2013, Vol. 4引用本文 |
| 龙门山矿区套孔应力解除法测定原岩应力 |  [PDF全文] |
1b. 江西理工大学，建筑与测绘工程学院, 江西 赣州 341000;
2. 铜陵有色金属集团控股有限公司技术中心, 安徽 铜陵 244000;
3. 合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230000
1b. School of Architecturd and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. Tongling Non-ferrous Metals Holding Group Co. Ltd., Tongling 244000, China;
3. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230000, China
原岩应力是存于地壳地层中未受到工程扰动的天然应力, 也称地应力[1].由于矿山的开采，岩体受到工程扰动从而地应力发生改变，某些区域地应力重新分布及其局部应力集中.地应力的改变可能产生巷道变形、冒顶、片帮等破坏活动，影响矿山工作正常进行[2].应用套孔应力解除法测量矿山岩体原岩应力状态，掌握其变化规律，对优化龙门山矿区合理开采顺序和对今后巷道合理设计十分必要.
1 空芯包体结构空心包体应力计的圆筒外层是由环氧树脂浇筑而成，圆筒由12个电阻应变片组成，每组应变花有4个应变片，三组应变花沿环氧树脂筒圆周相隔120°粘贴[3]，如图 1所示.
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| 图 1 改进型空心包体三轴应力计结构示意图 |
应力计由两部分组成，一部分由圆筒与应力片接线构成，圆筒外层由环氧树脂浇筑而成，厚度大概在0.5 mm左右，而筒壁上镶嵌着3组12个电阻应变片[4].圆筒里有1个空心内腔，在内腔里面有1个柱塞.在试验时，内腔里面注满黏接剂，然后把柱塞慢慢插入内腔，其目的是不让黏接剂在应力计送入测试孔过程中流出，在柱塞插入内腔40 mm处用铝丝固定[5].在应力计另一端连接好一根导向定位杆，保证应力计能够顺利地到达测试小孔.应力计到测试小孔的底端时，用力推动导向定位杆使铝丝折断，直至满内腔的黏接剂挤到测试小孔，进入应力计和测试孔孔壁之间的缝隙中[6-7].经过24~48 h，待黏结剂完全固化胶结后，即可进行套芯解除.
2 原岩应力现场测量 2.1 测点位置选取 2.1.1 选点原则矿区原岩地应力场的测量一般要遵循几个原则[8-10]：①保证测点附近岩石完整性，取到完整岩芯让测量结果更具说服力；②实测数据是巷道设计的科学依据，在试验时测点应该布置在设计巷道附近，得到的地应力场才具有代表性；③工程施工影响到试验数据的真实性，测点应避开附近正在施工的井巷、硐室工程；④断层对测定值的影响较大，测点应避开岩体的断层区域.⑤钻孔要有2°~5°的仰角，以便排水.
2.1.2 测点确定龙门山矿区目前开拓系统已基本形成，主要有-530 m、-575 m、-605 m、-635 m和-680 m 5个水平中段，此空间条件对套孔应力解除试验非常有利.依据对矿山的实地调查及地质报告，并遵循选点原则，试验在-530 m、-605 m和-680 m 3个水平中段进行，在每个水平中段选择一个合适的原岩应力测点.
2.2 原岩应力现场测试 2.2.1 测孔形成套孔原岩应力解除现场测试步骤如图 2所示.
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| 1.钻直径130 mm大孔；2.磨平孔底；3.钻直径36 mm小孔；4.安装应力计；5.套心；6.折断岩心并取出 图 2 现场地应力测量步骤 |
在测点处打一直径为130 mm的大孔，大孔的深度为巷道跨度的3~5倍[11].大孔斜度大约在2°~5°，能更好地让岩粉和水排出.将已形成的大孔孔底磨平，再在大孔圆心处打一直径36 mm、长25~30 cm的小孔，此小孔就是安装空心包体的测试孔[12].
2.2.2 探头安装测量孔打好后，在安装元件前必须做好以下工作：用清水冲洗测量孔，然后用酒精把测量孔擦洗干净，同时还包括黏结剂的配制，钻孔深度的计算，安装深度的控制等[11].
首先将元件外表用砂纸打磨，然后将环氧胶和固化剂按比例分量混合，搅拌均匀后注入应力计内腔，用铝丝铆固定好柱塞.其次用酒精清洗元件表面，并把探头固定于带有定向器的安装杆上，通过安装杆把应力计送到测量小孔中，确保应力计进入测量小孔后，用力推动应力计将固定铝丝折断，黏接剂从应力计的内腔中流入应力计和测试孔的缝隙中，等到20~48 h后，黏接剂就会使应变计和测试孔的孔壁胶结固化，用定位仪读取应力计中A组应变花在测孔中的方位角[13].
2.2.3 应力解除将应变计的导线电缆从钻杆和改装过的水节头穿出，根据空心包体接线示意图，将应变片测线按顺序分别连接到电阻应变仪上.
应变数据采用KJ327-F全包体应变仪进行采集.为判断应力计工作状态和测量的可靠性，在解除前，先往测量孔里面通水，在通水时，应变片读数可能有一些改变，等到应变片的读数不再发生大变化时再进行解除.套孔应力解除试验的过程中钻头每钻进去2 cm人工采集一次数据，当各个应变曲线都达到稳定状态时，采集数据结束.各中段测点应力解除过程曲线分别如图 3~图 5所示.
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| 图 3 -530 m中段测点应力解除过程曲线 |
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| 图 4 -605 m中段测点应力解除过程曲线 |
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| 图 5 -680 m中段测点应力解除过程曲线 |
根据以上应力解除曲线，得到了12个应变片的稳定值，如表 1所示.
| 表1 各测点应变计测得的最终稳定应变值/με |
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2.2.4 围压率定
岩芯套孔应力解除结束后，把取出来的完整的带有应力计的岩芯放到围压率定器中进行标定实验，从而得到率定曲线，可求出岩石的有效弹性模量和泊松比.
通过以上的率定实验得到测点弹性模量和泊松比[14]，如表 2所示.
| 表2 各测点弹性模量E和泊松比v |
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3 原岩应力解除原理
根据空心包体的制作原理及一些力学关系方程，可以得到应变测值与原岩应力之间的关系[15]：
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其中：εθ为空心包体应变计中所测周向应变；εz为空心包体应变计中所测轴向应变；γθz为剪切应变值；ε±45°为与钻孔轴成±45°方向的应变值；K1，K2，K3，K4-K系数.
4 原岩应力计算在现场调查研究基础上，兼顾现场施工条件，对选定的-530 m、-605 m和-680 m 3个中段测点分别开展了套孔原岩应力解除和围压率定工作，为了解矿区三维地应力分布规律提供了应力实测数据.
先把围压率定实验得到的数据带入公式算出各个测量孔中获得岩芯的弹性模量和泊松比，再把应力解除获得的试验数据和相应的弹性模量和泊松比输入到电脑，再通过空心包体原岩应力计算程序，运用相关软件计算[16]，计算出的结果如表 3所示.
| 表3 龙门山矿区原岩应力测量结果 |
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5 结果分析
由龙门山矿区原岩应力测定结果，得到如下结论：
(1)主应力倾角对巷道设计的影响：矿区3个测点的实测最大主应力倾角分别为0.03°、9.45°和-1.96°，表明矿区原岩应力主要是以水平应力为主.
(2)主应力方位对巷道设计的影响：-530 m中段水平主应力方位角169.84°，方向接近于南北向；-605 m中段水平主应力方位角180.28°，方向为南北向；-680 m中段水平主应力方位角160.79°，方向接近于南北向.最大主应力方向与巷道走向基本一致，巷道设计合理.
(3)主应力大小对巷道设计的影响：-530 m中段的最大主应力18.0 MPa，最小主应力7.1 MPa；-605 m中段的最大主应力24.6 MPa，最小主应力8.5 MPa；-680 m中段的最大主应力29.3 MPa，最小主应力12.5 MPa，3个中段的最大主应力和最小主应力相差较大，造成剪应力也较大，对巷道的稳定性有不利影响.
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