矿山地应力测试方案

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矿山地应力测试工作方案

省XXXXXX勘察院

2015年4月

目录

1 前言 (2)

2 地应力的基本原理 (2)

2.1 地应力的基本概念 (2)

2.2 地应力的组成部分和影响因素 (3)

2.3 地应力场的变化规律 (5)

2.4 我国地应力场的区域划分 (8)

3 水压致裂法试验介绍 (10)

3.1 水压致裂法基本原理 (10)

3.2 水压致裂法地应力测量的主要设备 (15)

3.3 水压致裂法测试步骤 (16)

4 测试结果 (18)

4.1 参数确定 (18)

4.2 现场实测 (20)

5 测试成果综合分析 (23)

5.1 试验结果的可靠性分析 (23)

5.2 最大水平主应力的量级 (23)

5.3 最大水平主应力的方向 (23)

5.4 侧压系数及应力构成分析 (23)

5.5 分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系 (24)

6 地应力场反演分析 (25)

6.1 有限元数学模型多元回归分析法基本原理 (26)

6.2回归结果分析 (27)

1 前 言

地应力是引起采矿和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。

地应力是所有地下工程，包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力。在没有开挖工程扰动的情况下，岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖，打破了原始平衡状态，导致地应力的释放，从而引起岩体的变形和向自由面的位移，引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏，这就是地压形成的过程和机理。因此，从本质上来定义，地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与岩体的受力状态、岩体结构和重量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。

2 地应力的基本原理

2.1 地应力的基本概念

蓄存在岩体部未受扰动的应力，称之为地应力(Insitu stress 或Geostress)，它是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其它固体如土体的最基本特征。

地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆(Heim ，1905-1912)提出。他认为，岩体中有应力存在，并处于近似静水压力状态。应力的大小等于上覆岩体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于H γ(γ为岩体的重度，H 为研究点的深度)。此后，金尼克(1926)又根据弹性理论分析，假定岩体是均匀、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为H γ，而水平应力应等于H γμμ

-1的假说(μ为岩石的泊松比，μ

μ-1为侧压系数)。按照金尼克的理论，海姆假说只是金尼克假说在5.0=μ时的一个特例。

然而，随着地应力现场实测资料的积累，表明在浅层的地应力并不符合海姆和金尼克假说。瑞典哈斯特(Hast.N)于1952-1953年应用压磁式应力计在斯堪的纳维亚半岛的4个矿区进行了地应力实验。结果表明，实测的水平应力普遍比铅垂应力要高。此后，许多国家相继发展了多种在钻孔中测量地应力的方法，也都得到了相似的结论。1978年霍克和布朗(Hoek & Brown)在研究了大量的实测地应力资料后指出，一般而言，岩体结构中的铅垂向地应力主要由上覆岩体的自重产生，水平向地应力介于同一深度的铅垂向地应力分量的一半到3倍左右，深部岩体(距地表千米以上)的应力状态，比较接近海姆假说。

2.2 地应力的组成部分和影响因素

地应力主要由五个部分组成，即岩体自重、地质构造、地形势、剥蚀作用和封闭应力。

自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古地质构造运动应力和新构造运动应力，前者是地质历史上由于构造运动残留于岩体部的应力，也称构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅仅表现在局部的应力场会受到影响。例如，高山峡谷或深切山谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂方向分量降低得较多，而水平分量基本保持不变。封闭应力是地壳经受高温、高压引起的岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力封闭在岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。

一般认为，浅层岩体中地应力的分布有以下5个方面的影响因素。

2.2.1 地质构造对地应力的影响

☆地质构造对地应力的影响主要表现在影响应力的分布和传递方面；

☆在均匀应力场中，断裂构造对地应力量值和方向的影响是局部

的；

☆在同一地质构造单元，被断层或其它大结构面切割的各大块体中的地应力量值和方向均较一致，而靠近断裂或其它分离面附近，特别是在拐弯处、分叉处及两端，因为都是应力集中地带，其量值和方向均有较大变化；

☆在活动断层附近和地震区，地应力的量值和方向均有较大变化。

2.2.2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响

地形地貌对地应力的影响十分复杂，至今没有统一的结论。

剥蚀作用对地应力有显著的影响。剥蚀前，岩体存在一定量值的铅垂应力和水平应力。剥蚀后，铅垂应力降低得较多，而水平应力降低得比较少，基本上保持原来的应力量值。

2.2.3 岩石力学性质对地应力的影响

从能量积累的观点来看，岩体地应力是能量积累与释放的结果。岩体地应力的上限必然受到岩体强度的限制。因此，岩石力学性质对地应力的影响是显而易见的。杰格尔(Jaeger)曾提出地应力与岩石的抗压强度成正比的概念。光煜、白世伟通过大量的统计资料提出用岩体弹性模量(E)来评价岩石力学性质与地应力的关系。统计结果表明，E=50GPa 以上的岩体，岩体中的地应力一般为10－30MPa, 而E小于10GPa 的岩体，地应力很少超过10MPa。他们的统计结果还表明，在相同的地质环境中，当岩体的弹性模量分别2GPa和100GPa时，地应力值分别为3MPa和30MPa。因此，弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累，其地应力值也往往较高。

2.2.4 水对地应力的影响

水对岩体中地应力的影响是显而易见的。由于岩体中水的存在而形成的岩石孔隙水压力于岩石骨架承受的应力共同组成岩体的地应力。因此，孔隙水压力高的地区，岩体地应力的量值也会相应增加。