套孔應(yīng)力解除法在良山鐵礦的應(yīng)用

饒運(yùn)章 ,羅 歡,吳國(guó)興

(江西理工大學(xué),江西贛州 341000)

套孔應(yīng)力解除法在良山鐵礦的應(yīng)用

饒運(yùn)章 ,羅 歡,吳國(guó)興

(江西理工大學(xué),江西贛州 341000)

為了優(yōu)化良山鐵礦地下開(kāi)采過(guò)程中合理的開(kāi)采順序和采礦方法,地應(yīng)力測(cè)量必不可少。本文著重介紹了套孔應(yīng)力解除法中空心包體應(yīng)變計(jì)的相關(guān)測(cè)試原理和方法,并通過(guò)新余良山鐵礦地應(yīng)力測(cè)量及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,初步得到了該礦的地應(yīng)力分布規(guī)律。

地應(yīng)力測(cè)量;套孔應(yīng)力解除;空心包體應(yīng)變計(jì)

0 引言

地應(yīng)力是存于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力,也稱(chēng)巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或是原巖應(yīng)力[1]。它是引起巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的根本作用力,是確定工程巖體力學(xué)屬性,進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析,實(shí)現(xiàn)巖石工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件。而礦山的連年開(kāi)采必然會(huì)引起地應(yīng)力的重新分布,因此及時(shí)對(duì)礦山地應(yīng)力測(cè)量,更新地應(yīng)力數(shù)據(jù)從而對(duì)礦山的總體或局部布置進(jìn)行修改,特別是對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性分析起科學(xué)的指導(dǎo)作用,進(jìn)而保證礦山的安全生產(chǎn)。

1 概況

良山礦區(qū)位于江西中部,東經(jīng) 114°55′48″,北緯27°38′48″,屬新余市周宇鄉(xiāng)。北距浙贛鐵路新余站22 km,有公路相連。礦區(qū)北約 4 km之周宇鄉(xiāng)至浙贛鐵路約 17 km,有鐵路相連,交通甚為方便。

本區(qū)區(qū)域構(gòu)造為神山倒轉(zhuǎn)背斜控制,此背斜為礦田內(nèi)部的Ⅰ級(jí)構(gòu)造。背斜軸在新余神山一帶,軸向北東東 -南西西,向南西西傾伏;其南翼倒轉(zhuǎn),形成良山鐵礦區(qū)傾向北東的倒轉(zhuǎn)單斜構(gòu)造;北翼的東段大部為深斷裂切割破壞,掩復(fù)與新余之北的萍樂(lè)坳陷之內(nèi)。背斜的西段,分成洋元倒轉(zhuǎn)背斜及野源背斜,分別向南及南西逐漸傾沒(méi),此背斜受后期北北西向構(gòu)造干擾,形成一系列北北西 -南南東向的倒轉(zhuǎn)皺褶及斷裂,致使礦田的構(gòu)造更加復(fù)雜。礦田的南部,西邊有山莊花崗巖基,東邊有城上花崗巖基,長(zhǎng)軸方向呈南北方向。城上花崗巖的侵入,使良山礦區(qū)巖層變質(zhì)程度加深。

礦區(qū)位于武功山脈北麓,屬構(gòu)造侵蝕中低山和丘陵地形,山勢(shì)陡峻,地形深切,溝谷發(fā)育。最高峰良山海拔 487m;自良山而北山勢(shì)漸低,由中低山過(guò)渡到丘陵,后入新余盆地。礦區(qū)的礦層為一單礦層,作北北西 -南南東向延伸,長(zhǎng)約 1500m,傾向北東,傾角 10°～15°,向北北西傾伏,傾伏角 15°～20°,礦層向南東揚(yáng)起;由于受地形切割的影響,在 20線(xiàn)以東至 10線(xiàn),礦層沿傾向出露,在 10線(xiàn)以東則呈東西向分布,基本上傾向北。礦層沿傾斜方向延伸約1400m,最大的約 1800m(4線(xiàn))。礦層的傾角一般淺部較陡 (10°～15°),深部較緩 (5°～10°)。礦層埋藏深度呈階梯狀向北東逐漸加大。

2 套孔應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力原理及其操作步驟

應(yīng)力解除法是發(fā)展較為成熟的一種地應(yīng)力測(cè)量技術(shù),也是能夠比較準(zhǔn)確地和定量地測(cè)量地應(yīng)力的唯一方法[2]。全應(yīng)力解除法是使測(cè)點(diǎn)巖體完全脫離地應(yīng)力作用的方法。其工作原理是:具有初始應(yīng)力的巖體用人為的方法解除其地應(yīng)力,使巖體變形恢復(fù),再通過(guò)某種手段測(cè)出巖體恢復(fù)的變形,然后按彈性理論計(jì)算出巖體 3個(gè)主應(yīng)力的大小、方向和傾角[3]。

套芯應(yīng)力解除法的過(guò)程是:在需要測(cè)量應(yīng)力的地方,打一個(gè) ?130mm的鉆孔,至一定深度時(shí),把孔底磨平,再打一個(gè)喇叭孔(起導(dǎo)正作用),在大孔中心鉆一個(gè) ?36mm的同心測(cè)量小孔,測(cè)量孔的深度約為40cm,然后在測(cè)孔中安裝測(cè)量探頭,探頭引線(xiàn)與孔外測(cè)量?jī)x器相接,測(cè)得初始值。如果是進(jìn)行相對(duì)值測(cè)量,設(shè)備安裝工作就此結(jié)束,此后間隔一段時(shí)間再測(cè)探頭的數(shù)值,就可測(cè)出應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。

絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量是在測(cè)量小孔外,再用 ?130mm口徑的鉆頭同心鉆進(jìn),開(kāi)挖應(yīng)力解除槽,在鉆進(jìn)過(guò)程中,導(dǎo)線(xiàn)從鉆桿中心穿過(guò),由水節(jié)頭處引出與測(cè)量?jī)x器相連,監(jiān)視解除過(guò)程中的變化,隨著應(yīng)力解除槽的加深,巖芯逐漸與外界應(yīng)力場(chǎng)相隔離,巖芯發(fā)生彈性恢復(fù),儀器測(cè)值隨著發(fā)生變化,直至儀器讀數(shù)不再變化時(shí),停止鉆進(jìn),取出巖芯。應(yīng)力解除槽鉆進(jìn)前后儀器的讀數(shù)差值即為解除讀數(shù)值。

通常每鉆進(jìn) 2cm深,儀器讀數(shù)一次,求得儀器讀數(shù)隨解除深度的變化曲線(xiàn),稱(chēng)為應(yīng)力解除曲線(xiàn)。此曲線(xiàn)的變化規(guī)律是判斷原始資料可靠程度的重要依據(jù)之一。

3 空心包體應(yīng)變計(jì)測(cè)量技術(shù)

空心包體應(yīng)變計(jì)是由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組(CSI RO)的沃羅特尼基 (G.Worotnicki)和沃爾頓 (R.Walton)于 20世紀(jì) 70年代初期為了克服南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì) (CSI R)孔壁應(yīng)變計(jì)在應(yīng)變花和孔壁之間接觸面小,膠結(jié)質(zhì)量差,防水性不好等方面缺點(diǎn)而研制出來(lái)的[4]。其突出的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變計(jì)和孔壁在相當(dāng)大的一個(gè)面積上膠結(jié)在一起,因此膠結(jié)質(zhì)量較好,而且膠結(jié)劑還可注入應(yīng)變計(jì)周?chē)鷰r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[5]。CSIRO空心包體應(yīng)變計(jì)的主體是一個(gè)用環(huán)氧樹(shù)脂制成的壁厚 3mm的空芯圓筒,其外徑為35.5mm,內(nèi)徑為 31mm。在其中間部位,即直徑 35mm處沿同一圓周等間距(120°)嵌埋著 3個(gè)電阻應(yīng)變花。每個(gè)應(yīng)變花有 4支應(yīng)變片組成,相互間隔 45°。共計(jì)有 12支應(yīng)變片,其中周向 3支(A90、B90、C90);軸向 3支(A0、B0、C0);與軸線(xiàn)成 45°方向 3支 (A45、B45、C45);與軸線(xiàn)成 135°方向 3支(A135、B135、C135)。其中,A0、B0、C0是在孔周互成 120°的三個(gè)位置獨(dú)立測(cè)量軸向應(yīng)變,A90、B90、C90是在孔周互成 120°的三個(gè)位置獨(dú)立測(cè)量周向應(yīng)變,A45、B45、C45是在孔周互成 120°的三個(gè)位置獨(dú)立測(cè)量與軸線(xiàn)成 45°方向應(yīng)變,A135、B135、C135是在孔周互成 120°的三個(gè)位置獨(dú)立測(cè)量與軸線(xiàn)成 135°方向應(yīng)變。

圖 1 空心包體應(yīng)變計(jì)構(gòu)造圖

地應(yīng)力計(jì)算方程公式[6]如下:

式中:εθ,εz,γθz分別為空心包體應(yīng)變計(jì)中所測(cè)周向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變值;ε±45°為與鉆孔軸即 z軸成 ±45°方向的應(yīng)變值。k1,k2,k3,k4為 k系數(shù),k系數(shù)不是常數(shù),它與巖石和空心包體材料的彈性模量、泊松比、鉆孔直徑、空心包體的內(nèi)外徑及應(yīng)變片的徑向有關(guān)。

k系數(shù)計(jì)算。

鄧肯.法馬 (M.E.Duncan Fama)、彭德 (M.J. Pender)給出了系數(shù)的計(jì)算公式[7],公式如下:

4 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置在整個(gè)地應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中非常關(guān)鍵,倘若測(cè)點(diǎn)的布置不合理,其測(cè)出的數(shù)據(jù)也沒(méi)多大的意義,結(jié)果只是勞而無(wú)功。因此對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)都要精心選擇,既要考慮地形地貌、斷層,節(jié)理,裂隙的分布,還得考慮人工活動(dòng)如地下爆破對(duì)測(cè)量的影響。測(cè)量時(shí)要注意以下幾點(diǎn):

(1)避開(kāi)巷道和采場(chǎng)的彎、叉、拐、頂部等應(yīng)力集中區(qū);

(2)完整或盡量完整的巖體內(nèi),節(jié)理、裂隙、不發(fā)育或膠結(jié)較好,在構(gòu)造部位的選擇上,一般要遠(yuǎn)離斷層,避開(kāi)巖石破裂帶、斷裂發(fā)育帶;

(3)盡量遠(yuǎn)離較大的開(kāi)挖體,如采空區(qū),大硐室等;

(4)測(cè)點(diǎn)深度應(yīng)超過(guò)工程開(kāi)挖所產(chǎn)生的巖體松動(dòng)圈,一般為 1.5倍洞徑以上[8-9];

(5)地層要具有代表性;對(duì)所測(cè)地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行代表性分析,確定測(cè)值是代表局部應(yīng)力場(chǎng)還是代表區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)[10]。

根據(jù)以上原則結(jié)合礦山的具體實(shí)際情況,在新余良山鐵礦的良山礦區(qū) 117中段,240中段和太平礦區(qū) 114中段共進(jìn)行了 3組的地應(yīng)力解除測(cè)試,測(cè)點(diǎn)布置為,117水平測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) (3059559.87, 38591620.50,117),埋深 123.07m;240水平測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) (3059956.10,38591818.06,240),埋深 182.27m; 114水平測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) (3059976.04,38591170.83, 114),埋深 54.68m。

5 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)值整理出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的各個(gè)方向應(yīng)變計(jì)的最終穩(wěn)定應(yīng)變值如下:

表 1 各測(cè)點(diǎn)用于計(jì)算地應(yīng)力計(jì)算的應(yīng)變數(shù)據(jù) (10-6m)

由于空心包體應(yīng)變計(jì)采用電阻應(yīng)變片作為傳感元件,并對(duì)溫度的變化較為敏感,且溫度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果不可忽視,所以實(shí)測(cè)過(guò)程中必須引起注意,并采用相關(guān)措施消除溫度影響。本次測(cè)量采用蔡美峰教授的溫度補(bǔ)償措施[11]。

6 地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

使用三維地應(yīng)力計(jì)算程序分別計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力主應(yīng)力的大小和方向。計(jì)算結(jié)果分別示于表2,表3。

表 2 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果

表 3 各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

7 結(jié)論

(1)由礦區(qū)斷裂構(gòu)造分析可知,良山礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力是復(fù)雜多變的。該礦區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)在歷史上是變化的,是早期的地質(zhì)構(gòu)造不斷被較晚期的地質(zhì)構(gòu)造所改造、疊加、繼承和演化的結(jié)果,不能簡(jiǎn)單的歸于某個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力場(chǎng)。由于良山礦區(qū) 117中段與 240中段相隔較遠(yuǎn),而且其上覆圍巖的厚度相差很大,故它們地應(yīng)力特征有很大的區(qū)別。

(2)良山礦區(qū)二個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為水平,數(shù)值為 7.61MPa和 11.63 MPa,方向?yàn)?175.80°和 183.31°,傾角為 -0.26°和 0.48°,表明該礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)地位。太平礦區(qū)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為水平,數(shù)值為 4.56MPa,方向 117.44°,傾角 2.7°。

(3)良山礦區(qū)二個(gè)測(cè)點(diǎn)的最小水平主應(yīng)力數(shù)值為3.18MPa和 5.18MPa,方向?yàn)?4.29°和 265.89°,傾角為 -6°和 -63.72°。太平礦區(qū)最小水平主應(yīng)力數(shù)值為 1.78MPa,方向?yàn)?90.82°,傾角為 -51.31°。

(4)117中段的中間主應(yīng)力的傾角為 83.26°,近似于豎直方向,基本接近上覆巖體自重應(yīng)力。

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Application on Technology of Stress Relief by Overcoring in L iang Shan Iron M ine

RAO Yun-zhang,LUO Huan,WU Guo-xing
(JiangxiUniversity of Science and Technology,Jiangxi,Ganzhou,341000)

In order to optimize theMining Sequence and miningmethod in underground mining process ofLiang shan iron mine, it’s essential to measure crustal stress.The relevant testing principle and the method of hollow inclusion strain cells in the stress relaxatio method of borehole stress gages are introduced in the article with the measurement of crustal stress.Through analyzing the crustal stress of XinyuLiangshan IronMine and the survey data,we preliminaryobtain the regulations distribution of crustal stressof themine.

crustal stressmeasurement;stress relief by overcoring;Hollow inclusion gauge

book=10,ebook=51

TD31

A

1009-3842(2010)02-0010-04

2010-01-04

饒運(yùn)章(1963-),男,江西會(huì)昌人,博士,教授,從事采礦工程與環(huán)境巖土工程方面的教學(xué)、科研工作。E-mail:Raoyunzhang@sohu.com