安庆铜矿的地应力测量与研究.pdf

奄 1 谚 ， 为 ， 戢适压 ， 。 安庆铜矿的地应力测量与研究T p, l i 北京有色冶金设计研究总院 张子海 ● 。_ _ _。 _ ●一 【 摘要 】 对安庶铜 矿的地应力霹 】 量与研究方法最部分研究成果， 井就研究过程中 聂到一些闷 甄晨开讨论 ，如测试教据的处理 反演计算的边界条件的求解等． 关键词地应力 构造应力 反演计算应力测量 l 引言 安庆 铜矿是一 个大型铜铁共生矿床 ，矿 体埋藏深、走向短，矿石储量大。为了提高 生产效率采用大直径深孔采矿方法，在井巷 工程的设计施工，采场结构要素的确定及生 产管理过程中，地压是首先要考虑的 问题之 一 。地压是地应力作用的外部表现形式，因 此 ， 对地应力的 测量 与研 究就显得 非常 重要。 地应力在 地壳浅层 5 0 0 0 m的 分布 是十分复杂的，它是岩性、地质椅造、地形 地貌、地温等诸多因素的 函数 。因此，人们 在地应力的研究中选择了应力实测与理论分 析相结合的技术途径。在地应力测量方面人 们开 发 了众多的 测试 方法及相应 的 仪 器 设 备， 其中 以应力解 除法和 水压致裂法最具 代 表性 ，并取得 了丰硕 的研 究成果 。反 演计 算 使地应力场的研究在理论上有 了 突 破 性进 展，正 日益受到人们的广泛重 视。尽 管 如 此，仍有许多课题需要补充完善。在安庆铜 矿的地应力测量 与研 究中，在 测试原始 数据 的处理及反 演边 界条 件的求解方 面进行 了新 的尝试 ，并 获得一 定 进展。 对安庆铜矿 的地应力 测量 与研 究，概括 起 来主 要包括 以下 内容 1 地应力的现 场实测； 2 实测原 始数据的处 理} 3 实 测结果 的可 靠 性论 证； 4 分析总 结矿区地应力场 的 分 布 特 一 1 6 征， 5 一定范围内地应力场的反演计算。 本文将对这些内容作一简单介绍并和读 者一起讨论其中涉及的问题。 2 地应力测量 地应力澳『 量采用应力 解除 孔 壁 应 变法 I e e ma n 1 9 6 3 。淡法 测试原 理合理，冽试 工艺简单，得到国内外广泛的认可和应用。 2 ． 1 应力 测量 点的布局 地应力在 地表浅层的分 布十分复杂 ，其 表现形式是具有较大的离散性 。因此，测点 布局要有针对性，其布局合理与否将直接影 响测试成果的实用价 值。安庆 铜矿应 力测点 的布局主要依据如下原则 1 靠近研究体 矿 休及其周 边地区 ； 2 岩体质量尽量均 匀、完 整 、 干扰 源少 基于 测试 原理阿弹性假设 ； 3 考虑测试条件 风，水，电等 。 根据上述原则， 在 一2 8 0 m平面布 置了2 个测点 1 ’ 、2 ，1 点 布置 在 2号矿房 左 帮， 2’ 点布置在 回风道 ， 一4 0 0 m平 面布置 2个点 3 ’ 、4 ‘ 。 2 ． 2 现场测 试 2 ． 2 ． 1 测量系统 测量系统主要由传感元件，安装仪，静 态 电阻应变 仪 、围压筒、油压泵等组 成。实 测 中采用了两种规格的传感元件D Y 一3 6 9 和 三轴空腔包体式直 力 计 C S I R O 。其 有 色矿 山 1 9 9 0 ， 维普资讯 不同之处是前者由 3组应变花 9 个应变片组 成 ，实测时应变片直接 粘贴 于孔 壁’后者则 由 3组应变 花1 2 个 电阻 片组成， 电阻片 粘贴 在环氧树脂管上，与管表面间隔0 ． 5 ram。 2 ． 2 ． 2 测试程 序 在 选好的测点 处钻进 大致水 平 倾角 3 ～ 5。 的钻孔 i 3 0 mm ，钻进深度约 与 巷道直径相等，以使传感元件所在位置能超 越因洞室开挖造成的应 力扰 动 区J 磨 平孔 底 ，并同心打一 小 孔 3 6 mm， 长3 3 3 5 c m，洁净孔壁并安装传感原 件， 待 传感 元件与孔壁充分固结后打太孔 1 3 0 mm ， 实现应力解除，并用静态 电阻应变仪测读岩 芯的恢复 形变 ，直至稳 定，取 出岩 芯，将其 置 于围压筒对其施 加围压， 测 取 压力 一 变 形 关系 曲线 。 3 实 测原始数据 的处理 3 ． 1 关于不 合理应变 的取舍 地壳 内一点的应力状态 由 6个应 力分量 组成， 因此 ， 从理论上 说 ， 只 要测取 6个 已知 量即可求解。但在实测中，常常要测取 9 个 或1 2 个已知量，主要考虑到实测中难于确保 每个测片都铝正常工作，同时便于甩数理统 计的方法进行优化，使实测结果更加真实。 这将涉及多余实测值的取舍同艇 。 目前 ，广为流行 的作法是将所 有测值参 加运算求取应力分量的最佳值后，再舍 去残 差最大的个测定值，由余下的测值参加运 算，如此重复下去直至剩下 6 个 测 定 值 为 止。这种作法的缺点是没有明确规定到底具 有多大残差值才该剔除，这样有可能出现两 种情况；一是剔除去了较为台理 的 原 始 数 据，二是剔除不尽不合理的数据，使应力计 算出现随意性。我们的作法是给它一个误差 限，取 3倍 测值的 标准误差 ，对超 过该误差 的数据均予副除。这就有效地避免了前述作 法可能出现的同艇。 3 ． 2 关 于弹性 常数 E、p 的选取 由于弹性模量 E 与应力之间 的关 系成正 比，所 以弹性模量的选取非常重要。在应力 计算中，不能将测点处岩石的弹性常数直接 参加运算，因为传感元件与岩石不是直接粘 贴的， 因此，应进行校正 。人们在这 方面进 行了实验对比工作，并推导了修正式 G w o r o t n i c ＆R． J ． Wa l t o n ，1 9 7 2 ～1 9 7 5 ，篇 幅所 限，不在此赘列 。但进行这 样的校正不 仅校正因子的选取十分繁琐，而且包含了人 为 因素 。 当我们用围压的方法来测取岩芯的变形 常数，则无需进行上述校正。因为解除岩芯 包括了岩石、筒材料，粘结材料，所得的变 形特性 曲线 已经包含 了这三 种材料的影 响。 确切地说， 围压所 得的E、I l 是综 合 的 变形 常数。 4 实测结果及可靠性论证 4 ． 1 实涮结果 在 I ’ 一4 ‘ 测点共进行 了 8次解 除测试 ， 每个测点处均进行 2次解除，由于岩石各向 异性 的客观存在及测试 过程中不 可避免 的误 差，使应力测值具有一定离散性，为尽可能 消除这种离散性，我们对各测点的测值进行 平均分别求取主应力大小、方向，倾角，如 表 1所 示。表中，口 为主应力 大小 ， 以 压力 为正 ，口 为倾角 ， 以向下 为正J目 为方 位 角， 裹1 主应 力、方位 、倾角的 平均 值 安丧铜矿的地应力硼量与 研究珠子 海 邮编l 0 0 0 明 维普资讯 以顺 时针为芷 。 4 ． 2 实测结果 的可 靠性 论 证 实测 结果是否 可靠主 要从 两 方 面 来考 虑t一是原始数据是否真实，二是计算结果 与地质构造的关系。 4 ． 2 ． 1 应力解除过程 应力解 除 曲线经历 了 4个 过 程 a -- 无 应力区I b 一应力集中医，c 一应力释放区I d 应变稳定区。与一般应力解除规 律 是吻 合的，这说明测试系统是正常的，所得的原 始数据基本反映了测点处实际情形。 、 4 ． 2 构造应力场 安庆铜矿位于 “ 淮阳山字形梅造前弧车 翼 ，北面 临 “ 郯庐断裂带 ，南 近沿江破碎 带 ，矿 区外 围属 “ 洪镇帚状构造 的 一 部 分，受 其控制 向北撒开， 向南 收敛，区域构 造以旋转运动为特征。矿区构造简单，规模 小 ，主要形成燕山后期，包括龟 形 山 后 背 斜，和F - 断层等压性构造 ，构造 线走向N1 0 ～l 5 。 ， 显示燕 山期后矿 区地质体 东 西 向承 压的特点，另外矿区还发育有一组压扭性共 轭裂隙倾向2 2 5 。 倾角7 4 。 ，锐角指 向 近东 西，这也标志着这套构造是东西向应力作用 的产物。因此，矿区的主构造应力是近东西 向的。但 矿区深部，上述构造 的影响将会逐 渐减弱，转而受大区域的控制，如 “ 淮阳山 字形构造”的控制，构造应力的方位将由东 西变为北东～南西。 表 1 所示的结果表明， 一2 8 Q m 平 面最 大主应力 方位为 8 7 ． 1 ～9 5 ． 0 ， 倾角 2 ． 3 ～ 0 ． 2 | 一4 0 0 m平面最大主应力 方 位3 点为 2 2 7 ． 0 。 ， 4 点为2 5 3 ． 0 。 ，倾角3 点为 4 ． 0 ， 4 ’ 点为 一4 9 ． 0 o 9这 与构造 应 力场的分析结 果基本 吻合 。 基于上述两点分析，可以判断测试结果 是可靠的，基本反映了测点的实际情形。 5 矿区地应力场的分布特征 5 ． i 主应力 的量级 和方 向 如表 i 所示，实测大约在1 6 1 8 MP a 之 问，一4 0 0 m平面最大。根据地应 力 级 别标 准，安庆铜矿 一4 0 02 8 0 m区 域 处 在 中 等级别的应力区。如前所述，蛙大主应力方 位为北东或近东西，与水平面 成 小 角 度相 交。这与矿区的构造主应力的 方 向基 本一 致 。因此，矿 区的最大主 应力在量级和 方向 上主要受区域构造的控制。 5 ． 2 垂直应 力沿深度方 向的分布规律 垂直方向的地应力从理论上说，主要来 源于岩体的自重和构造应力在垂直方向上的 分量。霍克和布朗 H o e k B r o u n 在 总 结了当今世界的地应力实测成果后认为，垂 直应力沿深度呈线性增长，其大小近似于上 覆岩层的自重，即 o 0． 027y 式 中y ～ 岩层高 ，m。 表 2列出了垂直应力实测值和计算值及 比较结果，从表中可 以看出。实测值与计算 值基本相等，偏差仅1 0 ％左右。因此，安庆 铜矿地区的垂直应力分量基本与上覆岩层的 裹2 垂直应力实测值与计算值的比较 自重相等，其量值可按上式计算。 5 ． 3 水平应力的分布与深度的关系 一 2 8 0 m平面平均 水平应力 与 垂 直 应力 之 比为1 ． 5 4 ～1 ． 4 7 ， 一4 0 0 m平面则 为 一0 ． 7 4 18 一 有 色矿 山 1 9 9 8． 6 维普资讯 ．8 0 。这说明，构造应力随深度的增加而 减少 ，而 自重应力的 比重会明显 增加，尽管 如此，水 平应力的绝对值 仍将 会随 深度 的增 加而 增加 。 6 区域原岩应力场的反演计算 受资金及现场条件的铷约，只能进行有 限点的应力实测，由于地应力 分 布 的 复杂 性，有限点的应力渊值远远不能对地域应力 场的分布做 出更准确的表达。区域原岩应力 场的反演计算可以定量给出一定范围内原岩 应力场分布， 因而 它可 以弥补 应力测量的局 限性，正 日益受到人们的重视。 我 们 对 一2 8 0 m平 面， 一4 0 0 m平 面及 l 勘探线剖 面进 行了应 力场 的反 演计算，取得 了较好的计算结果。固篇幅有限，本文不一 一 列出计算过程及计算结果，仅选取 1勘探 线剖面对计算过程及部分计算结果 向读者作 一 个概略介绍 。 6 ． 1 反演计算方法 6 ． 1 ． 1 反演计算的主要条件 反演计算的主要条件有两个一是现场 实测的愿岩应力大小和方向，且测点数量要 ≥ 2}是计算平面内岩性分布及岩石的弹 性 常数。 6 ． 1 ． 2 建立力学模型 首先圈定计算域，计算域的范围主要取 决于研究体的范 围， 就 安 庆 铜 矿 而 盲， 一 4 0 0 ～ 一2 8 0 m之间未来的采掘范围将 作为 计算要考虑的范畴。在反演计算的力学模型 中将底边沿y 方向约束，左边 界 抬x方 向约 束，上边界和右边界为 自由边界 6 ． 1 ． 0 划分有 限单元 根据计算域的地质界线与岩石力学性质 分界线，划分 四角单元 或三角单元，单元 数 目与划分疏密视计算机容量及工程要求的精 确度而定。在 l勘探线剖面上 选 取 了 一个 3 0 0 m 2 0 0 m的矩形作为计算域，并 将 其离 散 成1 8 0 个单元。 6 ． i ． 4 求解边界条件 边界上的力可分解成正 向面力和切向面 力。目前人们普遍将这种正 向和切向边界力 按均匀分布来处理，事实上，这与实际情况 是不相符的。笔者认为，具体分布形式的确 定要根据计算域内已知的实测应力分量尽最 大限度求出完善的边界力分布 。一般而论， 边界力分布是任意的，它们分别是横 向和纵 自坐 标的 任意次方函 数。 上 述边界条件是一个无 限逼近的 解，也 就是说可确定的待定常数越多，边界条件的 解就越接近实际情况。对 1勘探臻剖面，可 以投影得到 4个测点l 2 个应力分量已知值， 所以边界条件可以按二次分布来处理。待定 常数则通过求取应力灵敏系数的 办 法 来 计 算。即在众多的待定常数中，先 令某一参数 为 1 ，其余各参数为0 ，然后用有限 元 法计 算各应力测点所在单元的应 力 分 量 d i j ， 我们称这些应力分量为应力灵敏系数。如此 求解每个待定参数对应的应力灵敏系数。 若用 a j 代表j 点处的应力实 舔 值，每一个 实渊应力分量对应有一个方程，当方程数大 子待定常数的个数时，刘用最J bz ． 乘法来求 辫这 些方程 。 ． 6 ． 1 ． 5 区域原岩应力场的反演计算 将反演的边界条件联合作用 于 力 学 模 型，用有限元法求解区域内各点 的 应 力 分 布 。 6 ． 2 实测值与反演值的比较 反演值是否合理 是否具有实用价值， 首先最有效的翔断是和实测值进行 比较。表 3 是 1勘探线剖面上l 一4 号点的实涮值和反 裹0 1 勘探线应力值的比较MP a 蔼点号 实铡值 反演值 l 2- l 0． 2 9一 O． 51 1 3． 1 O 9． 31一 o． 55 9 4 9 T- 2 6 O． 52 9． 们7． ∞一 0． 0 4 1 6- 2 1 5- 8 0． 日6 1 2． 98 5． T 6一 o． 52 e． 5 3 l 2- 4 g O． 64 l 2． 50 l 2． 0 一 1． 4 8 ‘ _ _ q● - ● ● ⋯～～⋯～一一 一- 一 一 l 9一 安庆 铜矿 的地应 力 涮置 与研 究 张 于海 邮编 j o ,J b 3 8 维普资讯 口 一 岩石破碎技术发展趋势 ／ ， 蝻耻 【 摘要 】舟绍了当 夸发展中的岩石破碎新方祛 原理． 水射流．镦披荨新技术的 使用状 以及劈岩 机 世垫 螳璧 宣垫 关键 词 t 破 岩 方 法 墨 堕世垫 壁 量 璧 量垫 壁 、形 彳 l 破岩方法概述 传统 的破岩 方法主要为机械 钻孔法和常 规爆破法 随着科学的发展，破岩方法也 日 益增多，从机械能分有超声波 、水射流、 射 弹冲击波 、水 电效应 、火花放 电等方 法 。 从热能 角度分 有 常规火 焰喷射 法 火 钴 、表面热射法、等离子体法。从 电子束法 分有聚焦 电子束、脉冲电子束、高能加速 器、激光法 、红外线法。从热熔法分有 电 能、核能、内热核法、微波法。其中发展较 快，并有一 定发展 前途 的是水 射流、劈岩机 等。而等离子体破岩 ，电子束破岩、激光破 岩 等方 法，虽然能量太 ，能蛩使 用集 中，方 法先进，但单位体积能耗太大，不经济。目 前 还没有在采矿中得到进 一步运 用的趋势， 现将在采矿中有发展趋势的破岩新方法作简 单 介绍。 2 水射流劈岩 的应用 美国科罗拉多矿业学院和双城研究中心 设计的高压水射流压力可达6 8 ． 9 MP a ，若掺 入磨蚀剂， 其细小 颗粒冲击 压力超过 6 8 ． 9 MP a 。用压力为6 8 , 9 MP a 的含磨蚀剂的高压 水射流，可穿过抗压强度5 0 2 MP a 的石英岩 。 目前，美 国已成 功地 用高压水切割钢材和 各 演值 的比耪 隋况 。从袁 中可 以看出， 实测与 反演值基本吻合，虽有一定误差，但这种误 差在 工程应 用中是允许的 。这 也说 明文 中介 绍的 方法是 可行的。 ．7结语 1安庆矿区的原岩应力场在量级、 方向上 主要 受区域地质构 造控 制。最大主应 力在 一2 8 0 m平面 近于东西 向， 与水 平 面呈 小 角度相交 ， 在 一,l O O m平面有 了一定 变 化， 以北东～南西 向为主，与水平 面的 交角也有 所 增加 ，最大主应 力的 量级在l 2 ～ l 8 MP a 之 间，属 中等级 别的 应力区。 2文 中介绍 的解除应变的取舍及 解 除岩芯 的弹性常数的求 敢方法可 以充分 利用 实测原始数据， 有助 于消 除人 为误 差，从而 使应力测值更加真实。 3 区域 原岩应 力场的反演计 算 可 以 定量给出一定范 围内二维原岩应 力的量值和 方向，其意义在于可 以 弥 补 测 点 不 足 的 缺。但在计算中仍有许多问题 急 待 补 充完 善，如边界条件的处理。文中给出了边界条 件的一般表达式，在理论上完善了边界条件 的 处理方法，并在 一2 8 0 m平面与 l勘 探 线 剖 面的计 算中得到较好运用 。 4 由于地应力的 分布 具有较大的 离 散性 ，所 以 目前的研究成果应用 具有相 当的 局限性，在进行深部开采时应继续进行地应 力的测量与研究。 参考文献 略 有 色矿 山 ～l 9 ． 8 维普资讯