龍橋鐵礦地應(yīng)力測量及分布規(guī)律研究

劉 波 黃惟盛

(1.安徽龍橋礦業(yè)有限公司；2.江西銅業(yè)集團有限公司武山銅礦)

龍橋鐵礦地應(yīng)力測量及分布規(guī)律研究

劉 波1黃惟盛2

(1.安徽龍橋礦業(yè)有限公司；2.江西銅業(yè)集團有限公司武山銅礦)

采用空心包體應(yīng)力解除法對龍橋鐵礦進行地應(yīng)力測量，對套孔巖芯進行圍壓率定試驗，得出彈性模量和泊松比，根據(jù)計算公式得出主應(yīng)力大小并判斷其方向。結(jié)果顯示：龍橋礦區(qū)的主應(yīng)力為水平應(yīng)力，應(yīng)力值相對較高，方向為北西向。通過對龍橋鐵礦進行地應(yīng)力測量，掌握其分布規(guī)律，為今后礦山開采設(shè)計及施工提供基本依據(jù)。

地應(yīng)力 空芯包體應(yīng)力計 彈性模量 泊松比 應(yīng)力解除法

地應(yīng)力是存在于地層中未受擾動的天然應(yīng)力，是引起巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力[1-7]，通過各種方法準確測量地應(yīng)力是確定工程巖體力學屬性，實現(xiàn)礦山開挖設(shè)計和安全施工的必要前提。

1 礦區(qū)地質(zhì)

龍橋鐵礦位于廬樅火山巖盆地北部邊緣，礦床賦存標高為-268～-510 m，礦體沿北西向東西方向發(fā)展，朝南西傾斜呈弧形，礦體傾角大致為15°～20°。礦體內(nèi)小裂隙構(gòu)造發(fā)育，走向為北東、北北東，同時少數(shù)為北西；張性裂隙內(nèi)多充填有硅質(zhì)成分，壓性裂隙內(nèi)充填有鈣質(zhì)或泥質(zhì)成分；有的裂隙擾動了礦體，使礦體形態(tài)更加復(fù)雜[8-9]。進行龍橋鐵礦地應(yīng)力測量及分析對今后安全開采有重要指導(dǎo)意義。

2 地應(yīng)力測量及計算方法

2.1 測量方法

根據(jù)測量原理，地應(yīng)力測量方法可分為直接法及間接法。

間接法是利用特殊傳感元件或者一些介質(zhì)，對巖體中一些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量進行測量，由間接物理量的數(shù)據(jù)計算得出地應(yīng)力。在多種間接測量法中，套孔應(yīng)力解除法、應(yīng)力或應(yīng)變解除法以及地球物理方法等使用較多，其中套孔應(yīng)力解除法是技術(shù)最為成熟的一種，也是目前國內(nèi)外最普遍采用的一種地應(yīng)力測量法。本次試驗采用空心包體應(yīng)力計，其結(jié)構(gòu)見圖1。

應(yīng)力計的外層由環(huán)氧樹脂澆注包裹，電阻應(yīng)變片嵌在筒壁內(nèi)，實物見圖2。

圖1 空心包體應(yīng)力計結(jié)構(gòu)

圖2 空心包體應(yīng)力計實物

2.2 主應(yīng)力計算

主應(yīng)力大小及方向的求解思路：建立測孔坐標系與固定坐標系之間的關(guān)系，根據(jù)胡克定律和得到的應(yīng)變讀數(shù)，建立基于固定坐標系下應(yīng)力分量在測孔坐標系中的應(yīng)變方程組，運用最小二乘方原理，將得到的極值條件方程經(jīng)過偏微分處理，求解方程組即可得固定坐標系下的應(yīng)力分量，然后根據(jù)彈性理論建立固定坐標系應(yīng)力分量與主應(yīng)力的關(guān)系，進而求出主應(yīng)力的大小、方向與傾角。計算公式為

(1)

式中，σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx為求得的應(yīng)力分量，MPa;S為主應(yīng)力,MPa；l,m,n為主應(yīng)力的3個方向余弦。

根據(jù)上述列出方程組，求得3個主應(yīng)力的表達式如下：

(2)

主應(yīng)力Si(i=1,2,3)的方向余弦li,mi,ni由下述方程確定：

(3)

設(shè)主應(yīng)力Si(i=1,2,3)的方位角為ωi，傾角為Ti，有以下公式成立：

(4)

通過上述公式得出各主應(yīng)力的方位和傾角。

將巖芯取出放入室內(nèi)圍壓率定機中，加圍壓并讀數(shù)，彈性模量和泊松比的計算公式：

(5)

式中,P0為所受壓力，kN；d為巖芯內(nèi)孔直徑，mm；D為巖芯外徑，mm；εt為周向應(yīng)變；εx為軸向應(yīng)變。

3 現(xiàn)場地應(yīng)力測量及結(jié)果

3.1 測量選點

根據(jù)礦區(qū)的實際情況，并結(jié)合測試選點的原則，選擇了3個有代表性的點作為測量點，分別為1#點(4 192.706，3 779.726，-315.693)，2#點(4 393.977，3 677.863，-368.000)，3#點(4 584.506,3 737.088，-453.300)。1#點位于-320 m 水平，2#點位于-370 m水平，3#點位于-455 m 水平，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 測點參數(shù) (°)

測點編號測孔地質(zhì)方位角測孔軟件計算方位角測孔上傾仰角1#1941422#9927923#212012

3.2 測量步驟

鉆孔直徑為130mm，為便于鉆孔排水，上傾2°～5°，掘進到預(yù)定深度，施工一喇叭口，導(dǎo)正鉆孔，再施工φ36 mm小孔,施工完后，沖洗鉆孔，再用酒精或丙酮擦洗。準備工作完成后，安裝應(yīng)力計，將應(yīng)力計內(nèi)腔注滿膠結(jié)劑，固定好柱塞，帶有定向的安裝桿緩慢將應(yīng)力計推入孔內(nèi)預(yù)定位置后，稍用力將固定鋁絲推斷，膠結(jié)劑則從內(nèi)腔擠出，充滿小孔與應(yīng)力計之間的間隙。粘結(jié)劑固化后，從定向器讀出各參數(shù)，包括應(yīng)力計的偏角和各應(yīng)變片的數(shù)據(jù)、鉆孔的方位角及傾角。測量步驟見圖3。

圖3 測量步驟

前期工作完成之后，開始套孔解除，先用水沖洗，該過程應(yīng)變片數(shù)據(jù)輕微變化，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后方可鉆進。為確保數(shù)據(jù)的準確性，每次進尺控制在2～3 cm，待讀數(shù)停止變化時即可停止鉆進。套孔解除之后取出巖心，通過室內(nèi)試驗得出彈性模量和泊松比，并對應(yīng)力計進行檢驗。

3.3 應(yīng)力解除

采用YJL-16型智能數(shù)據(jù)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進行數(shù)據(jù)采集，通過現(xiàn)場地應(yīng)力測量得到各個測點的整個應(yīng)力解除過程曲線,見圖4。

3.4 圍壓率定試驗

3個測點解除后的巖芯圍壓率定試驗在室內(nèi)進行，3個測點巖芯率定曲線見圖5。

3.5 測量結(jié)果

通過圍壓率定試驗，計算得到彈性模量和泊松比，根據(jù)主應(yīng)力計算公式，利用專業(yè)軟件計算得出地應(yīng)力值，結(jié)果見表2。

4 結(jié) 論

(1)從應(yīng)力測量結(jié)果可得出，3個中段測點的最大應(yīng)力量值均大于15 MPa，-455 m中段測點的應(yīng)力值在30 MPa以上；表明礦區(qū)的應(yīng)力值相對較大，與國內(nèi)實測應(yīng)力的總體量值比較，屬于中等偏高。

(2)該礦區(qū)深部應(yīng)力值相對較大，且應(yīng)力隨深度增加而增加，增加的斜率較大，最大主應(yīng)力傾角較小，表明水平應(yīng)力占主導(dǎo)。

(3)礦區(qū)測試所得最大主應(yīng)力表現(xiàn)形式同礦區(qū)揭露的地質(zhì)構(gòu)造所反映的應(yīng)力作用方式一致，表明該區(qū)域?qū)儆谳^穩(wěn)定區(qū)域，構(gòu)造應(yīng)力仍保留原有狀態(tài)。

圖4 各測點應(yīng)力的解除過程曲線

圖5 各測點巖芯率定曲線

表2 地應(yīng)力測量結(jié)果

[1] 蔡美峰，喬 蘭，于 波，等.金川二礦區(qū)深部地應(yīng)力測量及其分布規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報，1999，18(4)：414-418.

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我國典型呆滯礦床分布基本查明

由中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)綜合利用研究所實施的“我國尚難利用礦產(chǎn)資源潛力調(diào)查研究”，通過對我國重點礦種中的尚難利用(呆滯)礦進行調(diào)查，基本查明了我國典型“呆滯”礦床的分布、分類，難利用的原因、開發(fā)利用技術(shù)及轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫V的可能性。該調(diào)查為國家和相關(guān)部門對礦產(chǎn)資源供應(yīng)的管理和規(guī)劃提供了決策依據(jù)，為礦產(chǎn)資源保障和社會可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻。

2014-10-28)

劉 波(1986—)，男，助理工程師，碩士，231500 安徽省合肥市。