矿山地应力测试方案样本.docx

1、矿山地应力测试方案样本-矿山地应力测试工作方案湖北省XXXXXX勘察院 4月1 前 言地应力是引起采矿和其它各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力, 是确定工程岩体力学属性, 进行围岩稳定性分析, 实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。地应力是所有地下工程, 包括地下采场、 巷道地压显现的根原来源。地应力是存在于地层中的天然应力, 也称原岩应力。在没有开挖工程扰动的情况下, 岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖, 打破了原始平衡状态, 导致地应力的释放, 从而引起岩体的变形和向自由面的位移, 引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破

2、坏, 这就是地压形成的过程和机理。因此, 从本质上来定义, 地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与岩体的受力状态、 岩体结构和重量、 岩体物理力学性质、 工程地质条件以及时间等因素有关。2 地应力的基本原理2.1 地应力的基本概念蓄存在岩体内部未受扰动的应力, 称之为地应力(Insitu stress 或Geostress), 它是岩体中存在的一种固有力学状态, 是岩体区别于其它固体如土体的最基本特征。地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆(Heim, 1905-1912)提出。她认为, 岩体中有应力存在, 并处于近似静水压力状态。应力的大小等于上覆岩体的自重, 即岩体中各个方向的应力均

3、等于 (为岩体的重度, H为研究点的深度)。此后, 金尼克(1926)又根据弹性理论分析, 假定岩体是均匀、 连续的弹性介质, 提出岩体的铅垂应力为, 而水平应力应等于的假说(为岩石的泊松比, 为侧压系数)。按照金尼克的理论, 海姆假说只是金尼克假说在时的一个特例。然而, 随着地应力现场实测资料的积累, 表明在浅层的地应力并不符合海姆和金尼克假说。瑞典哈斯特(Hast.N)于1952-1953年应用压磁式应力计在斯堪的纳维亚半岛的4个矿区进行了地应力实验。结果表明, 实测的水平应力普遍比铅垂应力要高。此后, 许多国家相继发展了多种在钻孔中测量地应力的方法, 也都得到了相似的结论。1978年霍克

4、和布朗(Hoek & Brown)在研究了大量的实测地应力资料后指出, 一般而言, 岩体结构中的铅垂向地应力主要由上覆岩体的自重产生, 水平向地应力介于同一深度的铅垂向地应力分量的一半到3倍左右, 深部岩体(距地表千米以上)的应力状态, 比较接近海姆假说。2.2 地应力的组成部分和影响因素地应力主要由五个部分组成, 即岩体自重、 地质构造、 地形势、 剥蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力, 包括古地质构造运动应力和新构造运动应力, 前者是地质历史上由于构造运动残留于岩体内部的应力, 也称构造残余应力; 后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力。地形势与剥

5、蚀作用引起的应力仅仅表现在局部的应力场会受到影响。例如, 高山峡谷或深切山谷底部的应力往往比较集中; 地表剥蚀会使该处地应力的铅垂方向分量降低得较多, 而水平分量基本保持不变。封闭应力是地壳经受高温、 高压引起的岩石变形时, 由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦, 部分变形受到阻碍而将应力封闭在岩石之中, 并处于平衡状态, 即使卸载, 其变形往往不能完全恢复, 故称封闭应力。一般认为, 浅层岩体中地应力的分布有以下5个方面的影响因素。2.2.1 地质构造对地应力的影响 地质构造对地应力的影响主要表现在影响应力的分布和传递方面; 在均匀应力场中, 断裂构造对地应力量值和方向的影响是局部的; 在同一地质

6、构造单元内, 被断层或其它大结构面切割的各大块体中的地应力量值和方向均较一致, 而靠近断裂或其它分离面附近, 特别是在拐弯处、 分叉处及两端, 因为都是应力集中地带, 其量值和方向均有较大变化; 在活动断层附近和地震区, 地应力的量值和方向均有较大变化。2.2.2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响十分复杂, 至今没有统一的结论。剥蚀作用对地应力有显著的影响。剥蚀前, 岩体内存在一定量值的铅垂应力和水平应力。剥蚀后, 铅垂应力降低得较多, 而水平应力降低得比较少, 基本上保持原来的应力量值。2.2.3 岩石力学性质对地应力的影响从能量积累的观点来看, 岩体地应力是能量积累与

7、释放的结果。岩体地应力的上限必然受到岩体强度的限制。因此, 岩石力学性质对地应力的影响是显而易见的。杰格尔(Jaeger)曾提出地应力与岩石的抗压强度成正比的概念。李光煜、 白世伟经过大量的统计资料提出用岩体弹性模量(E)来评价岩石力学性质与地应力的关系。统计结果表明, E=50GPa以上的岩体, 岩体中的地应力一般为1030MPa, 而E小于10GPa的岩体, 地应力很少超过10MPa。她们的统计结果还表明, 在相同的地质环境中, 当岩体的弹性模量分别2GPa和100GPa时, 地应力值分别为3MPa和30MPa。因此, 弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累, 其地应力值也往往较高。2.2.

8、4 水对地应力的影响水对岩体中地应力的影响是显而易见的。由于岩体中水的存在而形成的岩石孔隙水压力于岩石骨架承受的应力共同组成岩体的地应力。因此, 孔隙水压力高的地区, 岩体地应力的量值也会相应增加。2.2.5 温度对地应力的影响岩体温度对地应力的影响主要表现在两个方面: 地温梯度和岩体局部受温度影响。一般而言, 岩体温度应力为压应力, 并随深度的增加而增加, 因此, 随着地温梯度的增加, 地应力的量值有增加的趋势。当岩体局部受温度影响时, 由于温度分布不均匀, 会产生收缩和膨胀, 导致岩体内部产生应力, 影响岩体的地应力量值。2.3 地应力场的变化规律由于地应力的非均匀性以及地质构造、 地形和

9、岩体力学特性等的影响, 地应力的变化规律没有明显的确定性。但从实测资料来看, 浅层(深度小于3000米)地应力总体上遵循如下的规律: 2.3.1 地应力是一个相对稳定的非稳定应力场岩体中地应力除地壳深层外, 绝大多数是以水平应力为主的三向不等压的三维应力场。三个主应力的量值和方向随着空间位置和时间的变化而变化。地应力在空间上的变化程度, 就一个小范围来讲, 例如一个水利枢纽工程或矿山工程, 地应力的量值和方向从一个地段到另一个地段发生变化。但对大的区域整体而言, 地应力的变化特别是最大主应力的方向是不大的, 例如, 中国华北地区, 地应力的主导方向为北西西和近东西向。地应力的量值和方向在时间上

10、的变化, 就人类工程活动所延续的时间而言, 变化是缓慢的, 能够忽略不计。2.3.2 实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量布朗(Brown)在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明, 在深度为252700米范围内, 地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量, 除少数实验点偏离较远之外(分散度小于5%), 其随深度的变化按照岩石重度成线性增加, 如图4.1所示。2.3.3 水平应力分量普遍大于铅垂应力分量国内外地应力现场实验结果表明, 在较浅地层中, 地应力的水平向应力分量绝大多数大于铅垂向分量。最大水平向应力与铅垂向应力比值(侧压系数)一般为0.55.5, 大部分在0.81.2之间。最大值甚至达

11、到30或更大。当前, 国内外习惯采用两个水平方向应力的平均值与铅垂向应力的比值的比值来表示侧压系数。此比值一般在0.55.0之间, 中国的实测值大多数在0.33.0之间, 如表3.1所示。表3.1 的统计结果国家名称百分比比值1.2中国3240282.09澳大利亚022782.95加拿大001002.56美国1841413.29挪威1717665.56瑞典001004.99南非4124352.50前苏联5129204.30其它地区37.537.5251.962.3.4 平均水平应力与铅垂应力比值(侧压系数)同深度之间关系侧压系数是表征地区地应力特性的主要指标之一。一般而言, 该值随深度增加而减

12、小, 但在不同区域, 有较大差异。布朗(Brown)根据图3.1的统计结果提出下式来描述这种变化趋势: (1)已有的现场实验资料也表明( 图3.2) , 在钻孔深度较浅(小于1000米)时, 比较分散, 数值也较大。随着深度的增加, 的分散减小, 而且向趋于1附近集中, 类似前述的海姆假说的静水压力状态。2.3.5 最大水平主应力方向与地质构造的关系岩体中现存的最大水平主应力方向主要取决于现在的地质构造应力场。现场实验结果表明, 最大主应力方向与地质构造的关系十分复杂, 有的地区最大主应力场方向与构造线垂直, 有的则平行。图3.1 地应力的铅垂向分量随深度的变化规律图3.2 地应力的侧压系数随

13、深度的变化规律2.4 中国地应力场的区域划分根据大量的现场实验结果, 中国地应力场的最大水平主应力方向有较明显的分区特征, 如图3.3所示。华北地区, 主压应力方向以太行山为界, 太行山以东的华北平原及其周边山区, 其主压应力方向为近东西向; 太行山以西, 主压应力方向近东南。秦岭构造带以南, 主压应力方向为北西西至北西向。东北地区主压应力方向以北东东为主。西部地区测得的主压应力方向以北北东方向为主, 个别近东南方向。地应力量值在中国的东西部地区有较大的差别。东部地区的地应力量值比较低, 在300m深度内, 一般地应力最大值为8MPa左右。西部地区, 地应力量值比较高。例如, 在四川二滩水电站

14、实测的水平最大主应力量值在山谷应力集中处高达40-65MPa。图3.3 中国地应力场的最大水平主应力方向分布3 水压致裂法试验介绍国际岩石力学学会测试方法委员会1987年颁布了”测定岩石应力的建议方法”。包括USBM型钻孔孔径变形计的钻孔孔径变形测量法、 CSIR(CSIRO)型钻孔三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、 水压致裂法和岩体表面应力的应力恢复测量法。与其它三种测量方法相比, 水压致裂法具有以下其它优点: 测量深度深; 资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算, 能够避免因岩石弹性参数取值不准引起的误差; 岩壁受力范围较广(钻孔承压段程度可达1-2米), 能够避免”点”应力状态的局限性和地质条

15、件不均匀性的影响; 操作简单, 测试周期短。因此, 水压致裂法广泛地应用于水电、 交通、 矿山等岩石工程以及地球动力学研究的各个领域。3.1 水压致裂法基本原理水压致裂法地应力测量利用一对可膨胀的橡胶封隔器, 在预定的测试深度封隔一段钻孔, 然后泵入液体对该段钻孔施压, 根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。水压致裂法地应力测量原理以弹性力学平面问题为基础, 并引入了如下三个假设: 围岩是线性、 均匀、 各向同性的弹性体; 围岩为多孔介质时, 注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流动; 岩体中地应力的一个主方向为铅垂方向, 与铅垂向测孔一致, 大小等于上覆岩层的压力。根据弹性理论, 当在具有应力场的岩体中钻一钻孔, 钻孔周边岩体将产生二次应力场(图4.1), 它与地应力之间的关系如下: (2)式中, 为钻孔半径, 为径向距离, 为极径与轴X的夹角, Z为钻孔轴向, 指向孔口。为岩石泊松比,