陳見(jiàn)行,王洪林,王曉卿

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

利用套孔應(yīng)力解除法測(cè)量礦山原巖應(yīng)力

陳見(jiàn)行①,王洪林,王曉卿

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

礦山原巖應(yīng)力的測(cè)量是礦山工程設(shè)計(jì)、安全施工與生產(chǎn)必不可少的原始資料之一。分析了利用套孔應(yīng)力解除法測(cè)量礦山原巖應(yīng)力的方法,為礦山原巖應(yīng)力的測(cè)量提供了一定的理論基礎(chǔ)?？蔀橄嚓P(guān)管理部門(mén)科學(xué)決策提供依據(jù)。

礦山;原巖應(yīng)力;分析;套孔應(yīng)力解除法;測(cè)量方法

原巖應(yīng)力一般是指地殼巖體處在未經(jīng)人為擾動(dòng)的天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力或稱(chēng)為初始應(yīng)力,主要是在重力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)綜合作用下形成的應(yīng)力,有時(shí)也包括在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿浸入等作用下形成的應(yīng)力。

產(chǎn)生原巖應(yīng)力的原因十分復(fù)雜,原巖應(yīng)力的形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān),其中包括:板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿浸入和地殼非均勻擴(kuò)容等。另外,溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學(xué)變化等也可引起相應(yīng)的原巖應(yīng)力場(chǎng)。其中,構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)為現(xiàn)今原巖應(yīng)力場(chǎng)的主要組成部分。

原巖應(yīng)力按不同起源分為:自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、剩余應(yīng)力和變異應(yīng)力。值得注意的是剩余應(yīng)力與殘余構(gòu)造應(yīng)力是完全不同的:剩余應(yīng)力不具有方向性,常是σx=σy;而殘余應(yīng)力引起的高水平應(yīng)力具方向性,σx與σy相差較大。

1 測(cè)量必要性

正如前面所述:地殼中的巖體本身存在著一個(gè)復(fù)雜的初始應(yīng)力場(chǎng)。礦山工程開(kāi)挖之后,這一初始的礦山應(yīng)力場(chǎng)因受到擾動(dòng)而發(fā)生變化,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布和局部應(yīng)力集中,由此會(huì)產(chǎn)生巷道變形、采場(chǎng)頂板下沉、礦柱受壓等現(xiàn)象,甚至引起片幫、冒頂、礦柱倒塌等地壓活動(dòng),給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此,通過(guò)測(cè)量并研究礦山巖體的原始應(yīng)力狀態(tài),掌握它隨采礦工程進(jìn)展而變化的規(guī)律,對(duì)于礦山工程的設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、安全等方面都是十分重要的。

2 測(cè)量方法

應(yīng)力解除法是以彈性理論為基礎(chǔ),它把一定范圍內(nèi)的巖體視為均質(zhì)的、各向同性的完全彈性體。這一測(cè)量方法的實(shí)質(zhì)是在被測(cè)虛力場(chǎng)的巖體中選定測(cè)點(diǎn),在測(cè)點(diǎn)位置安設(shè)測(cè)量元件,然后在所安裝的測(cè)量元件周?chē)筒刍蛱卓?使安設(shè)有測(cè)量元件的巖石與周?chē)鷰r體分離,也就是使這一部分巖石從被測(cè)應(yīng)力場(chǎng)作用之下解脫出來(lái)。此時(shí),測(cè)點(diǎn)巖石將由于外力的消失而產(chǎn)生彈性恢復(fù)變形。通過(guò)測(cè)量元件將這一變形記錄下來(lái),即可按彈性理論來(lái)確定被測(cè)應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力狀態(tài)。

套孔應(yīng)力解除法是發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)上比較成熟的一種原巖應(yīng)力測(cè)量方法。在測(cè)量原巖應(yīng)力(絕對(duì)應(yīng)力)的適用性和可靠性方面,目前還沒(méi)有哪種方法可以和套孔應(yīng)力解除法相比。1949年奧爾森(O.J.Olson)將一組應(yīng)變片粘貼在巖石的表面,然后用一個(gè)大口徑的薄壁鉆頭垂直于巖石的表面打鉆套孔,使應(yīng)變片周?chē)膸r石與巖石母體相割離,從而解除了巖體應(yīng)力對(duì)應(yīng)變片周?chē)鷰r石(即套孔巖芯)的作用,并由此引起套孔巖芯的變形。如果套孔以前巖體處于壓縮狀態(tài),則套孔后其巖芯將產(chǎn)生膨脹;如果套孔以前巖體處于拉伸狀態(tài),則套孔以后其巖芯將產(chǎn)生收縮。應(yīng)變片將測(cè)得巖石表面的這種變形。根據(jù)測(cè)得的變形,可以計(jì)算出巖體表面在套孔以前所受的應(yīng)力狀態(tài)。

套孔應(yīng)力解除法具有測(cè)量靈敏度高、測(cè)量結(jié)果可靠、可以在深孔中進(jìn)行測(cè)量測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)(需要利用三孔交匯的方法)等特點(diǎn)[1]。因此,利用套孔應(yīng)力解除法可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量礦山巖體的原巖應(yīng)力。

3 測(cè)量步驟

1)選擇合適的測(cè)點(diǎn)。選擇合適的測(cè)點(diǎn)是進(jìn)行測(cè)量工作前的必要工作,對(duì)于套孔應(yīng)力解除法就應(yīng)該選擇合適的地應(yīng)力測(cè)量孔位。良好的地應(yīng)力測(cè)量孔位能得到較為理想的數(shù)據(jù),從而較好地反映測(cè)量點(diǎn)的地應(yīng)力特征。下面介紹地應(yīng)力測(cè)量孔位的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

地應(yīng)力測(cè)量孔位的選定應(yīng)考慮地形地貌及測(cè)量孔周?chē)臄嗔逊植?、巖性、人工活動(dòng)、地表風(fēng)化等一系列因素,同時(shí)地應(yīng)力測(cè)量孔位應(yīng)盡可能地選在地形相對(duì)平緩的地段。為配合重大工程建設(shè)的需要,地應(yīng)力測(cè)量孔位應(yīng)盡量較均勻分布在研究區(qū)域具有代表性的構(gòu)造部位,以便對(duì)研究區(qū)域應(yīng)力分布有總體了解,并與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。研究區(qū)域的測(cè)量孔應(yīng)盡量選擇同一巖性,這樣可避免測(cè)量值之間的巖性校正,便于對(duì)比分析。對(duì)于峽谷區(qū)域,在測(cè)量之前應(yīng)作一定的前期分析,大致確定所測(cè)地段非構(gòu)造應(yīng)力的影響深度。從而確定測(cè)量孔鉆探的深度,避免測(cè)量未超過(guò)非構(gòu)造應(yīng)力影響范圍而影響研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析。

在套孔應(yīng)力解除法中所用到的測(cè)量元件為套孔變形計(jì)。由于套孔變形計(jì)僅可以測(cè)出二維地應(yīng)力。如果用它測(cè)量三維地應(yīng)力,則需要打交于一點(diǎn)互不平行的3個(gè)鉆孔。三孔匯交示意圖,見(jiàn)圖1,其中1、2、3表示3個(gè)匯交鉆孔。示意圖,見(jiàn)圖2。

圖1 三孔匯交的示意圖

a)從巖體表面,一般是從地下巷道、隧道、硐室或其他開(kāi)挖體的表面向巖體內(nèi)部打大孔,直至需要測(cè)量巖體應(yīng)力的部位。下一步打孔:用于安裝探頭的小

圖2 套孔應(yīng)力解除法測(cè)量步驟示意圖

2)布設(shè)套孔變形計(jì)。套孔應(yīng)力解除法測(cè)量步驟孔直徑一般為36～38 mm,大孔直徑一般是小孔直徑的3倍以上,為130～150 mm。大孔深度為巷道、隧道或已開(kāi)挖硐室跨度的2.5倍以上,從而保證測(cè)點(diǎn)是在未受巖體開(kāi)挖擾動(dòng)的原巖應(yīng)力區(qū)。硐室的跨度越大所需的大孔深度也就越大。為了節(jié)省人力、物力并保證試驗(yàn)的成功,測(cè)量應(yīng)盡可能選擇在跨度較小的開(kāi)挖空間中進(jìn)行,要避免將測(cè)點(diǎn)安排在叉道口或其他開(kāi)挖擾動(dòng)大的地點(diǎn)。為了便于下一步安裝測(cè)試探頭,大孔要保持一定的同心度,因此在鉆進(jìn)過(guò)程中需有導(dǎo)向裝置,大孔鉆完后需要將孔底磨平,并打出錐形孔,以利于下一步鉆同心小孔、清洗鉆孔和探頭順利進(jìn)入小孔[3]。

b)從大孔孔底打同心小孔,供安裝探頭用,小孔直徑由所選的探頭直徑?jīng)Q定,一般為36～38 mm。小孔深度一般為套孔的10倍左右,以保證小孔中央部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。小孔打完后需放水沖洗小孔,保證小孔中沒(méi)有鐵屑和其他雜物,為此鉆孔需上傾1°～3°。

c)用一套專(zhuān)用裝置將測(cè)量探頭(此為套孔變形計(jì))安裝(固定或膠接)到小孔中央部位。

d)用第一步打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔,從而使小孔周?chē)鷰r芯實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除,由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)變,由包括測(cè)試探頭在內(nèi)的量測(cè)系統(tǒng)測(cè)定,并通過(guò)記錄儀器記錄下來(lái)。將套孔變形值δ、鉆孔方位角α、鉆孔傾斜角β、變形計(jì)上每組應(yīng)變片的方向角s及測(cè)點(diǎn)處巖石的彈性模量E、泊松比μ代入下列方程[2]:

式中:

E—彈性模量;

δk—鉆孔套孔變形量;

d—小孔的直徑;

αk—系數(shù)多項(xiàng)式,多項(xiàng)式中含泊松比μ、鉆孔方位角α、鉆孔傾角β及變形計(jì)上每組應(yīng)變片的方向角s;

σk—測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力σ、σ2……σθ,對(duì)應(yīng)6個(gè)應(yīng)力分量σx、σy、σz、τxyτyz、τyz:

上述方程表示鉆孔套孔變形量同巖體空間原巖應(yīng)力的關(guān)系。通過(guò)將δk代入方程中,即可以聯(lián)立求解出6個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量。為了盡量減小測(cè)量誤差,可以在每個(gè)鉆孔中多測(cè)量一些各方向上直徑的變形值,建立較多的觀測(cè)方程,采用最小二乘法的算法進(jìn)行求解計(jì)算。

4 注意事項(xiàng)

在探頭的材料選取時(shí)盡量避免選擇剛性探頭。從理論上講,不管套孔的形狀和尺寸如何,套孔巖芯中的應(yīng)力都將完全被解除。但是,若測(cè)量探頭對(duì)應(yīng)力解除過(guò)程中的小孔變形有限制或約束,它們就會(huì)對(duì)套孔巖芯中的應(yīng)力釋放產(chǎn)生影響,此時(shí)就必須考慮套孔的形狀和大小。一般來(lái)說(shuō),探頭的剛度越大,對(duì)小孔變形的約束就越大,套孔的直徑也就越大。對(duì)絕對(duì)剛性的探頭,套孔的尺寸必須無(wú)窮大,才能實(shí)現(xiàn)完全的應(yīng)力解除。這就是剛性探頭為什么不能用于應(yīng)力解除測(cè)量的緣故。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用套孔應(yīng)力解除法測(cè)量礦山原巖應(yīng)力的方法屬于孔壁應(yīng)變測(cè)量法的一種,它的突出優(yōu)點(diǎn)就是通過(guò)在一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量便可得到所測(cè)礦山巖體的三維地應(yīng)力狀態(tài)。并且它能根據(jù)工程和地質(zhì)上的需要,測(cè)量不同深度的地應(yīng)力狀態(tài),測(cè)量深度可以達(dá)到數(shù)百米,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)眾多,可建立地應(yīng)力狀態(tài)空間信息網(wǎng)絡(luò),是研究原巖應(yīng)力場(chǎng)及其變化規(guī)律的重要依據(jù),在地下礦山巖體原巖應(yīng)力的測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

[1] 楊立根.礦山巖體原巖應(yīng)立場(chǎng)的研究與實(shí)例分析[J].礦山研究和開(kāi)發(fā),1993(3):45-47.

[2] 蘇華友.原巖應(yīng)力的測(cè)量及其在礦山巷道最優(yōu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1991:13-15.

[3] 王作堂,周華強(qiáng),謝耀社.礦山巖體力學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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

陳見(jiàn)行 男 1989年出生 2007年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221116