矿山地应力测试方案样本
杜家村矿地应力测试试验
３ 测试 过 程及 结果 分析
３ １ 测 试 仪 器 ．
鄂尔多斯地 区） 方向的压应力 ， 宁武 煤盆地东缘形 成一 系列逆 在 本次测试采用 Ｃ Ｉ Ｏ型空芯包体应 变计 ， 消除温度 变化可 （ ＳＲ 为 断层和褶 曲。在宁武煤盆地 的东 缘 ， 由于受到 五台古老 地块 的抵 能对测量结果造成 的影 响 ， 在应力计 的顶部加设 了一 个补偿 应变 也形成 了逆 断层 ， 这样就形成 了宁武煤盆 地南 部的构 造形态 。 片。应 变仪为 Ｋ Ｊ Ｂ 型智 能数字应 变仪 （ 北京泰瑞金 星仪器 有限公 抗 ， 在煤 盆 地 轴 司研制 ， 测试精度 达到 ０ １ ） ． ％ 。定 位器 、 测试 泊松 比和岩芯 弹模 构造线总体 方 向为 北 北东一南 南 西 向。除 此 之外 ， 受边缘构造影 响较 小 ， 还局 部保 留有与 山西 陆 台南北 向翅 起 的率定器 均 为 中 国 地 质科 学 院地 质 力 学 研 究 所 研 制 ， 图 ２ 部 ， 如 ， 同时形成 的南北 向褶 曲的残 留部 分。 图 ３所 示 。
井 田的东南 角发 育 有两 条 断裂 构造 ， 断裂 带 附近 可见 近 直立 地
变和位移 的变化 数 据记 录 下来 ， 获得 测量 数 据。根 据 岩石 的应
力一应变本构关系 ， 立 相应 的力学 计算 模型 ， 根 据观 测 到 的 建 再
层 。井 田内未发 现有 陷落柱和岩浆 岩侵入 。杜 家村正 断层 ： 横穿
８１９ ．４ — ．０ ３６ ９ ．３ ０ ９ １５ ７ ５４ ２ Ｉ７ １ ．１ ００ ２ ５８ ９ ．７ — ．３ １３ ９ ３２ ２ ．０ ７７ ２ ．４ １ ．８ ２２ ２
—
图 １ 在 ＂￣－ Ｙ向最大应力（ ） ４ ｒ ｆ 二 （ 单位： ａ ＭＰ ）
6-2 地应力测量方法
另一方面，它也有和孔径变形法相类似的 问题，即一孔测量也只能解决二维应力， 如若需要求解原岩应力的六个应力分量， 就必须打互不平行的三个钻孔进行测量。 但该法也有自己的优点，即它不需很长的 套孔岩芯，因而有可能在较为破碎的岩石 条件下使用。
② 孔底应变计测量计算原理 0 , 45 , 90 由CSIR门塞式孔底应变计测得的三个应变值（0°， 45°，90°代表该应变片与x轴的夹角），那么由下 列公式可求得孔底平面上在未套孔前的应力状态：
1 2
（4-10）
U 式中： ,U ,U 为相互间隔60°的三个径向方向的变形 值； 为 U 和 1 之间的夹角，从 U 逆时针到 1 为正，
1 2 3
1
1
同时 的范围限制如下：
当 当 当 当
U 2 U3
U 2 U3
U 2 U3
U 2 U3
且 U U 2U 且 U U 2U 且 U U 2U 且 U U 2U
（4-13）
其中，a,b,c,d四个系数没有理论解，只有通过试验 或数据分析获得，因此，不同的研究者给出不同的 值，古德曼给出的值是： a 1.30
b 0.085 0.15 2 c 0.473 0.91 d 1.423 0.027
（3）孔壁应变法 在三维应力场作用下，一个无限体中的钻孔 表面及周围的应力分布状态可以由弹性理论 给出精确解， 从而通过应力解除测量钻孔表面的应变，即 可求出钻孔表面的应力，并进而精确地计算 出原岩应力状态。 南非CSIR三轴孔壁应变计就是根据这个原理 研制出来的。
式中： E , , G 剪切模量。
这里所得的 , , 并非原岩应力，而是孔底平面上经 过开挖扰动后的次生应力。它们可以由下列公式和 原岩应力场的六个应力分量联系起来：
阿舍勒铜矿地应力测试
且均为压性应力 ，与采场长轴方向基本 一致 ，有利于采场 的稳定 ，重力应力为第二主应力 ，表明采场的稳定性 主要受到重力应力的影 响。
关键词 阿舍勒铜矿 地应力 套孔应力解除法 岩爆
地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然 象发生、露天矿边坡失稳滑动 ，矿井生产不能正常 应力 ，也称 岩体初 始应力 、绝对应力或原 岩应力 。 进行 ，并经常引起严重事故，造成人员伤亡和财产
距离） 和平均容重有关 ，这种应力称为静岩应 力状 顺序的选择和对采用胶结充填 的矿区充填材料 的选 态 ，或称标准应力状态 。在地应力 中，偏离静岩应 择 。 力状态的那部分应力称为构造应力 ，是 由过去构造
根据相关资料 ，阿舍勒铜矿区不属于地震最强
运动所产生而遗 留下来 的。地应力是引起采矿 、水 带 ，但属地壳不稳定区。调查表明 ，在阿勒泰地区 利水电、土木建筑 、铁道 、公路 、军事和其他各种 除了上世纪 ８ 年代在富蕴县的喀拉通克铜镍矿做过 ０ 地下 或露天岩 石开挖 工程变形 和破坏 的根本作 用 地 应力 测量 工作 外 ，并 无其 他地 应 力实测 工作 。 力 ，是确定工程岩体力学属性 ，进行 围岩稳定性分 《 新疆 阿舍勒铜矿初步设计书》 建议在适 当的时候 析 ，实现岩石工程开挖设计和决策科学化 的必要前 开展矿区的地应力测试工作。 目 ，矿 山的开采 已 前 提条件㈣ 。
通常是通过一点一点的量测来完成 的。岩体 中一点 后一米 钻取 岩芯 ，岩芯长度 ＞２ 的采取 ２ 件 。 ０ｃ ｍ ～３
的三维应力状态可由选定坐标系中的 ６ 个应力分量 在实验室将采取的岩芯经切 、钻、磨加工成 ５ ０ Ｘ 来表示 。这个坐标 系可 以根据 需要和方便 任意选 １０ ｎ３ ０ ｎ 规则试件 ３ ５ ，用于测试岩石的弹性模 ｒ ～ 件 择 ，但一般选取地球坐标系作 为测量坐标 系 ，由 ６ 量和泊松比。钻孔扩孔到位并达到孔深设计位置时 ，
06地应力测量及计算2
15
6.3 地应力的测量方法
一、现场测量：
对于现场测量方法，从测量方法的原理来看，可以分为截然不同的两
种方法: （这两种方法都是适用于矿山测量）
A B 采用钻孔来接近量测地点, 确定钻孔壁的应变或钻孔其它变形； 在钻孔壁上的特定位置测定环向正应力分量。
4
6.2 地应力的成因及分布特点
地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分 清楚的问题。30多年来的实例和理论分析表明，地应力形 成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块 边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋 转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水 压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的 应力场。其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场 的主要组成部分。
方位确定最大水平地应力方向。
18
6.3 地应力的测量方法
2、水力压裂井壁受力模型
图6-1 井壁受力的力学模型
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6.3 地应力的测量方法
图6-2 井壁岩石应力状态图
20
6.3 地应力的测量方法
现场水力压裂试验法是目前进行深部绝对应力测量的最直接方法， 它是根据试验测得的地层破裂压力，瞬时停泵压力，裂缝重张压力反 算地应力，其基本假设为：
一）地质构造对地应力的影响
二）断层对地应力的影响
断层的形成是地层在地应力作用下发生破裂和滑动的结果，在一定的应 力场作用下，所形成的断层类型是基本固定的。 假定：断层所在地点的主应力方向之一是垂直的；在断层形成之前，岩 石是完整的，产生断层的岩石破裂过程遵循库伦准则，则可以由断层类型推 断三向地应力的相对大小。
金口岭矿区地应力测试分析
CUMT-矿山岩体力学地应力测量
USBM孔径变形计在良好岩石条件下，测量 成功率80%以上；而在极为破碎的岩石条件 下，成功率仅为5%。 USBM孔径变形计测量数量误差20～100%， 方向误差10 ～25%。
16d(1 E 2) (U 2 2 1 U (U 2 1 U U 3)2 )2(U 2U 3)2(U 3U 1)2
CUMT-矿山岩体力学地应力 测量
§7.1.0 基本概念
（1）地应力：
英语名称：virgin stress of rock (rock mass) initial stress of rock (rock mass)
指存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。 也称原岩应力、初始应力。
§7.1.0 基本概念
2、测量步骤： （1）试件准备：测三维应力状态，须沿6 个方向制备试件，每个方向15～25块。 （2）声发射测试：加载速率恒定。 （3）计算地应力：
§7.3.4 声发射法
图7-15 应力-声发射 事件试验曲线图
§7.3.4 声发射法
3、特点分析： （1）最大历史应力与地应力； （2）不能测定比较软弱疏松岩体中的应力。
（2）原岩：
英文名称：virgin/initial rock 指未受采掘影响的天然岩体。
（3）原岩应力场：
英文名称：virgin/initial stress field of rock 指原岩应力在岩体内的分布。
§7.1.0 基本概念
（4）自重应力：
英文名称：gravity stress 指由于上覆岩层重力引起的应力。 也称岩重应力。
构造应力和重力应力是地应力的主要组成部分。
（1）5000万年前的地球； （2）1亿年前的地球； （3）1.7亿年前的地球； （4）2亿年前的地球。
地应力测试方法
地应力主要测试方法总结摘要：本文总结了目前使用较为广泛的26种地应力测试，并对这些方法的基本原理做了简要介绍。
这26种方法按照数据源途径可以分为5大类，分别为基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理学方法以及基于地下空间的方法。
最后文章对这些方法进行了的优缺点和适用范围进行了分析对比。
蓄存在岩体内部未受到扰动的应力称之为地应力，地应力可以分为两类，原地应力和诱发应力，而原地应力主要来自五个方面:岩体自重、地质构造活动、万有引力、封闭应力和外部荷载。
地应力具有多来源性且受到多种因素的影响，因此地壳岩体地应力分布复杂多变。
从海姆假说认为“岩体中赋存的应力近似为静水压力状态，且等于上覆岩体自重”到金尼克假说认为“垂直应力等于上覆岩体自重，水平应力等于岩体泊松效应产生的应力”，人们对岩体应力的认识逐步提高，并利用实测数据否定了以上两种假说。
社会发展的需求直接催生了大量地应力测试和估算方法，而这些方法的发展又进一步促进了人类社会的基础设施建设、资源和能源开发。
随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”问题(高地应力、高地温、高水压) 将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题。
准确确定深部开发空间区域的原地应力状态是解决以上难题的必要途径之一，这就需要进行地应力测试方法和技术的研究。
从地应力概念提出至今，各国科学家提出了数十种地应力测试方法，将其按照数据来源进行归类，大概可以分为五大类:基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法( 或地震学方法)、基于地下空间的方法。
下面将对各种方法的测试原理和方法发展的脉络作一些简要介绍，表1包括了目前认可程度和使用范围较广的各种方法.表1 原地应力测试和估算方法汇总1 基于岩心的方法1.1 非弹性应变恢复法非弹性应变恢复法(ASR)是通过测量现场从井孔取得的定向岩芯与时间相关的应变松弛变形来反演原地应力场方向和量值的一种方法。
(整理)地质力学测试
煤矿急倾斜煤层——地应力学测试方案1 前言1.1 地质力学的基础地位巷道围岩是一个极其复杂的地质体。
与其它工程材料相比，它具有两大特点：其一是岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏。
因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是锚杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。
地应力是引起采矿及其他各种地下工程变形和破坏的根本作用力。
巷道围岩变形和破坏取决于地应力、围岩性质及支护方式。
地应力的大小和方向对巷道围岩稳定影响极大。
地应力测量是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。
支护设计是锚杆支护中的一项关键技术，对充分发挥锚杆支护的优越性和保证巷道的安全具有十分重要的意义。
如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端：其一是支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度；其二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故。
为了对采矿工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查。
在诸多的影响岩体开挖工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要最根本的因素之一。
近几年来，随着煤巷锚杆支护技术的迅速发展，作为该技术中的关键内容之一，巷道围岩地质力学测试也逐步得到重视，测试结果应用于支护设计，显著提高了支护设计的合理性和可靠性。
锚杆支护有多种设计方法，目前，动态信息设计法得到广泛认可与应用。
动态信息法具有两大特点：其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。
该设计方法包括五部分：巷道围岩地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈与修正设计。
其中，巷道围岩地质力学测试与评估是锚杆支护设计的必要基础，包括：①巷道围岩岩性和强度。
金川二矿深部1000m中段地应力测量及应力状态研究
STUDY ON RECENT STATE OF STRESS IN DEPTH 1 000 M OF JINCHUAN MINE
WU Manlu1，MA Yu1，LIAO Chunting1，LEI Yang2，GAO Zhi2，OU Mingyi1
(1. Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Science，Beijing 100081，China； 2. Jinchuan Group Ltd.，Jinchang，Gansu 737100，China)
• 3786 •
岩石力学与工程学报
2008 年
割，将矿体分为 4 个相对独立的矿区，由西向东依 次为三矿区、一矿区、二矿区、四矿区。一矿区已 全面开采，包括前期开采的露天矿和已经转入井下 开采的龙首矿；二矿区浅部开采已基本结束，现已 进入深部开采阶段；位于东、西部的四矿区和三矿 区，目前还未进入开采阶段。二矿区是金川镍矿的 主力矿山，年出矿量 350×10 t，占整个矿山矿石产 量 70%以上，二矿区的连续、高效、安全开采对整 个矿山意义重大。 地应力是引起巷道、采场变形破坏的根本作用 力，地应力测量对矿山开采设计具有重要意义。对 于金川矿区中浅部及邻区现今构造应力场的研究， 前人已做过大量工作
[3]
。
2.2 测点布置 为了解金川二矿区 1 000 m 中段岩体的应力状 态，开展了本次现场应力测量工作，在工程地质调 查的基础上，结合现场施工条件，确定如下 7 个测 点位置(见图 1)：在 20 行穿脉和沿脉方向各布置 1 个测点，分别在 22，25，14，12 行穿脉方向上各布 置 1 个测点，在 6 行围岩中布置 1 个测点。7 个测 点均布置在新鲜完整的围岩或矿体中，分布均匀， 且基本涵盖了各种岩性。测点大部分位于巷道掌子 面上，避开了巷道弯、叉、拐等应力集中区以及岩 石破碎带、断裂发育带，同时测点也尽量远离大的 采空区和洞室。各测点的布置情况如下： ， (1) 20 行穿脉测点(测点 1)：钻孔方位角 55° 。该测点位于巷道掌子面上，岩性为富矿， 倾角－4° 岩石坚硬完整，节理裂隙不发育，取芯率达 80%。 该测点共进行了 3 个测段的地应力测量，解除曲线 和率定曲线均显示应力计工作状态良好，测量数据 可靠。 ， (2) 20 行沿脉测点(测点 2)：钻孔方位角 130° 倾角－5° 。该测点位于巷道壁上，岩性为富矿，开 孔数米巷道围岩松动圈内岩石较破碎，测量段岩石
地应力及其测量
一、概述－研究地应力的重要性
地应力是各种岩石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,实现开挖设 计和决策科学化的必要前提条件.
地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油 井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究 以及地球动力学的研究等也具有重要意义.
当θ＝0°时, σθ取得极小值, σθ＝3 σ2－ σ1
当水压达到 P i 32 1T 孔壁发生初始开裂
当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应力状态
停止加压,保持压力恒定,记此时压力为Ps
Ps 2
21
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时,则初始开裂压力Pi
原岩应力基础知识
1
本章内容
概述 地应力场的分布规律 地应力测量方法
2
一、概述
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体. 原岩应力亦称初始应力或地应力：
定义一：原岩中存在的应力. 定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力.
次生应力或诱发应力受工程扰动之后的天然应力状 态,J.Hudson:由于受井巷开挖、矿产资源开采等工 程影响,原岩应力平衡状态被破坏后的应力. 这一转换过程称为应力重分布.
无限体——圆形钻孔 平面应变受力状态
几点假定
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷 远处二维应力场σ1最大水平应力, σ2最小水平应力 , 其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：
1 2 2 1 2 c2 os
3 2 1
r 0
周边一点与σ1轴的夹角
6
一、概述－地应力的成因
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矿山地应力测试工作方案
湖北省XXXXXX勘察院
4月
目录
1 前言............................... 错误!未定义书签。
2 地应力的基本原理 ....................... 错误!未定义书签。
2.1 地应力的基本概念 ..................... 错误!未定义书签。
2.2 地应力的组成部分和影响因素............ 错误!未定义书签。
2.3 地应力场的变化规律 ................... 错误!未定义书签。
2.4 中国地应力场的区域划分 ............... 错误!未定义书签。
3 水压致裂法试验介绍 ..................... 错误!未定义书签。
3.1 水压致裂法基本原理 ................... 错误!未定义书签。
3.2 水压致裂法地应力测量的主要设备......... 错误!未定义书签。
3.3 水压致裂法测试步骤.................... 错误!未定义书签。
4 测试结果 ............................... 错误!未定义书签。
4.1 参数确定 ............................. 错误!未定义书签。
4.2 现场实测 ............................. 错误!未定义书签。
5 测试成果综合分析 ....................... 错误!未定义书签。
5.1 试验结果的可靠性分析 ................. 错误!未定义书签。
5.2 最大水平主应力的量级 ................. 错误!未定义书签。
5.3 最大水平主应力的方向 ................. 错误!未定义书签。
5.4 侧压系数及应力构成分析 ............... 错误!未定义书签。
5.5 分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系错误!未定义书签。
6 地应力场反演分析 ........................ 错误!未定义书签。
6.1 有限元数学模型多元回归分析法基本原理... 错误!未定义书签。
6.2回归结果分析........................... 错误!未定义书签。
1前言
地应力是引起采矿和其它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、巷道地压显现的根原来源。
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
蓄存在岩体内部未受扰动的应力, 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。
她认为, 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内部的应力, 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。