套孔应力解除法在良山铁矿的应用

饶运章 ,罗 欢,吴国兴

(江西理工大学,江西赣州 341000)

套孔应力解除法在良山铁矿的应用

饶运章 ,罗 欢,吴国兴

(江西理工大学,江西赣州 341000)

为了优化良山铁矿地下开采过程中合理的开采顺序和采矿方法,地应力测量必不可少。本文着重介绍了套孔应力解除法中空心包体应变计的相关测试原理和方法,并通过新余良山铁矿地应力测量及对测量数据进行分析,初步得到了该矿的地应力分布规律。

地应力测量;套孔应力解除;空心包体应变计

0 引言

地应力是存于地层中的未受工程扰动的天然应力,也称岩体初始应力、绝对应力或是原岩应力[1]。它是引起岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力,是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。而矿山的连年开采必然会引起地应力的重新分布,因此及时对矿山地应力测量,更新地应力数据从而对矿山的总体或局部布置进行修改,特别是对采空区稳定性分析起科学的指导作用,进而保证矿山的安全生产。

1 概况

良山矿区位于江西中部,东经 114°55′48″,北纬27°38′48″,属新余市周宇乡。北距浙赣铁路新余站22 km,有公路相连。矿区北约 4 km之周宇乡至浙赣铁路约 17 km,有铁路相连,交通甚为方便。

本区区域构造为神山倒转背斜控制,此背斜为矿田内部的Ⅰ级构造。背斜轴在新余神山一带,轴向北东东 -南西西,向南西西倾伏;其南翼倒转,形成良山铁矿区倾向北东的倒转单斜构造;北翼的东段大部为深断裂切割破坏,掩复与新余之北的萍乐坳陷之内。背斜的西段,分成洋元倒转背斜及野源背斜,分别向南及南西逐渐倾没,此背斜受后期北北西向构造干扰,形成一系列北北西 -南南东向的倒转皱褶及断裂,致使矿田的构造更加复杂。矿田的南部,西边有山庄花岗岩基,东边有城上花岗岩基,长轴方向呈南北方向。城上花岗岩的侵入,使良山矿区岩层变质程度加深。

矿区位于武功山脉北麓,属构造侵蚀中低山和丘陵地形,山势陡峻,地形深切,沟谷发育。最高峰良山海拔 487m;自良山而北山势渐低,由中低山过渡到丘陵,后入新余盆地。矿区的矿层为一单矿层,作北北西 -南南东向延伸,长约 1500m,倾向北东,倾角 10°～15°,向北北西倾伏,倾伏角 15°～20°,矿层向南东扬起;由于受地形切割的影响,在 20线以东至 10线,矿层沿倾向出露,在 10线以东则呈东西向分布,基本上倾向北。矿层沿倾斜方向延伸约1400m,最大的约 1800m(4线)。矿层的倾角一般浅部较陡 (10°～15°),深部较缓 (5°～10°)。矿层埋藏深度呈阶梯状向北东逐渐加大。

2 套孔应力解除法测量地应力原理及其操作步骤

应力解除法是发展较为成熟的一种地应力测量技术,也是能够比较准确地和定量地测量地应力的唯一方法[2]。全应力解除法是使测点岩体完全脱离地应力作用的方法。其工作原理是:具有初始应力的岩体用人为的方法解除其地应力,使岩体变形恢复,再通过某种手段测出岩体恢复的变形,然后按弹性理论计算出岩体 3个主应力的大小、方向和倾角[3]。

套芯应力解除法的过程是:在需要测量应力的地方,打一个 Ø130mm的钻孔,至一定深度时,把孔底磨平,再打一个喇叭孔(起导正作用),在大孔中心钻一个 Ø36mm的同心测量小孔,测量孔的深度约为40cm,然后在测孔中安装测量探头,探头引线与孔外测量仪器相接,测得初始值。如果是进行相对值测量,设备安装工作就此结束,此后间隔一段时间再测探头的数值,就可测出应力随时间的变化情况。

绝对应力测量是在测量小孔外,再用 Ø130mm口径的钻头同心钻进,开挖应力解除槽,在钻进过程中,导线从钻杆中心穿过,由水节头处引出与测量仪器相连,监视解除过程中的变化,随着应力解除槽的加深,岩芯逐渐与外界应力场相隔离,岩芯发生弹性恢复,仪器测值随着发生变化,直至仪器读数不再变化时,停止钻进,取出岩芯。应力解除槽钻进前后仪器的读数差值即为解除读数值。

通常每钻进 2cm深,仪器读数一次,求得仪器读数随解除深度的变化曲线,称为应力解除曲线。此曲线的变化规律是判断原始资料可靠程度的重要依据之一。

3 空心包体应变计测量技术

空心包体应变计是由澳大利亚联邦科学和工业研究组(CSI RO)的沃罗特尼基 (G.Worotnicki)和沃尔顿 (R.Walton)于 20世纪 70年代初期为了克服南非科学和工业研究委员会 (CSI R)孔壁应变计在应变花和孔壁之间接触面小,胶结质量差,防水性不好等方面缺点而研制出来的[4]。其突出的优点是应变计和孔壁在相当大的一个面积上胶结在一起,因此胶结质量较好,而且胶结剂还可注入应变计周围岩体中的裂隙、缺陷,使岩石整体化,因而较易得到完整的套孔岩芯[5]。CSIRO空心包体应变计的主体是一个用环氧树脂制成的壁厚 3mm的空芯圆筒,其外径为35.5mm,内径为 31mm。在其中间部位,即直径 35mm处沿同一圆周等间距(120°)嵌埋着 3个电阻应变花。每个应变花有 4支应变片组成,相互间隔 45°。共计有 12支应变片,其中周向 3支(A90、B90、C90);轴向 3支(A0、B0、C0);与轴线成 45°方向 3支 (A45、B45、C45);与轴线成 135°方向 3支(A135、B135、C135)。其中,A0、B0、C0是在孔周互成 120°的三个位置独立测量轴向应变,A90、B90、C90是在孔周互成 120°的三个位置独立测量周向应变,A45、B45、C45是在孔周互成 120°的三个位置独立测量与轴线成 45°方向应变,A135、B135、C135是在孔周互成 120°的三个位置独立测量与轴线成 135°方向应变。

图 1 空心包体应变计构造图

地应力计算方程公式[6]如下:

式中:εθ,εz,γθz分别为空心包体应变计中所测周向应变、轴向应变和剪切应变值;ε±45°为与钻孔轴即 z轴成 ±45°方向的应变值。k1,k2,k3,k4为 k系数,k系数不是常数,它与岩石和空心包体材料的弹性模量、泊松比、钻孔直径、空心包体的内外径及应变片的径向有关。

k系数计算。

邓肯.法马 (M.E.Duncan Fama)、彭德 (M.J. Pender)给出了系数的计算公式[7],公式如下:

4 测点布置

测点布置在整个地应力测量过程中非常关键,倘若测点的布置不合理,其测出的数据也没多大的意义,结果只是劳而无功。因此对每个测点都要精心选择,既要考虑地形地貌、断层,节理,裂隙的分布,还得考虑人工活动如地下爆破对测量的影响。测量时要注意以下几点:

(1)避开巷道和采场的弯、叉、拐、顶部等应力集中区;

(2)完整或尽量完整的岩体内,节理、裂隙、不发育或胶结较好,在构造部位的选择上,一般要远离断层,避开岩石破裂带、断裂发育带;

(3)尽量远离较大的开挖体,如采空区,大硐室等;

(4)测点深度应超过工程开挖所产生的岩体松动圈,一般为 1.5倍洞径以上[8-9];

(5)地层要具有代表性;对所测地应力状态进行代表性分析,确定测值是代表局部应力场还是代表区域应力场[10]。

根据以上原则结合矿山的具体实际情况,在新余良山铁矿的良山矿区 117中段,240中段和太平矿区 114中段共进行了 3组的地应力解除测试,测点布置为,117水平测点坐标 (3059559.87, 38591620.50,117),埋深 123.07m;240水平测点坐标 (3059956.10,38591818.06,240),埋深 182.27m; 114水平测点坐标 (3059976.04,38591170.83, 114),埋深 54.68m。

5 应变测量结果

根据各个测点的实测应变数值整理出各个测点的各个方向应变计的最终稳定应变值如下:

表 1 各测点用于计算地应力计算的应变数据 (10-6m)

由于空心包体应变计采用电阻应变片作为传感元件,并对温度的变化较为敏感,且温度的变化对测量结果不可忽视,所以实测过程中必须引起注意,并采用相关措施消除温度影响。本次测量采用蔡美峰教授的温度补偿措施[11]。

6 地应力计算结果

使用三维地应力计算程序分别计算出各测点的地应力主应力的大小和方向。计算结果分别示于表2,表3。

表 2 各测点应力分量计算结果

表 3 各测点主应力计算结果

7 结论

(1)由矿区断裂构造分析可知,良山矿区的构造应力是复杂多变的。该矿区的地应力场在历史上是变化的,是早期的地质构造不断被较晚期的地质构造所改造、叠加、继承和演化的结果,不能简单的归于某个构造运动的应力场。由于良山矿区 117中段与 240中段相隔较远,而且其上覆围岩的厚度相差很大,故它们地应力特征有很大的区别。

(2)良山矿区二个测点的实测最大主应力为水平,数值为 7.61MPa和 11.63 MPa,方向为 175.80°和 183.31°,倾角为 -0.26°和 0.48°,表明该矿区水平构造应力占主导地位。太平矿区实测最大主应力为水平,数值为 4.56MPa,方向 117.44°,倾角 2.7°。

(3)良山矿区二个测点的最小水平主应力数值为3.18MPa和 5.18MPa,方向为94.29°和 265.89°,倾角为 -6°和 -63.72°。太平矿区最小水平主应力数值为 1.78MPa,方向为 90.82°,倾角为 -51.31°。

(4)117中段的中间主应力的倾角为 83.26°,近似于竖直方向,基本接近上覆岩体自重应力。

REFERENCES

[1] 蔡美峰.岩石力学与工程 [M].北京:科学出版社,2000.

[2] 蔡美峰.地应力测量原理和方法的评述[J].岩石力学与工程学报,1993,12(3):275-282.

[3] 李通林,谭学术.矿山岩石力学[M].重庆:重庆大学出版社, 1991:10-16.

[4] WotonickiG,WaltonR.Triaxial"inclusion"gauges for deter mination of rock stress in-siu,investigation of stress in rock_Advance in stress Measurement,Proc,int,symp,,Sydney,1976,1-8(supplement).

[5] 邱贤德,姜永东,卢黎,张兰.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 (自然科学版)2004,27 (11):97-99.

[6] 蔡美峰.乔兰,于劲波.空心包体应力计测量精度问题[J].岩土工程学报,1994,16(6):15～20.

[7] Duncan Fama M E,PenderM J.Analysis of the Hollow Inclusion Technique forMeasuring in-Situ Rock Stress.IntJ RockMech Sci and Geomech Abstr,11,1980.137～146.

[8] 勾攀峰,张延新.平顶山煤业(集团)公司一矿地应力测量及分析[J].焦作工学院学报(自然科学版),2002,21(1):15-17.

[9] 王双红,蔡美峰,苗胜军,欧阳振华.三山岛金矿地应力场测量及结果分析[J].中国矿业,2003,12(10):45-47.

[10] 谭成轩,孙叶,王连捷.地应力测量值得注意的若干问题[J].地质力学学报,2003,9(3):275-280.

[11] 蔡美峰.地应力测量原理和技术[M].北京:科学出版社, 2000.

Application on Technology of Stress Relief by Overcoring in L iang Shan Iron M ine

RAO Yun-zhang,LUO Huan,WU Guo-xing
(JiangxiUniversity of Science and Technology,Jiangxi,Ganzhou,341000)

In order to optimize theMining Sequence and miningmethod in underground mining process ofLiang shan iron mine, it’s essential to measure crustal stress.The relevant testing principle and the method of hollow inclusion strain cells in the stress relaxatio method of borehole stress gages are introduced in the article with the measurement of crustal stress.Through analyzing the crustal stress of XinyuLiangshan IronMine and the survey data,we preliminaryobtain the regulations distribution of crustal stressof themine.

crustal stressmeasurement;stress relief by overcoring;Hollow inclusion gauge

book=10,ebook=51

TD31

A

1009-3842(2010)02-0010-04

2010-01-04

饶运章(1963-),男,江西会昌人,博士,教授,从事采矿工程与环境岩土工程方面的教学、科研工作。E-mail:Raoyunzhang@sohu.com