利用套孔应力解除法测量矿山原岩应力

陈见行,王洪林,王晓卿

(中国矿业大学矿业工程学院)

利用套孔应力解除法测量矿山原岩应力

陈见行①,王洪林,王晓卿

(中国矿业大学矿业工程学院)

矿山原岩应力的测量是矿山工程设计、安全施工与生产必不可少的原始资料之一。分析了利用套孔应力解除法测量矿山原岩应力的方法,为矿山原岩应力的测量提供了一定的理论基础。可为相关管理部门科学决策提供依据。

矿山;原岩应力;分析;套孔应力解除法;测量方法

原岩应力一般是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力或称为初始应力,主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力,有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力。

产生原岩应力的原因十分复杂,原岩应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关,其中包括:板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。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原岩应力场。其中,构造应力场和自重应力场为现今原岩应力场的主要组成部分。

原岩应力按不同起源分为:自重应力、构造应力、剩余应力和变异应力。值得注意的是剩余应力与残余构造应力是完全不同的:剩余应力不具有方向性,常是σx=σy;而残余应力引起的高水平应力具方向性,σx与σy相差较大。

1 测量必要性

正如前面所述:地壳中的岩体本身存在着一个复杂的初始应力场。矿山工程开挖之后,这一初始的矿山应力场因受到扰动而发生变化,导致应力重新分布和局部应力集中,由此会产生巷道变形、采场顶板下沉、矿柱受压等现象,甚至引起片帮、冒顶、矿柱倒塌等地压活动,给矿山安全生产带来严重威胁。因此,通过测量并研究矿山岩体的原始应力状态,掌握它随采矿工程进展而变化的规律,对于矿山工程的设计、施工、生产、安全等方面都是十分重要的。

2 测量方法

应力解除法是以弹性理论为基础,它把一定范围内的岩体视为均质的、各向同性的完全弹性体。这一测量方法的实质是在被测虚力场的岩体中选定测点,在测点位置安设测量元件,然后在所安装的测量元件周围掏槽或套孔,使安设有测量元件的岩石与周围岩体分离,也就是使这一部分岩石从被测应力场作用之下解脱出来。此时,测点岩石将由于外力的消失而产生弹性恢复变形。通过测量元件将这一变形记录下来,即可按弹性理论来确定被测应力场的应力状态。

套孔应力解除法是发展时间最长、技术上比较成熟的一种原岩应力测量方法。在测量原岩应力(绝对应力)的适用性和可靠性方面,目前还没有哪种方法可以和套孔应力解除法相比。1949年奥尔森(O.J.Olson)将一组应变片粘贴在岩石的表面,然后用一个大口径的薄壁钻头垂直于岩石的表面打钻套孔,使应变片周围的岩石与岩石母体相割离,从而解除了岩体应力对应变片周围岩石(即套孔岩芯)的作用,并由此引起套孔岩芯的变形。如果套孔以前岩体处于压缩状态,则套孔后其岩芯将产生膨胀;如果套孔以前岩体处于拉伸状态,则套孔以后其岩芯将产生收缩。应变片将测得岩石表面的这种变形。根据测得的变形,可以计算出岩体表面在套孔以前所受的应力状态。

套孔应力解除法具有测量灵敏度高、测量结果可靠、可以在深孔中进行测量测点的三维应力状态(需要利用三孔交汇的方法)等特点[1]。因此,利用套孔应力解除法可以较为准确地测量矿山岩体的原岩应力。

3 测量步骤

1)选择合适的测点。选择合适的测点是进行测量工作前的必要工作,对于套孔应力解除法就应该选择合适的地应力测量孔位。良好的地应力测量孔位能得到较为理想的数据,从而较好地反映测量点的地应力特征。下面介绍地应力测量孔位的选择标准。

地应力测量孔位的选定应考虑地形地貌及测量孔周围的断裂分布、岩性、人工活动、地表风化等一系列因素,同时地应力测量孔位应尽可能地选在地形相对平缓的地段。为配合重大工程建设的需要,地应力测量孔位应尽量较均匀分布在研究区域具有代表性的构造部位,以便对研究区域应力分布有总体了解,并与模拟实验结果相互验证。研究区域的测量孔应尽量选择同一岩性,这样可避免测量值之间的岩性校正,便于对比分析。对于峡谷区域,在测量之前应作一定的前期分析,大致确定所测地段非构造应力的影响深度。从而确定测量孔钻探的深度,避免测量未超过非构造应力影响范围而影响研究区域应力场分析。

在套孔应力解除法中所用到的测量元件为套孔变形计。由于套孔变形计仅可以测出二维地应力。如果用它测量三维地应力,则需要打交于一点互不平行的3个钻孔。三孔汇交示意图,见图1,其中1、2、3表示3个汇交钻孔。示意图,见图2。

图1 三孔汇交的示意图

a)从岩体表面,一般是从地下巷道、隧道、硐室或其他开挖体的表面向岩体内部打大孔,直至需要测量岩体应力的部位。下一步打孔:用于安装探头的小

图2 套孔应力解除法测量步骤示意图

2)布设套孔变形计。套孔应力解除法测量步骤孔直径一般为36～38 mm,大孔直径一般是小孔直径的3倍以上,为130～150 mm。大孔深度为巷道、隧道或已开挖硐室跨度的2.5倍以上,从而保证测点是在未受岩体开挖扰动的原岩应力区。硐室的跨度越大所需的大孔深度也就越大。为了节省人力、物力并保证试验的成功,测量应尽可能选择在跨度较小的开挖空间中进行,要避免将测点安排在叉道口或其他开挖扰动大的地点。为了便于下一步安装测试探头,大孔要保持一定的同心度,因此在钻进过程中需有导向装置,大孔钻完后需要将孔底磨平,并打出锥形孔,以利于下一步钻同心小孔、清洗钻孔和探头顺利进入小孔[3]。

b)从大孔孔底打同心小孔,供安装探头用,小孔直径由所选的探头直径决定,一般为36～38 mm。小孔深度一般为套孔的10倍左右,以保证小孔中央部位处于平面应变状态。小孔打完后需放水冲洗小孔,保证小孔中没有铁屑和其他杂物,为此钻孔需上倾1°～3°。

c)用一套专用装置将测量探头(此为套孔变形计)安装(固定或胶接)到小孔中央部位。

d)用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔,从而使小孔周围岩芯实现应力解除,由于应力解除引起的小孔变形或应变,由包括测试探头在内的量测系统测定,并通过记录仪器记录下来。将套孔变形值δ、钻孔方位角α、钻孔倾斜角β、变形计上每组应变片的方向角s及测点处岩石的弹性模量E、泊松比μ代入下列方程[2]:

式中:

E—弹性模量;

δk—钻孔套孔变形量;

d—小孔的直径;

αk—系数多项式,多项式中含泊松比μ、钻孔方位角α、钻孔倾角β及变形计上每组应变片的方向角s;

σk—测点处的应力σ、σ2……σθ,对应6个应力分量σx、σy、σz、τxyτyz、τyz:

上述方程表示钻孔套孔变形量同岩体空间原岩应力的关系。通过将δk代入方程中,即可以联立求解出6个独立的应力分量。为了尽量减小测量误差,可以在每个钻孔中多测量一些各方向上直径的变形值,建立较多的观测方程,采用最小二乘法的算法进行求解计算。

4 注意事项

在探头的材料选取时尽量避免选择刚性探头。从理论上讲,不管套孔的形状和尺寸如何,套孔岩芯中的应力都将完全被解除。但是,若测量探头对应力解除过程中的小孔变形有限制或约束,它们就会对套孔岩芯中的应力释放产生影响,此时就必须考虑套孔的形状和大小。一般来说,探头的刚度越大,对小孔变形的约束就越大,套孔的直径也就越大。对绝对刚性的探头,套孔的尺寸必须无穷大,才能实现完全的应力解除。这就是刚性探头为什么不能用于应力解除测量的缘故。

5 结 语

利用套孔应力解除法测量矿山原岩应力的方法属于孔壁应变测量法的一种,它的突出优点就是通过在一个测点的测量便可得到所测矿山岩体的三维地应力状态。并且它能根据工程和地质上的需要,测量不同深度的地应力状态,测量深度可以达到数百米,实测数据众多,可建立地应力状态空间信息网络,是研究原岩应力场及其变化规律的重要依据,在地下矿山岩体原岩应力的测量中得到了广泛的应用。

[1] 杨立根.矿山岩体原岩应立场的研究与实例分析[J].矿山研究和开发,1993(3):45-47.

[2] 苏华友.原岩应力的测量及其在矿山巷道最优设计中的应用研究[M].重庆:重庆大学出版社,1991:13-15.

[3] 王作堂,周华强,谢耀社.矿山岩体力学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007:23-25.

By Making Use of Borehole Overcoring Relieving Method Survey Original Rock Stress of Mine

Chen Jian-hang,Wang Hong-lin,Wang Xiao-qing

The measuring of mine original rock is one of the essential original data of mine engineering design,safe construction and production.This text analyzes that by making use of a set of borehole overcoring stress relieving method survey the mine original rock stress and provides certain theories foundation for the measuring of mine original rock stress.It is in favor of relevant departments to make scientific decision.

Original rock stress;Analysis;Borehole overcoring stress relieving method;Measuring method

book=2,ebook=52

TD174

A

1672-0652(2010)02-0031-03

2009-12-26

陈见行 男 1989年出生 2007年中国矿业大学在读本科生 徐州 221116