应变解除法原理及其在大红山铁矿地应力测量中的应用

陈　枫¹，饶秋华²，徐纪成¹，马春德¹，李万喜³

 (1. 中南大学 现代分析测试中心，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙，410083；

3. 上蔡县建设局质检站，河南 驻马店，463800)

摘　要：将应变解除法应用于云南大红山铁矿的原岩地应力测量中，通过测量4个不同中段6个测点的地应力，获得大红山矿区三维地应力的如下变化规律：矿区最大、最小主应力均大致呈线性变化，矿区的最大主应力为   47 MPa，方位角介于南偏西16?到52?之间，平均倾向为南34?西，近似呈南北方向，平均倾角约16?，最小倾角仅2.88?，说明该区域的地应力以水平构造应力为主，且最大主应力随深度的增加而增加；每个测点的最大剪应力均为τ_xy。

关键词：应变解除法；地应力；大红山铁矿

中图分类号：TD311         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2007)03-0545-06

Principle of strain release method and its application to the in-situ stress measurement in Dahongshan Iron Mine

CHEN Feng¹, RAO Qiu-hua², XU Ji-cheng¹, MA Chun-de¹，LI Wan-xi³

 (1. Testing Centre, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

3. Testing Station of Construction Bureau in Shangcai, Zhumadian 463800, China)

Abstract: The strain release method was used in the in-situ stress measurement of Dahongshan Iron Mine. The 3D in-situ stress distribution in this area was obtained via the measurement of six points located at 4 different levels. The results show that the maximum principle stress is 47 MPa, with its orientation angle ranging from S16?W to S52?W. The average orientation angle is about S 34?W, and the average inclination angle is 16?, with its minimum inclination angle is only 2.88?, which indictes that the in-situ stress of Dahongshan Iron Mine is of horizontal structural stress characteristic.   The values of principle stresses increase with the increase of depth, the maximum shear stresses at six different points are all τ_xy.

Key works: strain release method; in-situ stress; Dahongshan Iron Mine

地应力的大小与方向对采矿、水利、交通等地下岩土工程的设计和施工以及矿山的安全生产特别是对岩爆、岩溶涌突水的预测与防治具有重要影响^[1-7]。根据所使用的传感器原理和结构，地应力测量有许多方  法^[8-10]，但目前主要方法有4种：孔径变形法，水压致裂法，补偿法和套孔应变解除法^[11-14]。其中后者最复杂，成本最高，但其可靠性和精度也最高。因此，它是目前国内外应用最广泛的方法之一，在此，本文作者采用这种方法对地应力进行研究。

1  采用套孔应变解除法测量的原理

套孔应变解除法也叫孔壁应力解除法，它基于弹性力学理论，先通过测量粘贴在岩体小孔壁上12个应变片中的弹性恢复应变计算该点的6个原岩应力分量，再由这6个应力分量计算原岩中的主应力^[7]。

LUT岩石三轴应变地应力测量仪的探头装有3个应变片活塞，每个活塞表面粘贴4个应变片，组成1个应变花(见图1)，故1次测量能测出12个应变。图1中，z轴方向符合右手螺旋法则。

图1　探头上应变花的分布

Fig.1  Strain rosettes and their positions on sensor

3个应变花沿z轴呈270°, 30°和150°分布(α角)，见图1(a)。每个活塞上的4个应变花与z轴夹角(β)分别为90°，45°，0°和135°，见图1(b)。在这种布置方式下，孔壁应变与岩体应力的关系为：

可见，ε₃，ε₇和ε₁₁相同，独立的方程只有10个，利用10个孔壁应变值求解6个应力分量，产生了多余的方程，故可以用最小二乘的多元回归分析求解岩体应力分量的最优值。其中，弹性模量E和μ可利用LUT仪器中的双轴试验装置现场测取。

2  大红山三维地应力测量

2.1  大红山铁矿区地质构造概况

　　为研究大红山矿区的地应力分布规律，首先必须了解矿区地质构造，这对正确选择测点和地应力测量至关重要。

大红山铁矿位于云南省新平县的戛洒、老厂和新化3个乡镇交界处。地理坐标为东经101°37′52″~　101°39′51″，北纬24°04′58″~24°06′49″。矿区南以F₁断层为界，北有F₂断层。矿体东西长1 950 m(斜长2 060 m)，南北宽400~600 m，平均厚度74 m，面积1.02 km²，是一个埋藏较深的大型高铁矿。矿区内有近东西向的大红山向斜，近东西走向的底巴都背斜则从矿区北部通过。矿区位于该背斜南翼西端的大红山向斜中。除此之外，矿区内还存在一系列褶皱及其他小断层，其中，对矿区影响较大的为F₃断层，呈南北向，见图2。矿区的地质构造特点对地应力测点的确定具有重要意义。

图2  大红山铁矿地应力测点分布及地质构造简图

Fig.2  Sketch of in-situ stress survey sites and geological tectonic structure of Dahongshan Iron Mine

2.2  测点与钻孔方位的确定

根据大红山铁矿区地质勘探资料和矿区的开采情况，选择4个中段的6个测点。选择时考虑以下几个因素：

a. 测点尽可能避开大断层和破碎带，如F₁，F₂和F₃断层避开大洞室和施工作业面。

b. 选点应能反映地应力的空间分布与变化规律，两相邻两测点之间的距离不能太近。

c. 测点附近具有较好的水、风、电条件，温度和湿度能满足仪器对工作环境的要求。

d. 6个测点的坐标及方位角等几何参数见表1。

表1  大红山铁矿区地应力测点的几何参数

Table 1  Geometrical parameters of in-situ stress survey sites in Dahongshan Iron Mine

2.3  实测过程

先用直径为91 mm钻头将大孔打到所需深度L，L＞3.5R(其中，R为测点处巷道半径)，退出钻杆并换接孔底磨平钻头，将大孔底磨平，再次退出钻杆，换接直径为37.5 mm的小孔钻头，小孔打至长l约400 mm，取出小岩芯，检查其完整程度，若较完整，则可根据小岩芯确定应变片活塞的粘贴位置，否则继续向深部打孔。造孔完成后，在活塞表面涂上粘结剂，用安装工具将装有应变花活塞的探头迅速送到小孔预定位置，待仪器显示应变花活塞转到正确方位时，迅速开启压缩空气，将应变花活塞从探头中吹出并粘贴在小孔壁上，保持空气压力40 min，待仪器显示粘结剂已固化，应变花牢固粘结在小孔壁上后，将仪器应变调零后拔出电缆，将小孔口用专用塞子封住以免解套时进水。然后，用解套钻头将装有探头的岩芯解套，取出岩芯管后测量探头中应变片的弹性恢复应变。由于探头上的3个应变花活塞共有12个应变片，故岩芯管共可测得12个应变，按前面所述原理计算该点的原岩应力。需注意的是：

a. 钻孔时，孔必须同心；

b. 小孔尺寸应略大于探头外径(37.5~38.2 mm)。

每个测点钻取3段岩芯管。每点的地应力为3段计算值的平均值。

3  实测结果与地应力分析

通过专用围压加载装置，对岩芯管施加围压，测定管内探头应变片的围压-应变曲线，以计算岩石的弹性模量E和泊松比μ。每段岩芯管加卸载3次，E和μ取3次的平均值。

表2所示为380中段1号孔第1段的围压-应变。测量时记录每个应变花上平行和垂直于孔轴的应变片，故共记录6个应变片的应变值。应变随围压的变化的加卸载曲线见图3。

1—ε₁; 2—ε₃; 3—ε₅; 4—ε₇; 5—ε₉; 6—ε₁₁

图3  第1号孔第1测段的围压(P)-应变(ε)加卸载曲线

Fig.3  Curves of strain value and confirning pressure for the first piece of No.1 hole

表2  1号孔第1测段的围压P随ε的变化

Table 2  Relationship between confirning pressire(P) and strain(ε) for the first piece of No.1 hole

由每个测孔的围压-应变关系可计算相应的弹模E和泊松比μ，每孔3个测段计算结果的均值见表3。

表3  测孔E和μ的均值

Table 3  Average values of E and μ for each survey site

每个测孔的解除应变按3段取平均值，见表4。计算时，3个应变花活塞上12个应变片按同方向的应变取平均值。

表4  每个测孔的平均解除应变

Table 4  Average values of relief strains for each survey site

由弹性恢复应变公式计算各测点的地应力，其大小、方位与倾角见表5。

表5  主应力大小与方位

Table 5 　Values of principal stress and orientation

3个主应力随测点埋深的变化见图4。

◆—最小水平；■—最大水平；▲—垂直应力

图4　大红山地区三维地应力随埋深的变化规律

Fig.4  Variation of 3-D in-situ stress in Dahongshan Irom Mine with the depth of survey sites

通过实测结果发现大红山铁矿区的最大主应力近似呈南北方向，大致垂直于大红山向斜，这一结果很好解释了大红山矿区的地质构造的成因。最大主应  力随深度而大致呈线性增加，当深度大于700 m时，3个主应力上升较快。此外，最大主应力仍处于水平范围内，因此，这一地区仍以水平构造应力为主。矿区中南北向F₃断层的东盘北移和西盘南移，也与该地区的最大剪应力τ_xy相吻合。

4  结　论

a. 采用基于弹性恢复应变的套孔应力解除法能准确测量围岩中的弹性恢复应变，即能准确确定原岩应力场。

b. 6个测点的最大主应力介于南偏西16°到52°之间，平均偏角在南偏西34°。除380 m中段第2测点由于受局部构造和岩体结构的影响外，其余各测点的最大主应力平均倾角为16°46′，最小倾角仅2.88°，因此，矿区地应力以水平构造应力为主。

c. 大红山地应力测压系数λ(即水平应力与垂直应力之比)最小值为0.56，最大值为4.81。我国大陆地区的侧压系数为0.5~5.5，表明大红山地区的侧压系数符合我国地应力侧压系数特征。

d. 最大主应力大致与大红山向斜及背斜脊线垂直，而且最大剪应力为τ_xy，与南北向的F₃断层的东、西盘错切特征完全吻合。大红山地应力的分布规律可用于解释该地区地质构造的力学成因，并说明本次测量的正确性。所得结果为云南大红山富铁矿的开采设计和安全生产以及深部开采中的岩爆等地质灾害的防治和预警具有一定意义。

参考文献：

[1] 王连捷, 潘立宙, 廖椿庭, 等. 地应力测量及其在工程中的应用[M]. 北京：地质出版社，1991.

WANG Lian-jie, PAN Li-zhou, LIAO Chun-ting, et al. In-situ stress measurement and its application in engineering[M]. Beijing: Grology Press, 1991.

[2] 陈京基. 地下巷道长期稳定的力学问题[J]. 岩石力学与工程学报，1982, 1(1): 1-20.

CHEN Jing-ji. On the longterm stability problems of underground turnals[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 1982, 1(1): 1-20.

[3] 贺跃光，颜荣贵，曾卓乔. 急倾斜矿体开采地表沉陷与概化地应力研究[J]. 中南工业大学学报: 自然科学版, 2001, 2(32): 122-126.

HE Yue-guang, YAN Rong-gui, ZENG Zhuo-qiao. Study on the mining surface movement and general changed stress in the earth of rapid incline mining body[J]. Journal of Central South University of Technology: Natural Science, 2001, 2(32): 122-126.

[4] 方建勤, 彭振斌, 颜荣贵. 构造应力型开采地表沉陷规律及其工程处理方法[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2004, 3(35): 506-510.

FANG Jian-qin, PENG Zhen-bin, YAN Rong-gui. The law of tectonic stress mining ground surface subsidence and its engineering treatment method[J]. Journal of Central South University of Technology: Natural Science, 2004, 3(35): 506-510.

[5] 吴满路，廖椿庭，张春山, 等.　红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004,　23(23): 3943-3947.

WU Man-lu, LIAO Chun-ting, ZHANG Chun-shan, et al. Research on in-situ stress measurement and its distribution law in Hongtoushan copper mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(23): 3943-3947.

[6] 曾纪全，雷承第.　广－渝高速公路华莹山隧道围岩地应力测试与岩爆研究[J]. 岩石力学与工程学报，2002, 21(11): 1692-1696.

ZENG Ji-quan, LEI Cheng-di. Study on in-situ stress and rock burst for surrounding rockmass of Huayingshan tunnel of Guang-Yu expressway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(11): 1692-1696.

[7] 姜 云，王兰生.　深埋长大公路隧道高地应力岩爆和岩溶突水问题及对策[J]. 岩石力学与工程学报，2002, 21(9): 1319-1323.

JIANG Yun, WANG Lan-sheng. Problems of high stress rock burst and water outburst and countermeasures in deep and long tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(9): 1319-1323.

[8] 葛修润，侯明勋.　一种测定深部岩体地应力的新方法: 钻孔局部面应力全解徐法[J]. 岩石力学与工程学报，2004, 23(23)：3923-3927.

GE Xiu-run, HOU Ming-xun. New approach to measure goestress: Local borehole-wall complete stress relief method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(23): 3923-3927.

[9] Amadei B, Stephanssen O. Rock stress and its measurement[M]. London: Chapman & Hall, 1997.

[10] 侯明勋. 深部岩体三维地应力测量新方法、新原理及其相关问题研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004, 23(24)：4258-4258.

HOU Ming-xun. Studies on new method and principle of three dimensional crustal stress measurement in deep borehole and related issues[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(24): 4258-4258.

[11] 蔡美峰. 地应力测量原理和技术[M]. 北京：科学技术出版社, 2002.

CAI Mei-feng. The principle and technique of in-situ stress measurement[M]. Beijing: Science and Technology Press, 2002.

[12] 蔡美峰, 乔 兰, 余 波, 等. 金川二矿区深部地应力测量及其分布规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，1999, 18(4): 414-418.

CAI Mei-feng, QIAO Lan, YU Bo. Results and analysis of in-situ stress measurement at deep position of No.2 mining area of Jinchuan nichkel mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(4): 414-418.

[13] 田治友. 矿区原岩应力场的测定与研究[J]. 有色矿山，1994，3(5): 21-26.

TIAN Zhi-you. Measurement and study of in-situ stress field in mining area[J]. Nonferrous Metals: Mining, 1994, 3(5): 21-26.

[14] 董 诚, 王连捷, 杨小聪, 等. 安庆铜矿地应力测量[J]. 地质力学学报，2001, 7(3)：259-263.

DONG Cheng, WANG Lian-jie, YANG Xiao-cong, et al. Stress measurement of Anqing Coper Mine[J]. Journal of Geomechanics, 2001, 7(3): 259-263.

收稿日期：2006-09-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374073)；湖南省自然科学基金资助项目(06JJ4062)

作者简介：陈　枫(1947-)，男，上海市人，博士，教授，博士生导师，从事岩土力学、固体材料断裂与强度研究

通讯作者：陈　枫，男，博士，教授，博士生导师；电话：0731-8876593；E-mail: ChenFeng@mail.csu.edu.cn