矿山压力及其控制原岩应力及其测量

100 0.3 K 1500 0.5
Z
Z
• 深应度力小σz于；5当0深0米度时＞，10水0平0米应，力水σ平h.a应v明力显与大垂于直垂应直力 趋于相等，处于静水压力状态。这是因为三个主
应力差值很大时，岩石不可能承受很高应力，否
则必然发生破坏，达到新的平衡。
3.2.2 原岩应力中各应力分量之间的比
3.2.1 地壳浅部原岩应力实测结果
地壳内部的原岩应力场是一个颇为复杂的问题，人们获 得原岩应力状态的途径，主要是通过现场实测来实现。虽然 各个国家和地区对原岩应力测量做了大量工作。但是关于完 整应力状态的资料却获得很少，且测量深度也都在3000m之 内，故属地壳浅部。
1953年瑞典H.Hast在斯堪的纳维亚半岛首先进行了原岩 应力实测工作。此后，欧、美、澳大利亚和我国都先后开展 了大规模原岩应力实测工作。E.T.Brown和E.Hoek（1978） 研究了遍及世界不同地区的原岩应力测量，并进行了汇总。 在进行资料选择时，对于那些特别反常的地质条件（如近期 仍出现构造活动的地区）的实测结果均略去，只选用了可靠 的结果。见下图(p44)。
自重应力：由于岩石自重引起的应力称为自重应力
(1) Haim法则（1878年，译为海姆）
上述数字提供了有关地球开发深度的概念及其人类当 今已经直接达到和可能近期达到的深度。显然这些深度属 于地壳上部的范围内，其厚度与地球直径相比微不足道。 然而浅部地壳的组成结构及其应力状态是矿山岩石力学和 矿压理论关注的重点问题之一。
3.2 原岩应力
天然状态下地壳中存在地应力，通常在地学中称之为 地应力。其主要包括由岩体重量引起的自重应力和地质构 造作用引起的构造应力等。地应力这个概念是由瑞士地质 学者Haim在1905～1912年间首次提出来的。地应力是在 历史地质作用下发展变化而形成的。它与岩体自重、构造、 运动、地下水及温差等有关，同时又是随时间、空间变化 的应力场。但在工程年代，应力场受这种地质作用时间的 影响可以忽略。在采矿工程中，把这种未受采掘扰动影响 的岩体原始应力，又称为原岩应力。
外地核 内地核
地球内部结构示意图
地壳的平均厚度为32km，而且在大陆上的变化范围 是20～70km，在海洋中其变化为5~15km。地壳是以 莫霍面为分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛维奇契 首先发现了M面。在该面以下，弹性纵波的速度 突然 增长，v p达到8km/s，而在地壳中通常是6～7km/s（最大 值为7.4km/s）。上部地幔物质密度：33～37kN/m3； 地壳物质密度：27～30kN/m3。
(3)铅垂应力σz与自重应力Pz之间的比较 岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本 因素之一。一般认为岩体的铅垂应力大体上相当 于上覆岩层的重力Pz，但并非所有实测结果都如 此，从我国的实测结果表明，铅垂应力σz与单位 面积上的上覆岩层重力Pz的比例在0.43~19.8之间 变化。
3.2.3 自重应力
现在，采矿工作主要是在小于1000~1800m的深度内 进行。在欧洲，有些矿井的开采深度约达2000m；在南非 及印度，个别金属矿井的开采深度已超过3000～3500m。 开采石油和天然气的深度达到6000~7000m。最深的构造 钻孔和勘探钻孔已超过12000m，并开始实现钻孔深度达 15000m的计划。
根据对深部地带 进行地震研究而 得到的现代概念 ，地球可分为地 壳、上地幔、下 地幔、外地核和 内地核。
郭里采层（导电 莫霍面（弹性纵波波速从地壳
率和地震波速迅 的6~7km/s迅速增加到8km/s）
速增加的分界层）
0km 400km
地壳
1000km
上地幔
3000km
下地幔
5000km 6000km
统计结果表明，铅直应力与深度的关系为：
z 0.027 z(MPa)
这是一个重要的铅垂应力估算公式。 值得注意的是上式的比例系数与地壳浅部岩石的容重相吻 合，通常：
20 ~ 30 KN / m3
即实测结果说明，铅直应力与上覆岩层的重力相一致。
• 平均水平应力：
hav
1 2
x
y
• 平均水平应力与铅垂应力σz之比K，随埋藏深度Z 的变化关系。通过分析发现K值通常取值为：
在地壳范围内，可按地震波特征分为三个主要分层
沉积岩
康拉德面
假定的 花岗岩层
玄武岩 层岩
弹性纵波速度＝2.0~5.0km/s， 厚度10～15km
弹性纵波速度＝5.5~6.0km/s， 最大厚度30～40km
弹 性 纵 波 速 度 ＝ 6.5~7.4km/s ， 其厚度为10～20km
它是两个分层之间弹性波速度变化的 地震分界面
采矿工程中，地下采掘空间对周围岩体内的原岩应力场 产生扰动，使得原岩应力重新分布，并且在井巷和采场的 围岩中产生几倍于原岩应力的高值应力（所谓的二次应 力）。围岩随之变形，随着时间的延长，围岩变形继续扩 大，甚至引起围岩破坏或支护物破坏，这就是我们常说的 矿山压力显现。由此可见，矿山压力的来源与原岩应力密 切相关，围岩稳定性显然是以原岩应力场为前提条件的。 在计算任何人工开挖的岩体周围的应力分布以前，必须测 量或估算开挖前的应力状态。
(1)平均水平应力σh.av与垂直应力σz的比较 从上面两个图的统计结果看，一般情况下，σz相 当于上覆岩层的自重，而水平应力的波动范围就比 较大。且一般大于铅垂应力，其产生原因。一般归 结为地壳的构造运动。据国内外实测资料统计，平 均水平应力σh.av与σz的比值大部分在0.8~1.5之间;
(2)水平应力σy与σx间的比较 地壳内水平应力中的两个主应力σx与σy在数值上 一般不相等，这一统计结果反映出了水平应力具 有较强的方向性；
第三章 原岩来自百度文库力及其测量
3.1 地球及其构造的一般概念
地球的绝对年龄估计在50～55亿年。在45～47亿年 以前开始形成地壳，就是说地球诞生在47亿年以前。整 个太阳系也是在不到50亿年前由尘埃和大气形成。我们 目前所熟知的地球，具有适于人类生存的大气和丰富的 资源，这颗行星的内部仍在活动。这点已有地震、火山、 张开和闭合的大洋及漂移开来的大陆所证实。