巖石力學與工程課(蔡美峰)

1、北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING采礦理論與技術新進展采礦理論與技術新進展地應力測量與采礦設計優(yōu)化地應力測量與采礦設計優(yōu)化北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING一、地應力的基本概念及地應力測量的重要性一、地應力的基本概念及地應力測量的重要性二、地應力場測量的基本原理和主要方法二、地應力場測量的基本原理和主要方法三、地下礦山采礦設計優(yōu)化三、地下礦山采礦設計優(yōu)化四、大型深凹露天礦邊坡設計優(yōu)化四、大型深凹露天礦邊坡設計優(yōu)化北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING

2、1、蔡美峰著。地應力測量原理和技術。科學出版社，、蔡美峰著。地應力測量原理和技術?？茖W出版社，2000年。年。2、蔡美峰著。金屬礦山采礦設計優(yōu)化與地壓控制、蔡美峰著。金屬礦山采礦設計優(yōu)化與地壓控制-理論與實理論與實 踐。踐?？茖W出版社，科學出版社，2001年。年。3、蔡美峰主編，何滿潮、劉東燕副主編。巖石力學與工程?？啤⒉堂婪逯骶?，何滿潮、劉東燕副主編。巖石力學與工程。科學出版社，學出版社，2002年。年。 北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 第一節(jié)第一節(jié) 地應力的基本概念及地應地應力的基本概念及地應力測量的重要性力測量的重要性BASIC CO

3、NCEPTS AND IMPORTANCE OFIN-SITU STRESS MEASUREMENT第一節(jié)第一節(jié) 地應力的基本概念及地應力測量的重要性地應力的基本概念及地應力測量的重要性北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING什么是地應力？什么是地應力？ 地應力是存在于地層中的天然應力，也稱原巖應力、巖地應力是存在于地層中的天然應力，也稱原巖應力、巖體初始應力、絕對應力等。它是引起采礦、水利水電、土木體初始應力、絕對應力等。它是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路和其他各種地下或露天巖土開挖工程變形建筑、鐵道、公路和其他各種地下或露天巖土開挖工程

4、變形和破壞的根本作用力。準確的地應力資料是實現(xiàn)采礦和巖土和破壞的根本作用力。準確的地應力資料是實現(xiàn)采礦和巖土工程開挖設計和決策科學化的必要前提條件。工程開挖設計和決策科學化的必要前提條件。 北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING1.1.1地應力的成因地應力的成因n 3030多年來的實測和理論分析表明，地應力的形成主要與地球多年來的實測和理論分析表明，地應力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關，包括：的各種動力運動過程有關，包括：l 大陸板塊邊界受壓大陸板塊邊界受壓l 地幔熱對流地幔熱對流l 地球內(nèi)應力地球內(nèi)應力l 地心引力地心引力l 地球旋轉地球

5、旋轉l 巖漿侵入巖漿侵入l 地殼非均勻擴容地殼非均勻擴容 n 另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學變化另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學變化等也可引起相應的應力場。等也可引起相應的應力場。北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGn 中國大陸板塊受到印度洋板塊和太平洋板塊的推擠，同時受到了中國大陸板塊受到印度洋板塊和太平洋板塊的推擠，同時受到了西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束，產(chǎn)生水平受壓應力場。印度西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束，產(chǎn)生水平受壓應力場。印度洋板塊和太平洋板塊的移動促成了中國山脈的形成，控制了我國洋板塊和太平洋板塊

6、的移動促成了中國山脈的形成，控制了我國地震的分布。地震的分布。 中國板塊主應力跡線圖中國板塊主應力跡線圖北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING汶川大地震汶川大地震北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING龍門山斷裂帶龍門山斷裂帶北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGl 地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場，它是時間和空間地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場，它是時間和空間的函數(shù)的函數(shù)l 實測垂直應力基本等于上覆巖層的重量實測垂直應力基本等于上覆巖層的重量

7、l 水平應力普遍大于垂直應力水平應力普遍大于垂直應力l 平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小，但在不同地平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同區(qū)，變化的速度很不相同l 最大水平主應力和最小水平主應力也隨深度呈線性增長關系最大水平主應力和最小水平主應力也隨深度呈線性增長關系l 最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性強的方向性l 地應力的上述分布很會受地形、地表剝蝕、風化、巖體結構特征地應力的上述分布很會受地形、地表剝蝕、風化、巖體結構特征、巖體力學性質、溫度、地下水

8、等因素的影響，特別是地形和斷、巖體力學性質、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動影響最大層的擾動影響最大1.1.2 地應力分布的一般規(guī)律地應力分布的一般規(guī)律北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING1.2.1 地應力分布狀態(tài)的復雜性和多變性地應力分布狀態(tài)的復雜性和多變性l 構造運動和重力作用是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運構造運動和重力作用是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形成影響最大。動對地應力的形成影響最大。l 當前的應力狀態(tài)主要由最近一次的構造運動所控制，但也與歷史上的構造運當前的應力狀態(tài)主要

9、由最近一次的構造運動所控制，但也與歷史上的構造運動有關。動有關。l 億萬年來，地球經(jīng)歷了無數(shù)次大大小小的構造運動，各次構造運動的應力場億萬年來，地球經(jīng)歷了無數(shù)次大大小小的構造運動，各次構造運動的應力場也經(jīng)過多次的疊加、牽引和改造，造成了地應力狀態(tài)的復雜性和多變性。也經(jīng)過多次的疊加、牽引和改造，造成了地應力狀態(tài)的復雜性和多變性。l 即使在同一工程區(qū)域，不同點地應力的狀態(tài)也可能是很不相同的，因此，地即使在同一工程區(qū)域，不同點地應力的狀態(tài)也可能是很不相同的，因此，地應力的大小和方向不可能通過數(shù)學計算或模型分析的方法來獲得。應力的大小和方向不可能通過數(shù)學計算或模型分析的方法來獲得。l 要了解一個地區(qū)的

10、地應力狀態(tài)，唯一的方法就是進行地應力測量。要了解一個地區(qū)的地應力狀態(tài)，唯一的方法就是進行地應力測量。1.2 地應力測量的重要性地應力測量的重要性北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGl 傳統(tǒng)的采礦及其它巖土工程的開挖設計和施工是根據(jù)經(jīng)驗來進傳統(tǒng)的采礦及其它巖土工程的開挖設計和施工是根據(jù)經(jīng)驗來進行的（查手冊）。當開挖活動是在小規(guī)模范圍內(nèi)和接近地表的行的（查手冊）。當開挖活動是在小規(guī)模范圍內(nèi)和接近地表的深度上進行的時候，經(jīng)驗類比的方法往往是有效的，但是隨著深度上進行的時候，經(jīng)驗類比的方法往往是有效的，但是隨著開挖規(guī)模的不斷擴大和不斷向深部發(fā)展，經(jīng)驗類比

11、法已越來越開挖規(guī)模的不斷擴大和不斷向深部發(fā)展，經(jīng)驗類比法已越來越失去其作用。失去其作用。l 為了對各種巖土工程進行科學合理的開挖設計和施工，就必須為了對各種巖土工程進行科學合理的開挖設計和施工，就必須對影響工程穩(wěn)定性的各種因素進行充分調(diào)查。在諸多的影響巖對影響工程穩(wěn)定性的各種因素進行充分調(diào)查。在諸多的影響巖體開挖工程穩(wěn)定性的因素中，地應力狀態(tài)是最重要最根本的因體開挖工程穩(wěn)定性的因素中，地應力狀態(tài)是最重要最根本的因素之一。素之一。1.2.2 地應力對采礦工程的重要性地應力對采礦工程的重要性1.2 地應力測量的重要性地應力測量的重要性北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND E

12、NGINEERINGl 對礦山設計來說，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應力條件，才對礦山設計來說，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應力條件，才能合理確定礦山總體布置，選取適當?shù)牟傻V方法，確定巷道和能合理確定礦山總體布置，選取適當?shù)牟傻V方法，確定巷道和采場的最佳斷面形狀、斷面尺寸、開挖步驟、支護形式、支護采場的最佳斷面形狀、斷面尺寸、開挖步驟、支護形式、支護結構參數(shù)、支護時間等，從而在保證圍巖穩(wěn)定性的前提下，最結構參數(shù)、支護時間等，從而在保證圍巖穩(wěn)定性的前提下，最大限度地增加礦石產(chǎn)量，提高礦山經(jīng)濟效益，從而實現(xiàn)采礦工大限度地增加礦石產(chǎn)量，提高礦山經(jīng)濟效益，從而實現(xiàn)采礦工程的優(yōu)化。程的優(yōu)化。1.2 地應力測

13、量的重要性地應力測量的重要性北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGl 根據(jù)彈性力學理論，巷道和采場的最佳形狀主要由其斷面內(nèi)的根據(jù)彈性力學理論，巷道和采場的最佳形狀主要由其斷面內(nèi)的二個主應力的比值來決定，為了減少巷道和采場周邊的應力集二個主應力的比值來決定，為了減少巷道和采場周邊的應力集中現(xiàn)象，它們最理想的斷面形狀應是一個橢圓，而這個橢圓在中現(xiàn)象，它們最理想的斷面形狀應是一個橢圓，而這個橢圓在水平和垂直方向的兩個半軸的長度之比應與該斷面內(nèi)水平主應水平和垂直方向的兩個半軸的長度之比應與該斷面內(nèi)水平主應力和垂直主應力之比相等。在此情況下，巷道和采場周邊將

14、處力和垂直主應力之比相等。在此情況下，巷道和采場周邊將處于均勻等壓應力狀態(tài)。這是一種最穩(wěn)定的受力狀態(tài)。于均勻等壓應力狀態(tài)。這是一種最穩(wěn)定的受力狀態(tài)。vhba1.2 地應力測量的重要性地應力測量的重要性北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGl 在確定巷道和采場走向時，也應考慮地應力的狀態(tài)，最理想在確定巷道和采場走向時，也應考慮地應力的狀態(tài)，最理想的走向是與最大主應力方向相平行。的走向是與最大主應力方向相平行。1.2 地應力測量的重要性地應力測量的重要性北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGl由于采礦工程的

15、復雜性和形狀多樣性，利用理論解析的方由于采礦工程的復雜性和形狀多樣性，利用理論解析的方法進行工程穩(wěn)定性的分析和計算幾乎是不可能的。但是，法進行工程穩(wěn)定性的分析和計算幾乎是不可能的。但是，近近2020年來大型電子計算機的應用和各種數(shù)值分析方法的不年來大型電子計算機的應用和各種數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，使采礦工程成為一門可以進行定量設計計算和分斷發(fā)展，使采礦工程成為一門可以進行定量設計計算和分析的工程科學。析的工程科學。l所有的計算和分析都必須在已知地應力的前提下進行。如所有的計算和分析都必須在已知地應力的前提下進行。如果對工程區(qū)域的實際原始應力狀態(tài)一無所知，那么任何計果對工程區(qū)域的實際原始應力狀態(tài)

16、一無所知，那么任何計算和分析都將失去其應有的真實性和實用價值。算和分析都將失去其應有的真實性和實用價值。1.2 地應力測量的重要性地應力測量的重要性北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING第二節(jié)第二節(jié) 地應力測量原理與方法地應力測量原理與方法PRINCIPLES AND TECHNIQUES OF IN-SITU STRESS MEASUREMENT 第二節(jié)第二節(jié) 地應力測量原理與方法地應力測量原理與方法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGx0zyxzyzxzyxzxyyxyz2.1 概述概述u 基本原

17、理基本原理l 測量地應力就是確定存在于測量地應力就是確定存在于擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動的三維應力狀態(tài)受擾動的三維應力狀態(tài)（原巖原巖應力應力），這種測量通常，這種測量通常是是通過通過一點一點的量測來完成的。一點一點的量測來完成的。l 由于地應力狀態(tài)的復雜性和由于地應力狀態(tài)的復雜性和多變性，要比較準確地測定某多變性，要比較準確地測定某一工程區(qū)域的地應力，就必須一工程區(qū)域的地應力，就必須進行充足數(shù)量的進行充足數(shù)量的“點點”測量。測量。在此基礎上，可以借助數(shù)值分在此基礎上，可以借助數(shù)值分巖體中任一點三維應力狀態(tài)巖體中任一點三維應力狀態(tài)析和數(shù)理統(tǒng)計、灰色建模、人工智能等

18、方法，建立工程析和數(shù)理統(tǒng)計、灰色建模、人工智能等方法，建立工程區(qū)區(qū)域域的地應力場分布模型。的地應力場分布模型。北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGu 主要測量方法主要測量方法l直接測量法：直接測量法：由測量儀器直接測量和記錄各種應力量，如由測量儀器直接測量和記錄各種應力量，如補償應力、恢復應力、平衡應力，并由這些應力量和原巖應補償應力、恢復應力、平衡應力，并由這些應力量和原巖應力的相互關系，計算出原巖應力值。在計算過程中并不涉及力的相互關系，計算出原巖應力值。在計算過程中并不涉及不同物理量的換算，不需要知道巖石的物理力學性質和應力不同物理量的換算

19、，不需要知道巖石的物理力學性質和應力應變關系。應變關系。l 間接測量法：間接測量法：不是直接測量應力值，而是測量巖體中某些不是直接測量應力值，而是測量巖體中某些與應力有關的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應變，與應力有關的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應變，彈性波傳播速度的變化等，然后由測得的間接物理量的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式計算出巖體中的應力值。為了計算應力值，通過已知的公式計算出巖體中的應力值。為了計算應力值，首先必須確定巖體的某些物理力學性質以及所測物理量和應首先必須確定巖體的某些物理力學性質以及所測物理量和應力的相互關系。力的相

20、互關系。2.1 概述概述北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING直接測量法直接測量法l 扁千斤頂法扁千斤頂法 （Flat jack）l 剛性包體應力計法剛性包體應力計法 （Stiff inclusion stress meter）l 水壓致裂法水壓致裂法 （Hydraulic fracturing technique）l 聲發(fā)射法聲發(fā)射法 （Acoustic emission technique）2.1 概述概述北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING間接測量法間接測量法l 套孔應力解除法套孔應力解除法 （

21、 Stress relief by overcoring technique ）l 局部應力解除法局部應力解除法 （Local stress relief technique）l 松弛應變測量法松弛應變測量法 （Relaxation strain measurement）l 孔壁崩落測量法孔壁崩落測量法 （Borehole break out measurement）l 地球物理探測法地球物理探測法 （Geophysical technique）2.1 概述概述北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2.2 水壓致裂法水壓致裂法 u測量原理測量原理l

22、 發(fā)展歷史發(fā)展歷史l 彈性力學基本理論彈性力學基本理論 孔邊應力分布：孔邊應力分布：122121-3為極小值時，002cos)(2r(1)北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2.2 水壓致裂法水壓致裂法 u基本假設基本假設l垂直方向是一個主應力方向，其值等于自重力垂直方向是一個主應力方向，其值等于自重力l巖體線性、均質、各向同性巖體線性、均質、各向同性l滲透符合達西定律滲透符合達西定律rHv(2)北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGu測量步驟測量步驟(1) 鉆孔（地質勘探）、鉆孔（地質勘探）、 選段

23、（完整）、選段（完整）、 封隔（氣或液）；封隔（氣或液）； 直徑：直徑：3838、5151、 76 76、110110、 130 130；2.2 水壓致裂法水壓致裂法 北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING(2)加水壓將孔壁壓裂加水壓將孔壁壓裂 (Fracture initial pressure) (3) (3)關閉加壓系統(tǒng)關閉加壓系統(tǒng) (shut-in pressure) (4)由由(3)和和(4)可求出可求出 1和和 2，但需要知道但需要知道T。0123PTPi2sP2.2 水壓致裂法水壓致裂法 北京科技大學北京科技大學ROCK MECHAN

24、ICS AND ENGINEERING(4) 重新加壓使裂隙張開重新加壓使裂隙張開(Fracture re-opening pressure) (5)由由(3)，(4)即可求出即可求出 1， 2，不需要知道，不需要知道T。(5) 關閉加壓系統(tǒng)，再次關閉加壓系統(tǒng)，再次測得測得Ps值。值。(6) 將封隔器完全卸壓，將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設備連同加壓管等全部設備從鉆孔中取出。從鉆孔中取出。0123PPr2.2 水壓致裂法水壓致裂法 北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING(7) 測量水壓致裂裂隙的方位。測量水壓致裂裂隙的方位。l 采用井下攝影機

25、、井下電視、井下光學望遠鏡或印模器。采用井下攝影機、井下電視、井下光學望遠鏡或印模器。l 印模器簡便實用。將印模器連同加壓管路一起送入井下的印模器簡便實用。將印模器連同加壓管路一起送入井下的水壓致裂部位，然后將印模加壓膨脹，鉆孔上的裂隙均即水壓致裂部位，然后將印模加壓膨脹，鉆孔上的裂隙均即可印在印模器上。印模器裝有定向系統(tǒng)，可確定裂隙的方可印在印模器上。印模器裝有定向系統(tǒng)，可確定裂隙的方位。位。 最后，測點（即試驗段）水平面內(nèi)的二個主應力最后，測點（即試驗段）水平面內(nèi)的二個主應力1和和2的大小和方向確定了。再加上垂直方向主應力的大小和方向確定了。再加上垂直方向主應力v的大小也的大小也已知，測點

26、的三維應力狀態(tài)（三個主應力的大小和方向）已知，測點的三維應力狀態(tài)（三個主應力的大小和方向）就確定了。就確定了。2.2 水壓致裂法水壓致裂法 北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING水壓致裂法的優(yōu)缺點：水壓致裂法的優(yōu)缺點：l 優(yōu)點：優(yōu)點：能測深部地應力能測深部地應力適用于采礦和巖土工程前期地應力評估適用于采礦和巖土工程前期地應力評估l 缺點：缺點：主應力方向是假設的主應力方向是假設的在多節(jié)理、裂隙巖體中適用性差。在多節(jié)理、裂隙巖體中適用性差。2.2 水壓致裂法水壓致裂法 北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERIN

27、G2.2 套孔應力解除法套孔應力解除法u 測量原理測量原理 在應力場作用下，巖體在應力場作用下，巖體產(chǎn)生變形。如果將巖體中產(chǎn)生變形。如果將巖體中的一部分與周圍巖體分離，的一部分與周圍巖體分離，使其脫離應力場作用（實使其脫離應力場作用（實現(xiàn)應力解除），這部分巖現(xiàn)應力解除），這部分巖體中的變形將恢復，測量體中的變形將恢復，測量出這部分恢復應變，即可出這部分恢復應變，即可計算出作用在巖體上的地計算出作用在巖體上的地應力的大小和方向。應力的大小和方向。北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法u測量步驟測量步驟1) 從巖體表

28、面從巖體表面(地下巷道、隧道、地下巷道、隧道、峒室等表面峒室等表面)向巖體內(nèi)部打孔，向巖體內(nèi)部打孔，直至需要測量巖體應力的部位。直至需要測量巖體應力的部位。大孔直徑大孔直徑130mm。大孔深度為。大孔深度為巷道、隧道或開挖峒室跨度的巷道、隧道或開挖峒室跨度的3倍以上，從而保證測點是未受倍以上，從而保證測點是未受巖體開挖擾動的原巖應力區(qū)。巖體開挖擾動的原巖應力區(qū)。為了便于下一步安裝測試探頭，為了便于下一步安裝測試探頭，大孔要保持一定的同心度，盡大孔要保持一定的同心度，盡量打直。量打直。 應應變變計計探探頭頭 套套芯芯大大孔孔 安安裝裝小小孔孔 套套孔孔巖巖芯芯 (d) (c) (b) (a) 北

29、京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2) 從大孔底打同心小孔，供安裝探頭用，小孔直徑為從大孔底打同心小孔，供安裝探頭用，小孔直徑為3638mm。小孔深度一般為孔徑的。小孔深度一般為孔徑的10倍左右，從而保證小孔倍左右，從而保證小孔中央部位處于平面應變狀態(tài)。中央部位處于平面應變狀態(tài)。3) 用一套專用裝置將測量探頭安裝用一套專用裝置將測量探頭安裝(固定或膠結固定或膠結)到小孔的到小孔的適當位置。適當位置。4) 用第一步打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，從而使小用第一步打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，從而使小孔周圍巖芯實現(xiàn)應力解除。由于應力解除引起的小孔變

30、形孔周圍巖芯實現(xiàn)應力解除。由于應力解除引起的小孔變形或應變由包括測試探頭在內(nèi)的量測系統(tǒng)測定并記錄下來。或應變由包括測試探頭在內(nèi)的量測系統(tǒng)測定并記錄下來。5) 根據(jù)測得的小孔變形或應變通過有關公式即可求出小孔根據(jù)測得的小孔變形或應變通過有關公式即可求出小孔周圍巖體中的原巖應力狀態(tài)。周圍巖體中的原巖應力狀態(tài)。2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGu套孔應力解除法主要測量方法套孔應力解除法主要測量方法l 孔徑變形測量法孔徑變形測量法(Borehole diametral deformation measurement)

31、l 孔底應變測量法孔底應變測量法(Borehole end strain measurement)l 孔壁應變測量法孔壁應變測量法(Borehole wall strain measurement)l 空心包體應變測量法空心包體應變測量法(Hollow inclusion strain measurement)l 實心包體應變測量法實心包體應變測量法(Solid inclusion strain measurement)2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGu孔壁應變測量應力計算原理孔壁應變測量應力計算原理三軸孔

32、壁應變計三軸孔壁應變計2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING1) 鉆孔圍巖應力分布公式鉆孔圍巖應力分布公式三維鉆孔圍巖應力分布狀態(tài)圖三維鉆孔圍巖應力分布狀態(tài)圖2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 一個無限體中的鉆孔，受到無窮遠處的三維應力場一個無限體中的鉆孔，受到無窮遠處的三維應力場( x, y, z, xy, yz, zx)的作用時，孔邊圍巖應力分布公式為：的作用時，孔邊圍巖應力分布公式為：2cos)31 (2)1 (24422

33、22rararayxyxr2sin)341 (4422raraxy2cos)31 (2)1 (24422rarayxyx2sin)31 (44raxyzxyyxzrarav2sin42cos22222(6)(7)(8)2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2cos3212sin321244224422rarararaxyyxr221cossinrayzzxz221sincosrayzzxrz(9)(10)(11)注意：注意：在上述公式中，原巖應力采用的是直角坐標系，孔邊的圍在上述公式中，原巖應力采用的是直角坐標系

34、，孔邊的圍巖應力狀態(tài)采用柱坐標系；巖應力狀態(tài)采用柱坐標系；柱坐標系的柱坐標系的z z軸和直角坐標系的軸和直角坐標系的z z軸相一致，柱坐標系的軸相一致，柱坐標系的 角角從從x x軸逆時針旋轉計數(shù)為正；軸逆時針旋轉計數(shù)為正； z z為原巖應力分量，而為原巖應力分量，而 z z為受開挖影響的孔邊圍巖中任一為受開挖影響的孔邊圍巖中任一點點z z軸方向的應力分量。當軸方向的應力分量。當r r時時, , z z= = z z 。2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2)孔壁應變和孔壁應力之間的關系式孔壁應變和孔壁應力之間的

35、關系式 電阻應變花的受力狀態(tài)電阻應變花的受力狀態(tài)2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING孔壁為平面應力狀態(tài)，只有孔壁為平面應力狀態(tài)，只有 ， z， z三個應力分量，三個應力分量，每個電阻應變花的每個電阻應變花的4支應變片所測應變值支應變片所測應變值 ， z， 45， -45 即（即（ 135 ）和它們的關系式為）和它們的關系式為 1zE1zzEzzzzG22454500(12)(13)(14)2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING3)

36、 孔壁應變和三維原巖應力分量孔壁應變和三維原巖應力分量( x， y， z， xy， yz， zx)之之間的關系式間的關系式 將將 ， z， z轉變成原巖應力分量轉變成原巖應力分量 x， y， z， xy， yz， zx的表達式，可得到下列方程的表達式，可得到下列方程12 12222Exyxyxyzcossin zzxyE145012zzsincos14zxyzzE(15)(16)(17)(18)2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 這就是根據(jù)應力解除過程中測得孔壁應變值計算原巖這就是根據(jù)應力解除過程中測得孔壁應

37、變值計算原巖應力的公式。從應力的公式。從6個應力分量即可以算出測點三個主應力個應力分量即可以算出測點三個主應力加大小和方向。加大小和方向。 每組應變花的測量結果可得到每組應變花的測量結果可得到4個方程，三組應變花共個方程，三組應變花共得到得到12個方程，其中至少有個方程，其中至少有6個獨立方程，因此可求解出個獨立方程，因此可求解出原巖應力的原巖應力的6個分量（個分量（ x， y， z， xy， yz， zx）。）。2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING4) 孔壁應變計圍壓試驗結果計算測點巖石彈性模量和泊松孔壁應變

38、計圍壓試驗結果計算測點巖石彈性模量和泊松比的公式比的公式22202rRRPEz(19)(20)式中：式中：P0為圍壓值；為圍壓值；E，v分別為巖石的彈性模量和泊松比；分別為巖石的彈性模量和泊松比； ， z分別為圍壓引起的平均周向應變和平均軸向應變。分別為圍壓引起的平均周向應變和平均軸向應變。2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING空心包體應變測量空心包體應變測量1) 測量原理：測量原理：空心包體應變計的主體是一個外徑空心包體應變計的主體是一個外徑37mm，壁，壁厚厚2mm的空心圓筒，三組和孔壁應變計類似的應變花嵌貼

39、在的空心圓筒，三組和孔壁應變計類似的應變花嵌貼在筒壁的中間。筒壁的中間。2) 空心包體應變計算地應力的方式空心包體應變計算地應力的方式12 12221224Ekkkxyyxxyzcossin zzxyE1 zyzzxEk413cossin)(2145zz(21)(22)(23)(24)2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERINGl 空心包體應變計應變數(shù)據(jù)計算地應力的公式和孔壁應變計空心包體應變計應變數(shù)據(jù)計算地應力的公式和孔壁應變計具有幾乎相同的形式。具有幾乎相同的形式。l 多了多了4個修正系數(shù)個修正系數(shù)k1，k2，k3

40、，k4(統(tǒng)稱統(tǒng)稱k系數(shù)系數(shù))，用以修正由，用以修正由于在空心包體應變計中，應變片不是直接粘貼在孔壁上，于在空心包體應變計中，應變片不是直接粘貼在孔壁上，而是與孔壁有而是與孔壁有1mm左右的距離，因而其測出的應變值和孔左右的距離，因而其測出的應變值和孔壁應變計測出的應變值是有區(qū)別的。壁應變計測出的應變值是有區(qū)別的。l k系數(shù)是與巖石和空心包體材料的彈性模量、泊松比、空系數(shù)是與巖石和空心包體材料的彈性模量、泊松比、空心包體的幾何形狀、鉆孔半徑等有關的變數(shù)。對于每一次心包體的幾何形狀、鉆孔半徑等有關的變數(shù)。對于每一次應力解除試驗，都必須具體計算該測點的應力解除試驗，都必須具體計算該測點的k系數(shù)值。系

41、數(shù)值。l k系數(shù)的計算公式教材系數(shù)的計算公式教材巖石力學與工程巖石力學與工程（蔡美峰主編（蔡美峰主編，何滿潮、劉東燕副主編）第，何滿潮、劉東燕副主編）第170頁。頁。2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING3) 空心包體圍壓試驗計算測點巖石彈性模量和泊松比的空心包體圍壓試驗計算測點巖石彈性模量和泊松比的公式公式 和空壁應變計的圍壓試驗計算公式也基本相同，但在和空壁應變計的圍壓試驗計算公式也基本相同，但在公式公式(4-25)式中多了一個式中多了一個K1，它是由蔡美峰推導出來的。，它是由蔡美峰推導出來的。222012r

42、RRPKEz(25)(26)2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING4) 空心包體應變計優(yōu)點空心包體應變計優(yōu)點l應變計和孔壁在相當大的一個面積上膠結在一起，因此膠應變計和孔壁在相當大的一個面積上膠結在一起，因此膠結質量較好。結質量較好。l膠結劑還可注入應變計周圍巖體中的裂隙、缺陷，使巖石膠結劑還可注入應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。整體化，因而較易得到完整的套孔巖芯。l可用于中等破碎和松軟的巖體中，且有較好的防水性能?？捎糜谥械绕扑楹退绍浀膸r體中，且有較好的防水性能。 目前空

43、心包體應變計已成為世界上最廣泛采用的一種地目前空心包體應變計已成為世界上最廣泛采用的一種地應力解除測量儀器。應力解除測量儀器。 5) 北京科技大學蔡美峰教授等發(fā)明了北京科技大學蔡美峰教授等發(fā)明了“實現(xiàn)完全溫度補償實現(xiàn)完全溫度補償并考慮巖體非線性的地應力解除測量技術并考慮巖體非線性的地應力解除測量技術”，使地應力測量，使地應力測量的可靠性和精度大幅度提高。的可靠性和精度大幅度提高。2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2.3 套孔應力解除法套孔應力解除法北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND

44、ENGINEERING2.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果測點號深度(m)最大主應力1中間主應力2最小主應力3數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )120511.45307.1-17.65.69286.371.34.0335.16.2220511.54270.04.36.77181.5-19.05.72347.8-70.4320511.27218.910.25.68220.2-79.83.98129-0.2423514.62237.69.210.17329.913.95.63295.1-73.2523513.691

45、28.7-7.86.83131.382.25.0638.80.3623512.99301.9-0.66.14208.2-81.35.00212.08.7723513.60311.0-1.48.93220.7-10.46.85228.879.5823512.58280.0-13.27.85187.3-11.16.92238.572.6923512.80127.1-7.27.4135.9-9.75.8972.478.01031018.39123.1-1.611.65213.2-3.310.73187.786.41131018.50285.5-17.78.8980.8-70.67.0513.07.6

46、1231020.73109.9-0.49.00201.9-79.17.01199.810.91331016.3282.93.29.1913-80.77.99172.4-8.71441029.62308.9-5.313.77193.2-78.011.98219.910.71541031.49148.4-6.914.13267.7-76.011.08236.912.01641031.55327.211.7713.89219-79.111.77237.810.31741025.9890.7-4.511.54106.785.35.780.81.3北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS A

47、ND ENGINEERING Hh0679. 059. 1max,Hh0260. 017. 0min,Hv0358. 053. 12.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING線線值隨深度的統(tǒng)一回歸曲值隨深度的統(tǒng)一回歸曲和和vminh,maxh,、2.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING表表2 峨口鐵礦水壓致裂法各測點主應力計算結果峨口鐵礦水壓致裂法各測點主應力計算結果max,hmin,hv鉆孔號鉆孔號深度深度

48、(m)數(shù)值（數(shù)值（MPa）方向方向( )數(shù)值（數(shù)值（MPa）方向方向( )（MPa）H1118.013.31606.4703.4H2133.4814.01636.5733.8H399.1413.3-7.2-2.8H4151.2518.51719.1814.3H5110.9213.21526.8623.22.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING表表3 峨口鐵礦應力解除法各測點主應力計算結果峨口鐵礦應力解除法各測點主應力計算結果測點號最大主應力1中間主應力2最小主應力3數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )

49、數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )B123.10359.9-2.09.41331.487.77.6489.91.1B223.11170.0-0.510.72260.2-15.58.25258.174.5B322.96183.20.810.9790.574.38.8593.4-15.6B419.34153.1-0.38.9963.0-12.08.5764.678.02.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING)(440. 0280. 0170. 013. 0max,MPa

50、zyxh 式中：式中：分別為最大水平主應力、最小水平主應力分別為最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力；和垂直主應力；為區(qū)域坐標，為區(qū)域坐標，Z為埋深為埋深)(118. 0205. 0148. 003. 0min,MPazyxh)(332. 0016. 0008. 002. 0MPazyxvvminh,maxh,和和YXZzYyXx,;10/,100/,100/2.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING測點號深度(m)最大主應力1中間主應力2最小主應力3數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )數(shù)值(MP

51、a)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )12109.46228.12.04.36318.511.73.04308.6-78.1221811.47359.5-4.55.61270.39.94.8065.279.1321011.79140.2-5.75.8648.9-13.15.0373.275.7434220.19107.3-3.19.79114.786.97.4817.30.4536016.16345.5-0.310.28211.3-89.57.59255.50.3635020.32195.912.611.79287.36.29.5743.076.0735018.37335.

52、1-4.59.57307.285.26.9264.92.4841821.50313.7-3.312.32193.3-83.511.56224.15.6表表4 梅山鐵礦各測點主應力計算結果梅山鐵礦各測點主應力計算結果2.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING地應力場分布模型（線性回歸）：地應力場分布模型（線性回歸）：（MPa） （13）（MPa） （14） （MPa） （15）Hh051. 014. 0max,Hh025. 019. 0min,Hv028. 009. 02.4 五個礦山地應力測量結果五個

53、礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING圖圖4 梅山鐵礦梅山鐵礦 與深度的關系與深度的關系 vminh,maxh, 和和2.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING測點號深度(m)最大主應力1中間主應力2最小主應力3數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )155031.1833.86.313.74280.974.110.88305.4-14.5255024.881.915.513.

54、59271.32.112.96353.6-74.4355028.0835.25.014.2888.7-82.711.59305.8-6.7455028.4436.62.213.34299.472.99.44307.2-16.9570036.95176.7-8.817.552.6-81.113.0986.80.9670037.8618.21.416.79130.686.212.22108.2-3.5770034.68348.0-5.117.34238.8-74.913.48259.214.2870031.6413.23.818.6879.9-80.511.59283.8-8.7976040.55

55、160.6-1.920.550.3-84.316.7570.60.71076037.26226.014.618.19204.274.517.66314.6-5.62.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING地應力場分布模型（線性回歸）：地應力場分布模型（線性回歸）：（MPa） （16）（MPa） （17）（Mpa） （18） Hh0507. 0098. 0max,Hh0209. 0015. 0min,Hv0254. 0208. 02.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大

56、學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING圖圖5 金川鎳礦金川鎳礦 與深度的關系與深度的關系 vminh,maxh,和和2.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING表表6 6 玲瓏金礦各測點主應力計算結果玲瓏金礦各測點主應力計算結果測點號深度(m)最大主應力1中間主應力2最小主應力3數(shù)值(Mpa)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )數(shù)值(MPa)方向( )傾角( )125017.6352.64.78.62321.97.77.58353.6-81.0225014.06

57、287.7-14.47.6319.4-6.66.63133.5-74.1329015.58141.4-3.08.2824.5-83.36.8451.85.9429017.51294.8-0.19.3726.3-84.37.2624.85.7529017.68280.3-13.59.25322.872.06.61193.211.7629020.45343.5-6.48.3675.3-15.17.7551.273.5729019.7491.3-2.110.09171.977.18.581.812.7837023.43138.2-9.312.6912.7-74.210.1350.312.693702

58、1.32103.6-12.010.68237.4-72.98.20103.6-12.01041025.77255.72.610.73155.475.610.18166.4-14.11141025.55218.02.111.51118.877.18.64128.5-12.71257032.5392.2-3.815.54199.0-77.013.21181.412.42.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING地應力場分布模型（線性回歸）：地應力場分布模型（線性回歸）： （MPa） （19）（MPa） （2

59、0） （MPa） （21）Hh0559.072.0max,Hh0234. 080. 0min,Hv0280.032.02.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING圖圖6 玲瓏金礦玲瓏金礦 與深度的關系與深度的關系vminh,maxh,和和2.4 五個礦山地應力測量結果五個礦山地應力測量結果北京科技大學北京科技大學ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 五個礦山地應力場分布規(guī)律性分析五個礦山地應力場分布規(guī)律性分析 1 1）五個礦山的地應力分布狀態(tài)基本相同，即在三個主應）五個礦山的地應

60、力分布狀態(tài)基本相同，即在三個主應力中，均有二個接近于水平方向，另一個接近于垂直方向。力中，均有二個接近于水平方向，另一個接近于垂直方向。 2 2）五個礦山的最大主應力均位于近水平方向，最大水平）五個礦山的最大主應力均位于近水平方向，最大水平主應力值為自重應力的主應力值為自重應力的2 2倍左右。說明這五個礦山的地應力場倍左右。說明這五個礦山的地應力場是以水平構造應力為主導的，而不是以自重應力為主導的。是以水平構造應力為主導的，而不是以自重應力為主導的。 3 3）最大水平主應力的走向，新城金礦位于南東東）最大水平主應力的走向，新城金礦位于南東東- -北西北西西向或接近東西向，梅山鐵礦位于南東西向或