蔡美峰--岩石力学与工程.

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1、北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 蔡美峰-岩石力学与工程 地应力测量与采矿设计优化 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 一、地应力的基本概念及地应力测量的重要性 二、地应力场测量的基本原理和主要方法 三、地下矿山采矿设计优化 四、大型深凹露天矿边坡设计优化 内容提要内容提要 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 1、蔡美峰著。地应力测量原理和技术。科学出版社，2000年。 2、蔡美峰著。金属矿山采矿设计优化与地压控制-理论与实 践 。科学出版社，2001年。 3、蔡美峰主编，

2、何满潮、刘东燕副主编。岩石力学与工程。科 学出版社，2002年。 参参 考考 书书 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 第一节 地应力的基本概念及地应 力测量的重要性 BASIC CONCEPTS AND IMPORTANCE OF IN-SITU STRESS MEASUREMENT 第一节 地应力的基本概念及地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 什么是地应力？ 地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力、岩 体初始应力、绝对应力等。它是引起采矿、水利水电、土木 建筑、铁道、公路和其他各种地下

3、或露天岩土开挖工程变形 和破坏的根本作用力。准确的地应力资料是实现采矿和岩土 工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。 第一节第一节 地应力的基本概念及地应力测量的重要性地应力的基本概念及地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 1.1.1地应力的成因 n 30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球 的各种动力运动过程有关，包括： l 大陆板块边界受压 l 地幔热对流 l 地球内应力 l 地心引力 l 地球旋转 l 岩浆侵入 l 地壳非均匀扩容 n 另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化 等也可引起相应的应力场。

4、1.1 1.1 地应力的成因及其一般分布规律地应力的成因及其一般分布规律 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING n 中国大陆板块受到印度洋板块和太平洋板块的推挤，同时受到了 西伯利亚板块和菲律宾板块的约束，产生水平受压应力场。印度 洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形成，控制了我国 地震的分布。 中国板块主应力迹线图 1.1 1.1 地应力的成因及其一般分布规律地应力的成因及其一般分布规律 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 汶川大地震 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING

5、 龙门山断裂带 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING l 地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间 的函数 l 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 l 水平应力普遍大于垂直应力 l 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地 区，变化的速度很不相同 l 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系 l 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很 强的方向性 l 地应力的上述分布很会受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征 、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层 的扰动影响最大 1.1.2

6、地应力分布的一般规律 1.1 1.1 地应力的成因及其一般分布规律地应力的成因及其一般分布规律 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 1.2.1 地应力分布状态的复杂性和多变性 l 构造运动和重力作用是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运 动对地应力的形成影响最大。 l 当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运 动有关。 l 亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场 也经过多次的叠加、牵引和改造，造成了地应力状态的复杂性和多变性。 l 即使在同一工程区域，不同点地应力的状态也可能是很不相同的，因

7、此，地 应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。 l 要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测量。 1.2 地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING l 传统的采矿及其它岩土工程的开挖设计和施工是根据经验来进 行的（查手册）。当开挖活动是在小规模范围内和接近地表的深 度上进行的时候，经验类比的方法往往是有效的，但是随着开挖 规模的不断扩大和不断向深部发展，经验类比法已越来越失去其 作用。 l 为了对各种岩土工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须 对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查。在诸多的影响岩体 开挖

8、工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要最根本的因素之 一。 1.2.2 地应力对采矿工程的重要性 1.2 地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING l 对矿山设计来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才 能合理确定矿山总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采 场的最佳断面形状、断面尺寸、开挖步骤、支护形式、支护结构 参数、支护时间等，从而在保证围岩稳定性的前提下，最大限度 地增加矿石产量，提高矿山经济效益，从而实现采矿工程的优化 。 1.2 地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING

9、 l 根据弹性力学理论，巷道和采场的最佳形状主要由其断面内的 二个主应力的比值来决定，为了减少巷道和采场周边的应力集中 现象，它们最理想的断面形状应是一个椭圆，而这个椭圆在水平 和垂直方向的两个半轴的长度之比应与该断面内水平主应力和垂 直主应力之比相等。在此情况下，巷道和采场周边将处于均匀等 压应力状态。这是一种最稳定的受力状态。 1.2 地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING l 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态，最理想 的走向是与最大主应力方向相平行。 1.2 地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS

10、 AND ENGINEERING l由于采矿工程的复杂性和形状多样性，利用理论解析的方 法进行工程稳定性的分析和计算几乎是不可能的。但是，近 20年来大型电子计算机的应用和各种数值分析方法的不断发 展，使采矿工程成为一门可以进行定量设计计算和分析的工 程科学。 l所有的计算和分析都必须在已知地应力的前提下进行。如 果对工程区域的实际原始应力状态一无所知，那么任何计算 和分析都将失去其应有的真实性和实用价值。 1.2 地应力测量的重要性 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 第二节 地应力测量原理与方法 PRINCIPLES AND TECHNIQUES O

11、F IN-SITU STRESS MEASUREMENT 第二节 地应力测量原理与方法 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 2.1 概述 u 基本原理 l 测量地应力就是确定存在于 拟开挖岩体及其周围区域的未 受扰动的三维应力状态（原岩 应力），这种测量通常是通过 一点一点的量测来完成的。 l 由于地应力状态的复杂性和 多变性，要比较准确地测定某 一工程区域的地应力，就必须 进行充足数量的“点”测量。 在此基础上，可以借助数值分 岩体中任一点三维应力状态 析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法，建立工程区域 的地应力场分布模型。 北京科技大学 ROCK

12、MECHANICS AND ENGINEERING u 主要测量方法 l直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如 补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应 力的相互关系，计算出原岩应力值。在计算过程中并不涉及 不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力 应变关系。 l 间接测量法：不是直接测量应力值，而是测量岩体中某些 与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变， 弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化 ，通过已知的公式计算出岩体中的应力值。为了计算应力值 ，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和 应力的相互关系。 2.1 概述

13、 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 直接测测量法 l 扁千斤顶法 （Flat jack） l 刚性包体应力计法 （Stiff inclusion stress meter） l 水压致裂法 （Hydraulic fracturing technique） l 声发射法 （Acoustic emission technique） 2.1 概述 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 间间接测测量法 l 套孔应力解除法 （ Stress relief by overcoring technique ） l 局部应力解除法

14、 （Local stress relief technique） l 松弛应变测量法 （Relaxation strain measurement） l 孔壁崩落测量法 （Borehole break out measurement） l 地球物理探测法 （Geophysical technique） 2.1 概述 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 2.2 水压致裂法 u测量原理 l 发展历史 l 弹性力学基本理论 孔边应力分布： (1) 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 2.2 水压致裂法 u基本假设 l垂直

15、方向是一个主应力方向，其值等于自重力 l岩体线性、均质、各向同性 l渗透符合达西定律 (2) 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING u测量步骤 (1) 钻孔（地质勘探）、 选段（完整）、 封隔（气或液）； 直径：38、51、 76、110、 130； 2.2 水压致裂法 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING (2)加水压将孔壁压裂 (Fracture initial pressure) (3) (3)关闭加压系统 (shut-in pressure) (4) 由(3)和(4)可求出1和2 ，但需要知道T。 2.2 水压

16、致裂法 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING (4) 重新加压使裂隙张开 (Fracture re-opening pressure) (5) 由(3)，(4)即可求出1， 2，不需要知道T。 (5) 关闭加压系统，再次 测得Ps值。 (6) 将封隔器完全卸压， 连同加压管等全部设备 从钻孔中取出。 2.2 水压致裂法 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND ENGINEERING (7) 测量水压致裂裂隙的方位。 l 采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器 。 l 印模器简便实用。将印模器连同加压管路一起送入井下 的水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，钻孔上的裂隙均 即可印在印模器上。印模器装有定向系统，可确定裂隙的 方位。 最后，测点（即试验段）水平面内的二个主应力1和2 的大小和方向确定了。再加上垂直方向主应力v的大小也 已知，测点的三维应力状态（三个主应力的大小和方向） 就确定了。 2.2 水压致裂法 北京科技大学 ROCK MECHANICS AND EN