饒運章 ,羅 歡,吳國興

(江西理工大學,江西贛州 341000)

套孔應(yīng)力解除法在良山鐵礦的應(yīng)用

饒運章 ,羅 歡,吳國興

(江西理工大學,江西贛州 341000)

為了優(yōu)化良山鐵礦地下開采過程中合理的開采順序和采礦方法,地應(yīng)力測量必不可少。本文著重介紹了套孔應(yīng)力解除法中空心包體應(yīng)變計的相關(guān)測試原理和方法,并通過新余良山鐵礦地應(yīng)力測量及對測量數(shù)據(jù)進行分析,初步得到了該礦的地應(yīng)力分布規(guī)律。

地應(yīng)力測量;套孔應(yīng)力解除;空心包體應(yīng)變計

0 引言

地應(yīng)力是存于地層中的未受工程擾動的天然應(yīng)力,也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或是原巖應(yīng)力[1]。它是引起巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力,是確定工程巖體力學屬性,進行圍巖穩(wěn)定性分析,實現(xiàn)巖石工程開挖設(shè)計和決策科學化的必要前提條件。而礦山的連年開采必然會引起地應(yīng)力的重新分布,因此及時對礦山地應(yīng)力測量,更新地應(yīng)力數(shù)據(jù)從而對礦山的總體或局部布置進行修改,特別是對采空區(qū)穩(wěn)定性分析起科學的指導作用,進而保證礦山的安全生產(chǎn)。

1 概況

良山礦區(qū)位于江西中部,東經(jīng) 114°55′48″,北緯27°38′48″,屬新余市周宇鄉(xiāng)。北距浙贛鐵路新余站22 km,有公路相連。礦區(qū)北約 4 km之周宇鄉(xiāng)至浙贛鐵路約 17 km,有鐵路相連,交通甚為方便。

本區(qū)區(qū)域構(gòu)造為神山倒轉(zhuǎn)背斜控制,此背斜為礦田內(nèi)部的Ⅰ級構(gòu)造。背斜軸在新余神山一帶,軸向北東東 -南西西,向南西西傾伏;其南翼倒轉(zhuǎn),形成良山鐵礦區(qū)傾向北東的倒轉(zhuǎn)單斜構(gòu)造;北翼的東段大部為深斷裂切割破壞,掩復(fù)與新余之北的萍樂坳陷之內(nèi)。背斜的西段,分成洋元倒轉(zhuǎn)背斜及野源背斜,分別向南及南西逐漸傾沒,此背斜受后期北北西向構(gòu)造干擾,形成一系列北北西 -南南東向的倒轉(zhuǎn)皺褶及斷裂,致使礦田的構(gòu)造更加復(fù)雜。礦田的南部,西邊有山莊花崗巖基,東邊有城上花崗巖基,長軸方向呈南北方向。城上花崗巖的侵入,使良山礦區(qū)巖層變質(zhì)程度加深。

礦區(qū)位于武功山脈北麓,屬構(gòu)造侵蝕中低山和丘陵地形,山勢陡峻,地形深切,溝谷發(fā)育。最高峰良山海拔 487m;自良山而北山勢漸低,由中低山過渡到丘陵,后入新余盆地。礦區(qū)的礦層為一單礦層,作北北西 -南南東向延伸,長約 1500m,傾向北東,傾角 10°～15°,向北北西傾伏,傾伏角 15°～20°,礦層向南東揚起;由于受地形切割的影響,在 20線以東至 10線,礦層沿傾向出露,在 10線以東則呈東西向分布,基本上傾向北。礦層沿傾斜方向延伸約1400m,最大的約 1800m(4線)。礦層的傾角一般淺部較陡 (10°～15°),深部較緩 (5°～10°)。礦層埋藏深度呈階梯狀向北東逐漸加大。

2 套孔應(yīng)力解除法測量地應(yīng)力原理及其操作步驟

應(yīng)力解除法是發(fā)展較為成熟的一種地應(yīng)力測量技術(shù),也是能夠比較準確地和定量地測量地應(yīng)力的唯一方法[2]。全應(yīng)力解除法是使測點巖體完全脫離地應(yīng)力作用的方法。其工作原理是:具有初始應(yīng)力的巖體用人為的方法解除其地應(yīng)力,使巖體變形恢復(fù),再通過某種手段測出巖體恢復(fù)的變形,然后按彈性理論計算出巖體 3個主應(yīng)力的大小、方向和傾角[3]。

套芯應(yīng)力解除法的過程是:在需要測量應(yīng)力的地方,打一個 ?130mm的鉆孔,至一定深度時,把孔底磨平,再打一個喇叭孔(起導正作用),在大孔中心鉆一個 ?36mm的同心測量小孔,測量孔的深度約為40cm,然后在測孔中安裝測量探頭,探頭引線與孔外測量儀器相接,測得初始值。如果是進行相對值測量,設(shè)備安裝工作就此結(jié)束,此后間隔一段時間再測探頭的數(shù)值,就可測出應(yīng)力隨時間的變化情況。

絕對應(yīng)力測量是在測量小孔外,再用 ?130mm口徑的鉆頭同心鉆進,開挖應(yīng)力解除槽,在鉆進過程中,導線從鉆桿中心穿過,由水節(jié)頭處引出與測量儀器相連,監(jiān)視解除過程中的變化,隨著應(yīng)力解除槽的加深,巖芯逐漸與外界應(yīng)力場相隔離,巖芯發(fā)生彈性恢復(fù),儀器測值隨著發(fā)生變化,直至儀器讀數(shù)不再變化時,停止鉆進,取出巖芯。應(yīng)力解除槽鉆進前后儀器的讀數(shù)差值即為解除讀數(shù)值。

通常每鉆進 2cm深,儀器讀數(shù)一次,求得儀器讀數(shù)隨解除深度的變化曲線,稱為應(yīng)力解除曲線。此曲線的變化規(guī)律是判斷原始資料可靠程度的重要依據(jù)之一。

3 空心包體應(yīng)變計測量技術(shù)

空心包體應(yīng)變計是由澳大利亞聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組(CSI RO)的沃羅特尼基 (G.Worotnicki)和沃爾頓 (R.Walton)于 20世紀 70年代初期為了克服南非科學和工業(yè)研究委員會 (CSI R)孔壁應(yīng)變計在應(yīng)變花和孔壁之間接觸面小,膠結(jié)質(zhì)量差,防水性不好等方面缺點而研制出來的[4]。其突出的優(yōu)點是應(yīng)變計和孔壁在相當大的一個面積上膠結(jié)在一起,因此膠結(jié)質(zhì)量較好,而且膠結(jié)劑還可注入應(yīng)變計周圍巖體中的裂隙、缺陷,使巖石整體化,因而較易得到完整的套孔巖芯[5]。CSIRO空心包體應(yīng)變計的主體是一個用環(huán)氧樹脂制成的壁厚 3mm的空芯圓筒,其外徑為35.5mm,內(nèi)徑為 31mm。在其中間部位,即直徑 35mm處沿同一圓周等間距(120°)嵌埋著 3個電阻應(yīng)變花。每個應(yīng)變花有 4支應(yīng)變片組成,相互間隔 45°。共計有 12支應(yīng)變片,其中周向 3支(A90、B90、C90);軸向 3支(A0、B0、C0);與軸線成 45°方向 3支 (A45、B45、C45);與軸線成 135°方向 3支(A135、B135、C135)。其中,A0、B0、C0是在孔周互成 120°的三個位置獨立測量軸向應(yīng)變,A90、B90、C90是在孔周互成 120°的三個位置獨立測量周向應(yīng)變,A45、B45、C45是在孔周互成 120°的三個位置獨立測量與軸線成 45°方向應(yīng)變,A135、B135、C135是在孔周互成 120°的三個位置獨立測量與軸線成 135°方向應(yīng)變。

圖 1 空心包體應(yīng)變計構(gòu)造圖

地應(yīng)力計算方程公式[6]如下:

式中:εθ,εz,γθz分別為空心包體應(yīng)變計中所測周向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變值;ε±45°為與鉆孔軸即 z軸成 ±45°方向的應(yīng)變值。k1,k2,k3,k4為 k系數(shù),k系數(shù)不是常數(shù),它與巖石和空心包體材料的彈性模量、泊松比、鉆孔直徑、空心包體的內(nèi)外徑及應(yīng)變片的徑向有關(guān)。

k系數(shù)計算。

鄧肯.法馬 (M.E.Duncan Fama)、彭德 (M.J. Pender)給出了系數(shù)的計算公式[7],公式如下:

4 測點布置

測點布置在整個地應(yīng)力測量過程中非常關(guān)鍵,倘若測點的布置不合理,其測出的數(shù)據(jù)也沒多大的意義,結(jié)果只是勞而無功。因此對每個測點都要精心選擇,既要考慮地形地貌、斷層,節(jié)理,裂隙的分布,還得考慮人工活動如地下爆破對測量的影響。測量時要注意以下幾點:

(1)避開巷道和采場的彎、叉、拐、頂部等應(yīng)力集中區(qū);

(2)完整或盡量完整的巖體內(nèi),節(jié)理、裂隙、不發(fā)育或膠結(jié)較好,在構(gòu)造部位的選擇上,一般要遠離斷層,避開巖石破裂帶、斷裂發(fā)育帶;

(3)盡量遠離較大的開挖體,如采空區(qū),大硐室等;

(4)測點深度應(yīng)超過工程開挖所產(chǎn)生的巖體松動圈,一般為 1.5倍洞徑以上[8-9];

(5)地層要具有代表性;對所測地應(yīng)力狀態(tài)進行代表性分析,確定測值是代表局部應(yīng)力場還是代表區(qū)域應(yīng)力場[10]。

根據(jù)以上原則結(jié)合礦山的具體實際情況,在新余良山鐵礦的良山礦區(qū) 117中段,240中段和太平礦區(qū) 114中段共進行了 3組的地應(yīng)力解除測試,測點布置為,117水平測點坐標 (3059559.87, 38591620.50,117),埋深 123.07m;240水平測點坐標 (3059956.10,38591818.06,240),埋深 182.27m; 114水平測點坐標 (3059976.04,38591170.83, 114),埋深 54.68m。

5 應(yīng)變測量結(jié)果

根據(jù)各個測點的實測應(yīng)變數(shù)值整理出各個測點的各個方向應(yīng)變計的最終穩(wěn)定應(yīng)變值如下:

表 1 各測點用于計算地應(yīng)力計算的應(yīng)變數(shù)據(jù) (10-6m)

由于空心包體應(yīng)變計采用電阻應(yīng)變片作為傳感元件,并對溫度的變化較為敏感,且溫度的變化對測量結(jié)果不可忽視,所以實測過程中必須引起注意,并采用相關(guān)措施消除溫度影響。本次測量采用蔡美峰教授的溫度補償措施[11]。

6 地應(yīng)力計算結(jié)果

使用三維地應(yīng)力計算程序分別計算出各測點的地應(yīng)力主應(yīng)力的大小和方向。計算結(jié)果分別示于表2,表3。

表 2 各測點應(yīng)力分量計算結(jié)果

表 3 各測點主應(yīng)力計算結(jié)果

7 結(jié)論

(1)由礦區(qū)斷裂構(gòu)造分析可知,良山礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力是復(fù)雜多變的。該礦區(qū)的地應(yīng)力場在歷史上是變化的,是早期的地質(zhì)構(gòu)造不斷被較晚期的地質(zhì)構(gòu)造所改造、疊加、繼承和演化的結(jié)果,不能簡單的歸于某個構(gòu)造運動的應(yīng)力場。由于良山礦區(qū) 117中段與 240中段相隔較遠,而且其上覆圍巖的厚度相差很大,故它們地應(yīng)力特征有很大的區(qū)別。

(2)良山礦區(qū)二個測點的實測最大主應(yīng)力為水平,數(shù)值為 7.61MPa和 11.63 MPa,方向為 175.80°和 183.31°,傾角為 -0.26°和 0.48°,表明該礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力占主導地位。太平礦區(qū)實測最大主應(yīng)力為水平,數(shù)值為 4.56MPa,方向 117.44°,傾角 2.7°。

(3)良山礦區(qū)二個測點的最小水平主應(yīng)力數(shù)值為3.18MPa和 5.18MPa,方向為94.29°和 265.89°,傾角為 -6°和 -63.72°。太平礦區(qū)最小水平主應(yīng)力數(shù)值為 1.78MPa,方向為 90.82°,傾角為 -51.31°。

(4)117中段的中間主應(yīng)力的傾角為 83.26°,近似于豎直方向,基本接近上覆巖體自重應(yīng)力。

REFERENCES

[1] 蔡美峰.巖石力學與工程 [M].北京:科學出版社,2000.

[2] 蔡美峰.地應(yīng)力測量原理和方法的評述[J].巖石力學與工程學報,1993,12(3):275-282.

[3] 李通林,譚學術(shù).礦山巖石力學[M].重慶:重慶大學出版社, 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] 邱賢德,姜永東,盧黎,張?zhí)m.套孔應(yīng)力解除法在危巖邊坡地應(yīng)力測量中的應(yīng)用[J].重慶大學學報 (自然科學版)2004,27 (11):97-99.

[6] 蔡美峰.喬蘭,于勁波.空心包體應(yīng)力計測量精度問題[J].巖土工程學報,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,張延新.平頂山煤業(yè)(集團)公司一礦地應(yīng)力測量及分析[J].焦作工學院學報(自然科學版),2002,21(1):15-17.

[9] 王雙紅,蔡美峰,苗勝軍,歐陽振華.三山島金礦地應(yīng)力場測量及結(jié)果分析[J].中國礦業(yè),2003,12(10):45-47.

[10] 譚成軒,孫葉,王連捷.地應(yīng)力測量值得注意的若干問題[J].地質(zhì)力學學報,2003,9(3):275-280.

[11] 蔡美峰.地應(yīng)力測量原理和技術(shù)[M].北京:科學出版社, 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

饒運章(1963-),男,江西會昌人,博士,教授,從事采礦工程與環(huán)境巖土工程方面的教學、科研工作。E-mail:Raoyunzhang@sohu.com