龙桥铁矿地应力测量及分布规律研究

刘 波 黄惟盛

(1.安徽龙桥矿业有限公司；2.江西铜业集团有限公司武山铜矿)

龙桥铁矿地应力测量及分布规律研究

刘 波1黄惟盛2

(1.安徽龙桥矿业有限公司；2.江西铜业集团有限公司武山铜矿)

采用空心包体应力解除法对龙桥铁矿进行地应力测量，对套孔岩芯进行围压率定试验，得出弹性模量和泊松比，根据计算公式得出主应力大小并判断其方向。结果显示：龙桥矿区的主应力为水平应力，应力值相对较高，方向为北西向。通过对龙桥铁矿进行地应力测量，掌握其分布规律，为今后矿山开采设计及施工提供基本依据。

地应力 空芯包体应力计 弹性模量 泊松比 应力解除法

地应力是存在于地层中未受扰动的天然应力，是引起岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力[1-7]，通过各种方法准确测量地应力是确定工程岩体力学属性，实现矿山开挖设计和安全施工的必要前提。

1 矿区地质

龙桥铁矿位于庐枞火山岩盆地北部边缘，矿床赋存标高为-268～-510 m，矿体沿北西向东西方向发展，朝南西倾斜呈弧形，矿体倾角大致为15°～20°。矿体内小裂隙构造发育，走向为北东、北北东，同时少数为北西；张性裂隙内多充填有硅质成分，压性裂隙内充填有钙质或泥质成分；有的裂隙扰动了矿体，使矿体形态更加复杂[8-9]。进行龙桥铁矿地应力测量及分析对今后安全开采有重要指导意义。

2 地应力测量及计算方法

2.1 测量方法

根据测量原理，地应力测量方法可分为直接法及间接法。

间接法是利用特殊传感元件或者一些介质，对岩体中一些与应力有关的间接物理量进行测量，由间接物理量的数据计算得出地应力。在多种间接测量法中，套孔应力解除法、应力或应变解除法以及地球物理方法等使用较多，其中套孔应力解除法是技术最为成熟的一种，也是目前国内外最普遍采用的一种地应力测量法。本次试验采用空心包体应力计，其结构见图1。

应力计的外层由环氧树脂浇注包裹，电阻应变片嵌在筒壁内，实物见图2。

图1 空心包体应力计结构

图2 空心包体应力计实物

2.2 主应力计算

主应力大小及方向的求解思路：建立测孔坐标系与固定坐标系之间的关系，根据胡克定律和得到的应变读数，建立基于固定坐标系下应力分量在测孔坐标系中的应变方程组，运用最小二乘方原理，将得到的极值条件方程经过偏微分处理，求解方程组即可得固定坐标系下的应力分量，然后根据弹性理论建立固定坐标系应力分量与主应力的关系，进而求出主应力的大小、方向与倾角。计算公式为

(1)

式中，σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx为求得的应力分量，MPa;S为主应力,MPa；l,m,n为主应力的3个方向余弦。

根据上述列出方程组，求得3个主应力的表达式如下：

(2)

主应力Si(i=1,2,3)的方向余弦li,mi,ni由下述方程确定：

(3)

设主应力Si(i=1,2,3)的方位角为ωi，倾角为Ti，有以下公式成立：

(4)

通过上述公式得出各主应力的方位和倾角。

将岩芯取出放入室内围压率定机中，加围压并读数，弹性模量和泊松比的计算公式：

(5)

式中,P0为所受压力，kN；d为岩芯内孔直径，mm；D为岩芯外径，mm；εt为周向应变；εx为轴向应变。

3 现场地应力测量及结果

3.1 测量选点

根据矿区的实际情况，并结合测试选点的原则，选择了3个有代表性的点作为测量点，分别为1#点(4 192.706，3 779.726，-315.693)，2#点(4 393.977，3 677.863，-368.000)，3#点(4 584.506,3 737.088，-453.300)。1#点位于-320 m 水平，2#点位于-370 m水平，3#点位于-455 m 水平，相关参数见表1。

表1 测点参数 (°)

测点编号测孔地质方位角测孔软件计算方位角测孔上倾仰角1#1941422#9927923#212012

3.2 测量步骤

钻孔直径为130mm，为便于钻孔排水，上倾2°～5°，掘进到预定深度，施工一喇叭口，导正钻孔，再施工φ36 mm小孔,施工完后，冲洗钻孔，再用酒精或丙酮擦洗。准备工作完成后，安装应力计，将应力计内腔注满胶结剂，固定好柱塞，带有定向的安装杆缓慢将应力计推入孔内预定位置后，稍用力将固定铝丝推断，胶结剂则从内腔挤出，充满小孔与应力计之间的间隙。粘结剂固化后，从定向器读出各参数，包括应力计的偏角和各应变片的数据、钻孔的方位角及倾角。测量步骤见图3。

图3 测量步骤

前期工作完成之后，开始套孔解除，先用水冲洗，该过程应变片数据轻微变化，待数据稳定之后方可钻进。为确保数据的准确性，每次进尺控制在2～3 cm，待读数停止变化时即可停止钻进。套孔解除之后取出岩心，通过室内试验得出弹性模量和泊松比，并对应力计进行检验。

3.3 应力解除

采用YJL-16型智能数据静态电阻应变仪进行数据采集，通过现场地应力测量得到各个测点的整个应力解除过程曲线,见图4。

3.4 围压率定试验

3个测点解除后的岩芯围压率定试验在室内进行，3个测点岩芯率定曲线见图5。

3.5 测量结果

通过围压率定试验，计算得到弹性模量和泊松比，根据主应力计算公式，利用专业软件计算得出地应力值，结果见表2。

4 结 论

(1)从应力测量结果可得出，3个中段测点的最大应力量值均大于15 MPa，-455 m中段测点的应力值在30 MPa以上；表明矿区的应力值相对较大，与国内实测应力的总体量值比较，属于中等偏高。

(2)该矿区深部应力值相对较大，且应力随深度增加而增加，增加的斜率较大，最大主应力倾角较小，表明水平应力占主导。

(3)矿区测试所得最大主应力表现形式同矿区揭露的地质构造所反映的应力作用方式一致，表明该区域属于较稳定区域，构造应力仍保留原有状态。

图4 各测点应力的解除过程曲线

图5 各测点岩芯率定曲线

表2 地应力测量结果

[1] 蔡美峰，乔 兰，于 波，等.金川二矿区深部地应力测量及其分布规律研究[J].岩石力学与工程学报，1999，18(4)：414-418.

[2] 蔡美峰.地应力测量原理和技术[M].北京：科学出版社，2000.

[3] 李洪军，李长红，徐光鹏，等.宣东二号煤矿地应力测量及分布规律研究[J].煤炭工程，2013(4)：94-96.

[4] 马 宇.金川二矿区地应力场研究与地下工程稳定性[D].北京：中国地质科学院，2006.

[5] 邱贤德，姜永东，卢 黎，等.套孔应力解除法在危岩边坡地应力测量中的应用[J].重庆大学学报，2004(11)：97-99.

[6] 董 诚，王连捷,杨小聪,等.安庆铜矿地应力测量[J].地质力学学报，2001(3)：259-262.

[7] 吴满路，廖椿庭，张春山，等.红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究[J].岩石力学与工程学报，2004(23)：3943-3947.

[8] 张耀平.矿山空区诱发的岩移特征及覆盖层冒落效应研究[D].长沙：中南大学，2010.

[9] 彭 林.复杂采空区三维建模及稳定性分析研究[D].赣州：江西理工大学，2012.

我国典型呆滞矿床分布基本查明

由中国地质科学院矿产综合利用研究所实施的“我国尚难利用矿产资源潜力调查研究”，通过对我国重点矿种中的尚难利用(呆滞)矿进行调查，基本查明了我国典型“呆滞”矿床的分布、分类，难利用的原因、开发利用技术及转变为可利用矿的可能性。该调查为国家和相关部门对矿产资源供应的管理和规划提供了决策依据，为矿产资源保障和社会可持续发展做出了积极贡献。

2014-10-28)

刘 波(1986—)，男，助理工程师，硕士，231500 安徽省合肥市。