、垂直和4 5 。方向的正应力实测值 盯t 、盯，平面最大主应力、最小主应力。规定应力以压为正 妒一盯。与O - ．I 的夹角，由主应力盯。逆时针转到盯方向为正。 计算结果如表3 ．3 所示。 表3 ．3 各测点的主应力大小和方向 水平方向最大主应力 水平方向最小主应力垂直方向主应力水平最大主应力 测点 oH M P a oh M P a ov M P a 方向 。 J 3 - l l 顶 1 67 79 ，4 71 3 ．0 01 4 20 J 3 - 】l 底 】9 ．9 91 2 ．7 9 j 4 ，6 41 4 8 ，7 J 3 - 1 2 顶 1 9 ．8 21 3 ．6 1 3 ．3 51 1 83 J 3 1 2 慷 1 5 ．51 0 ．8 61 4 3 8 1 2 06 补4 0 顶 1 9 ．8 21 2 ．0 01 32 6 1 0 8 9 补4 0 底 1 5 ．1 88 ．2 21 4 ．2 51 1 14 补4 1 顶 1 8 ．7 25 ．3 21 3 ．2 21 0 5 ．7 补4 1 底 1 5 ．4 69 ‘3 81 57 51 0 7 ．3 3 ．4 结果分析 由前面的“密度椭球体理论”分析和测试结果可知，本矿区地应力场属于构 造应力场型。对于构造应力场型来说，测点在水平方向所受的力，可以分解为水 平构造应力与由自重应力所引起的侧压力之和，因此，各测点水平构造应力值可 通过下式计算 盯r 盯一五加 式中a 一水平构造应力值； 仃一水平方向最大主应力 见表3 ．3 ； 五j L 五侧压力系数， 1 一∥，∥一泊松比 ，一计算深度处上覆岩体平均比重，M N ／m ；一般取0 ．0 2 5 。 由上式可得各测点最大水平构造应力值，如表3 ．4 。 1 0 山东科技大学硕士学位论文 3 采区钻孔A E 法地应力测量 表3 ．4各测点最大水平构造应力值 自重应力引起的最大水平构造威昂大水平构造应力 岩样单轴抗压强俊 M P a 铡点 侧压力值 M P a 力 h 口a 平均值 M P a j3 ．I i 顶4 ．2 9 1 2 4 8 7 8 ．6 6 j3 ．1 I 底48 31 5 ．1 6 6 55 4 J 3 ．1 2 顶44 1 1 5 ．4 1 2 4 ．0 3 j 3 ．1 2 庭47 51 07 5 6 I5 8 j b4 0 顶4 ．3 81 54 4 8 2 ．O l 1 3 补4 0 底4 ．7 0 1 0 ．4 8 1 0 9 ．4 9 l 朴4 1 项43 61 4 ．0 2 1 0 9 ．9 6 1 补4 1 底5 ．2 0 1 02 6 1 6 2 1 4 由下式 盯。 r h ％。吼2 2 0 r v 听2 芭吒 听 c r h 2 ．o r ， 五听 五 加 听 3 6 3 7 式中盯一、％一水平方向最大、最小主应力其它参数同式 3 4 。 可得到东滩煤矿基岩中地应力值随深度变化的计算公式 吒2 0 0 2 5 、 O “ H 20 ．0 0 8 2 5 h 1 3 ．0 0 I 3 - - 8 O “ h 0 ．0 0 8 2 5 h 4 ．2 9 f 令吼 ％，得h 7 8 0 m 。此即为垂直主应力近j 似等于水平最大主应力的 临界深度，小于这个深度采区地应力场呈现构造应力场型，垂直方向主应力小于 水平方向最大主应力大于这个深度采区她应力场呈现自重疵力场型，垂直方向 主应力大于水平方向最大主应力。 l l 山东科技大学硕士学位论文 4 测点附近来测区域地应力值估算 4 测点附近未测区域地应力值估算 对于一个矿区来说，要了解整个工程区域的地应力分布规律，就必须进行足 够数量的“点”的地应力测量，但完全靠应力实测将是成本极高而不现实的。更 何况，目前的地应力实测方法，理论上都只能测量较硬岩层中的应力，煤层和软 岩层中的地应力测量困难，而煤巷和软岩巷道围岩控制问题恰恰是矿山工程难点 所在。 本章提出了一种幂Ⅱ用少量地应力实测成果，估算不同岩层中地应力值的方法。 它是一种简化的估算方法，对无条件进行大量地应力实测工作的煤矿，可用此方 法计算煤岩层中的地应力值，作为工程设计的参考。 如前所述，天然地应力场可分为以自重应力为主的自重应力场型和以构造应 力场为主的构造应力场型，分别讨论如下。 4 ．1 自重应力场型 1 各向同性岩体 根据连续介质力学的原理，考虑线弹性、各向同性岩体， 于没有承受荷载的水平地表，自重应力可按下式计算 吒；加以邛，2 南吒 式中 在地下深h 处，对 4 ．1 玑、吒、町一分别为垂直自重应力分量和两个水平自重应力分量； ／a 岩体泊松比。 在自重应力场中，浅部岩体中应力小，岩体处于弹性状态，随着深度增加， 岩体中应力值加大，当深度大到一定值时，岩体便会由弹性进入潜塑性状态，岩 体由弹性进入潜塑状态的深度叫临界深度爿一。 在临界深度处，应力分量可继续用 4 ．1 计算，即有 O “ I2 飓吒2 q 2 击∥c r ‘4 - 2 ’ 同时在爿c r 处，应力状态应满足岩体的屈服准则H o e k ．B r o w n 准则，即 盯I o - 3 √m 盯。盯3 5 0 “ c 2 4 ．3 以盯2 盯一，盯z2 盯，5 仉，将 5 ．2 式代入 5 ．3 式得H c ，的表达式为 山东科技大学硕士学位论文 4 测点附近耒测区域她应力值估算 心J擎m／24S1-A2q 4 ．4 式r pm 、S 一岩体性质常数，与岩体结构有关，可查表或由公式计算得到 。c 一岩块的单轴抗压强度，M P a ； ，一上覆岩土体平均重量密度，M N ／m3 ，土体部分可取0 ．0 2 ，岩体可取 O0 2 7 ，一般可取0 ．0 2 5 。 五』L 五侧压系数， l 一∥。 假设岩体为理想弹塑性体，则日”深度以下岩层中的应力可由 4 ．3 式得到． 即 盯 加 4 ．5 盱旷i 1m 中1 厩i 雨- m 。O - L ∞地’ 盯z a y 仃十j m 仃c V m 仃c 仃 4 c s d ； 2 横观各向同性近水平层状岩层 如图4 ．1 a 所示，根据exey o ，由广义虎克定律，自重应力可按下 式计算 r 矽 Z 一 | b 圈4 ．1 非均质岩体自重应力的计算 F 艳．4 ．1g r a v i t ys U r e ∞i nr o c k q 。q 5 函。可E 朋 V 。 ． 二￡申y 取各层的容重加权平均值。 4 ．6 X 山东科技大学硕士学位论文 4 测点附近未测区域地应力值估算 旯竺一．旦 临界深度公式仍为 4 ．4 式，不同之处在于式中 l 一∥层’ F ，￡和 ∥，∥’分别为平行层面和垂直层面方向的弹模和泊松比。日”深度以下，岩层中 的应力也可由 4 ．3 式求解得到，式中y 和五取值同式 4 ．6 。 3 横观各向同性近垂直层状岩层 如图4 ．i b 所示，根据eX-ey 0 ，由广义虎克定律，自重应力1 可按下式 计算 盯 加 咿奇‘手。加 ∞’7 q 2 南吒 式中E ，E 。和∥，卢’分别为平行层面和垂直层面方向的弹模和泊松比。代入 4 ．3 式得此时的临界深度公式仍为 4 ．。 式，但式中五2 芒毫‘手。日。深度以下， 岩层中的应力也由 4 ．3 式求解，式中y 和Z 取值同式 4 ．7 。 4 ．2 构造应力场型 1 弹性状态 当构造应力较小时，所有岩层都处于天然弹性状态时，考虑岩层为各向同性， 则岩层中地应力可简化表示为 盯。 加 。一j d 一上，r n 4 ．8 盯H z 盯P 仃r T i 盯P 口r 、瑚7 盯 五盯， A 口r 五 盯， d r 式中盯v 一垂直方向应力，国内外地应力实测结果表明，构造应力场中盯v 亦近 似为冲； 盯一、吒～水平方向最大、最小应力； A 一侧压力系数； 盯r 一水平构造应力。 2 弹塑性状态 在构造应力场型矿区中，当盯r 较大时，浅部一部分岩层 软弱岩层 可能会 进入天然塑性状态，而其深部仍为弹性状态。这时浅部 塑性 和深部 弹性 的应力 计算方法是不同的，应分别计算。因计算塑性区深度Ⅳ一的方法不同，此时又分两 种情况。 1 4 山东科技走学硕士学位论文4 测点附近未测区域地压力值估算 第一种情况盯，、盯在水平方向，仃，在垂直方向。此时在／4 ”处 盯3 7 4 ， 仃l 2 0 - j 仃， 4 ．9 同时，该点处应力应满足H o e k ．B r o w n 准则，即式 4 ．3 ，将 4 ．9 代入 4 ‘3 整理得到此时计算日“的表达式 12 0 - ， I 一五 埘矗。一√【2 盯， 1 一五 坍盯。r 一4 1