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20165岩石力学蔡美峰版 读书笔记_图文

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20165 岩石 力学 蔡美峰版 读书笔记 图文
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北京科技大学采矿理论与技术新进展 》地应力测量与采矿设计优化北京科技大学 地应力的基本概念及地应力测量的重要性二 、 地应力场测量的基本原理和主要方法三 、 地下矿山采矿设计优化四 、 大型深凹露天矿边坡设计优化内容提要北京科技大学蔡美峰著 。 地应力测量原理和技术 。 科学出版社 , 2000年 。2、 蔡美峰著 。 金属矿山采矿设计优化与地压控制 。科学出版社 , 2001年 。3、 蔡美峰主编 , 何满潮 、 刘东燕副主编 。 岩石力学与工程 。 科学出版社 , 2002年 。参 考 书北京科技大学应力的基本概念及地应力测量的重要性F 应力的基本概念及地应力测量的重要性北京科技大学地应力是存在于地层中的天然应力 , 也称原岩应力 、 岩体初始应力 、 绝对应力等 。 它是引起采矿 、 水利水电 、 土木建筑 、 铁道 、 公路和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力 。 准确的地应力资料是实现采矿和岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件 。第一节 地应力的基本概念及地应力测量的重要性北京科技大学30多年来的实测和理论分析表明 , 地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关 , 包括: 大陆板块边界受压 地幔热对流 地球内应力 地心引力 地球旋转 岩浆侵入 地壳非均匀扩容 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 。应力的成因及其一般分布规律北京科技大学中国大陆板块受到印度洋板块和太平洋板块的推挤 , 同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束 , 产生水平受压应力场 。 印度洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形成 , 控制了我国地震的分布 。应力的成因及其一般分布规律北京科技大学地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 , 它是时间和空间的函数 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 水平应力普遍大于垂直应力 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小 , 但在不同地区 , 变化的速度很不相同 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大 , 显示出很强的方向性 地应力的上述分布很会受地形 、 地表剥蚀 、 风化 、 岩体结构特征、 岩体力学性质 、 温度 、 地下水等因素的影响 , 应力的成因及其一般分布规律北京科技大学应力分布状态的复杂性和多变性 构造运动和重力作用是引起地应力的主要原因 , 其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大 。 当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制 , 但也与历史上的构造运动有关 。 亿万年来 , 地球经历了无数次大大小小的构造运动 , 各次构造运动的应力场也经过多次的叠加 、 牵引和改造 , 造成了地应力状态的复杂性和多变性 。 即使在同一工程区域 , 不同点地应力的状态也可能是很不相同的 , 因此 , 地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得 。 要了解一个地区的地应力状态 , 唯一的方法就是进行地应力测量 。 地应力测量的重要性北京科技大学传统的采矿及其它岩土工程的开挖设计和施工是根据经验来进行的 ( 查手册 ) 。 当开挖活动是在小规模范围内和接近地表的深度上进行的时候 , 经验类比的方法往往是有效的 , 但是随着开挖规模的不断扩大和不断向深部发展 , 经验类比法已越来越失去其作用 。 为了对各种岩土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 。 地应力测量的重要性北京科技大学对矿山设计来说 , 只有掌握了具体工程区域的地应力条件 , 才能合理确定矿山总体布置 , 选取适当的采矿方法 , 确定巷道和采场的最佳断面形状 、 断面尺寸 、 开挖步骤 、 支护形式 、 支护结构参数 、 支护时间等 , 从而在保证围岩稳定性的前提下 , 最大限度地增加矿石产量 , 提高矿山经济效益 , 从而实现采矿工程的优化 。 地应力测量的重要性北京科技大学根据弹性力学理论 , 巷道和采场的最佳形状主要由其断面内的二个主应力的比值来决定 , 为了减少巷道和采场周边的应力集中现象 , 它们最理想的断面形状应是一个椭圆 , 而这个椭圆在水平和垂直方向的两个半轴的长度之比应与该断面内水平主应力和垂直主应力之比相等 。 在此情况下 , 巷道和采场周边将处于均匀等压应力状态 。 这是一种最稳定的受力状态 。 地应力测量的重要性北京科技大学在确定巷道和采场走向时 , 也应考虑地应力的状态 , 最理想的走向是与最大主应力方向相平行 。 地应力测量的重要性北京科技大学由于采矿工程的复杂性和形状多样性 , 利用理论解析的方法进行工程稳定性的分析和计算几乎是不可能的 。 但是 ,近 20年来大型电子计算机的应用和各种数值分析方法的不断发展 , 使采矿工程成为一门可以进行定量设计计算和分析的工程科学 。 所有的计算和分析都必须在已知地应力的前提下进行 。 如果对工程区域的实际原始应力状态一无所知 , 那么任何计算和分析都将失去其应有的真实性和实用价值 。 地应力测量的重要性北京科技大学应力测量原理与方法F 应力测量原理与方法北京科技大学x z y z y 述 基本原理 测量地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态 ( 原岩应力 ) , 这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的 。 由于地应力状态的复杂性和多变性 , 要比较准确地测定某一工程区域的地应力 , 就必须进行充足数量的 “ 点 ” 测量 。在此基础上 , 可以借助数值分 岩体中任一点三维应力状态析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法,建立工程区域的地应力场分布模型。北京科技大学要测量方法直接测量法: 由测量仪器直接测量和记录各种应力量 , 如补偿应力 、 恢复应力 、 平衡应力 , 并由这些应力量和原岩应力的相互关系 , 计算出原岩应力值 。 在计算过程中并不涉及不同物理量的换算 , 不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系 。间接测量法: 不是直接测量应力值 , 而是测量岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化 , 如岩体中的变形或应变 ,弹性波传播速度的变化等 , 然后由测得的间接物理量的变化 ,通过已知的公式计算出岩体中的应力值 。 为了计算应力值 ,首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系 。述北京科技大学扁千斤顶法( 刚性包体应力计法( 水压致裂法( 声发射法( 述北京科技大学套孔应力解除法( by  局部应力解除法( 松弛应变测量法( 孔壁崩落测量法( 地球物理探测法( 述北京科技大学水压致裂法测量原理 发展历史 弹性力学基本理论孔边应力分布:12θ2121小 值σ时 ,002c o s)(2r(1)北京科技大学水压致裂法基本假设垂直方向是一个主应力方向,其值等于自重力岩体线性、均质、各向同性渗透符合达西定律(2)北京科技大学量步骤(1) 钻孔 ( 地质勘探 ) 、选段 ( 完整 ) 、封隔 ( 气或液 ) ;直径: 38、 51、76、 110、130;水压致裂法北京科技大学)加水压将孔壁压裂(3)(3)关闭加压系统(4)由 (3)和 (4)可求出 1和 2,但需要知道 T。0123 i  2水压致裂法北京科技大学) 重新加压使裂隙张开(5)由 (3), (4)即可求出 1,2, 不需要知道 T。(5) 关闭加压系统 , 再次测得 (6) 将封隔器完全卸压 ,连同加压管等全部设备从钻孔中取出 。0123 PP r  水压致裂法北京科技大学) 测量水压致裂裂隙的方位 。 采用井下摄影机 、 井下电视 、 井下光学望远镜或印模器 。 印模器简便实用 。 将印模器连同加压管路一起送入井下的水压致裂部位 , 然后将印模加压膨胀 , 钻孔上的裂隙均即可印在印模器上 。 印模器装有定向系统 , 可确定裂隙的方位 。最后 , 测点 ( 即试验段 ) 水平面内的二个主应力 σ1和 σ2的大小和方向确定了 。 再加上垂直方向主应力 σ 测点的三维应力状态 ( 三个主应力的大小和方向 )就确定了 。水压致裂法北京科技大学 优点:能测深部地应力适用于采矿和岩土工程前期地应力评估 缺点:主应力方向是假设的在多节理 、 裂隙岩体中适用性差 。水压致裂法北京科技大学孔应力解除法测量原理在应力场作用下 , 岩体产生变形 。 如果将岩体中的一部分与周围岩体分离 ,使其脱离应力场作用 ( 实现应力解除 ) , 这部分岩体中的变形将恢复 , 测量出这部分恢复应变 , 即可计算出作用在岩体上的地应力的大小和方向 。北京科技大学孔应力解除法测量步骤1) 从岩体表面 (地下巷道 、 隧道 、峒室等表面 )向岩体内部打孔 ,直至需要测量岩体应力的部位 。大孔直径 130大孔深度为巷道 、 隧道或开挖峒室跨度的 3倍以上 , 从而保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区 。为了便于下一步安装测试探头 ,大孔要保持一定的同心度 , 尽量打直 。应变计探头 套芯大孔 安装小孔 套孔岩芯 ( d ) ( c ) ( b ) ( a ) 北京科技大学从大孔底打同心小孔 , 供安装探头用 , 小孔直径为 36~38小孔深度一般为孔径的 10倍左右 , 从而保证小孔中央部位处于平面应变状态 。3) 用一套专用装置将测量探头安装 (固定或胶结 )到小孔的适当位置 。4) 用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔 , 从而使小孔周围岩芯实现应力解除 。 由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并记录下来 。5) 根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围岩体中的原岩应力状态 。孔应力解除法北京科技大学孔应力解除法主要测量方法 孔径变形测量法( 孔底应变测量法( 孔壁应变测量法( 空心包体应变测量法( 实心包体应变测量法(孔应力解除法北京科技大学孔应力解除法北京科技大学孔应力解除法北京科技大学 受到无穷远处的三维应力场(x,y,z,作用时 , 孔边围岩应力分布公式为: 2c o s)31(2)1(2 442222  2s 41( 4422   2c o s)31(2)1(2 4422  2s 1( 44     2s i o 222(6)(7)(8)孔应力解除法北京科技大学  2c o i 4224422    221c o ss i n     221s o s (9)(10)(11)注意:① 在上述公式中 , 原岩应力采用的是直角坐标系 , 孔边的围岩应力状态采用柱坐标系;② 柱坐标系的 柱坐标系的 角从  而 z′ 为受开挖影响的孔边围岩中任一点 当 r→∞ 时 , z′ = z 。孔应力解除法北京科技大学孔应力解除法北京科技大学 只有 , z’, 每个电阻应变花的 4支应变片所测应变值 , z, 45,  135 ) 和它们的关系式为 '1      '1              z z z      2 245 450 0 (12)(13)(14)孔应力解除法北京科技大学孔壁应变和三维原岩应力分量 (x, y, z, 间的关系式将 , z′, x, y, z,  可得到下列方程                       1 2 1 2 2 22E x y x y xy s s      z z x  1        45 0 12 z z    s i nc (15)(16)(17)(18)孔应力解除法北京科技大学 从 6个应力分量即可以算出测点三个主应力加大小和方向 。每组应变花的测量结果可得到 4个方程 , 三组应变花共得到 12个方程 , 其中至少有 6个独立方程 , 因此可求解出原岩应力的 6个分量 ( x, y, z, 。孔应力解除法北京科技大学孔壁应变计围压试验结果计算测点岩石弹性模量和泊松比的公式2220 2  z(19)(20)式中: E, , 孔应力解除法北京科技大学测量原理: 空心包体应变计的主体是一个外径 37壁厚 2 三组和孔壁应变计类似的应变花嵌贴在筒壁的中间 。2) 空心包体应变计算地应力的方式                       1 2 1 2 2 21 2 2 4E k k kx y y x xy s      z z x  1        z yz k  4 1 3s )(2145   (21)(22)(23)(24)孔应力解除法北京科技大学空心包体应变计应变数据计算地应力的公式和孔壁应变计具有几乎相同的形式 。 多了 4个修正系数 称 , 用以修正由于在空心包体应变计中 , 应变片不是直接粘贴在孔壁上 ,而是与孔壁有 1 因而其测出的应变值和孔壁应变计测出的应变值是有区别的 。 泊松比 、 空心包体的几何形状 、 钻孔半径等有关的变数 。 对于每一次应力解除试验 , 都必须具体计算该测点的  岩石力学与工程 》 ( 蔡美峰主编, 何满潮 、 刘东燕副主编 ) 第 170页 。孔应力解除法北京科技大学空心包体围压试验计算测点岩石弹性模量和泊松比的公式和空壁应变计的围压试验计算公式也基本相同 , 但在公式 (4中多了一个 它是由蔡美峰推导出来的 。222012  z(25)(26)孔应力解除法北京科技大学空心包体应变计优点应变计和孔壁在相当大的一个面积上胶结在一起 , 因此胶结质量较好 。胶结剂还可注入应变计周围岩体中的裂隙 、 缺陷 , 使岩石整体化 , 因而较易得到完整的套孔岩芯 。可用于中等破碎和松软的岩体中 , 且有较好的防水性能 。目前空心包体应变计已成为世界上最广泛采用的一种地应力解除测量仪器 。5) 北京科技大学蔡美峰教授等发明了 “ 实现完全温度补偿并考虑岩体非线性的地应力解除测量技术 ” , 使地应力测量的可靠性和精度大幅度提高 。孔应力解除法北京科技大学孔应力解除法北京科技大学个矿山地应力测量结果表 1 新城金矿应力解除法各测点主应力计算结果测点号深度(m)最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 3数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )1 205 05 05 29 35 35 35 35 35 35 10 10 10 10 3 10 10 10 19 10 ( 7)( ( 9)( ( 8)地应力场分布模型 ( 线性回归 ) :6 a x, i n,  3 5 个矿山地应力测量结果北京科技大学 线值随深度的统一回归曲和 vm i nh,m a σσσ 、个矿山地应力测量结果北京科技大学 峨口铁矿水压致裂法各测点主应力计算结果h h v钻孔号 深度 (m)数值( 方向 ( ) 数值( 方向 ( ) ( 1 60 0 63 3 71 1 52 2 个矿山地应力测量结果北京科技大学 峨口铁矿应力解除法各测点主应力计算结果测点号最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 3数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )个矿山地应力测量结果北京科技大学 灰色建模理论 ) :)(a x, M P ( 10)( 11)( 12)式中:分别为最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力;为区域坐标, 11 m i n, M P )(3 3 P vm i nh,m a σσ,σ 和;10/,1 0 0/,1 0 0/ 个矿山地应力测量结果北京科技大学度 (m)最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 3数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )1 210 18 10 42 60 50 50 18 个矿山地应力测量结果北京科技大学性回归):( ( 13)( ( 14)( ( 15)a x,  2 i n,  2 个矿山地应力测量结果北京科技大学 梅山铁矿 与深度的关系 vm i nh,m a σσ,σ 个矿山地应力测量结果北京科技大学 金川镍矿各测点主应力计算结果测点号 深度 (m)最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 3数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )1 550 50 50 50 00 00 00 00 60 60 个矿山地应力测量结果北京科技大学性回归):( ( 16)( ( 17)( ( 18) 50 a x,  20 i n,  2 5 个矿山地应力测量结果北京科技大学 金川镍矿 与深度的关系vm i nh,m a σσ,σ 个矿山地应力测量结果北京科技大学 玲珑金矿各测点主应力计算结果测点号深度(m)最大主应力 1 中间主应力 2 最小主应力 3数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )数值(向( )倾角( )1 250 50 90 90 90 90 90 70 70 10 10 70 个矿山地应力测量结果北京科技大学性回归):( ( 19)( ( 20)( ( 21) 5 5 a x, i n,  2 8 个矿山地应力测量结果北京科技大学 玲珑金矿 与深度的关系 vm i nh,m a σσ,σ 个矿山地应力测量结果北京科技大学五个矿山的地应力分布状态基本相同 , 即在三个主应力中 , 均有二个接近于水平方向 , 另一个接近于垂直方向 。2) 五个矿山的最大主应力均位于近水平方向 , 最大水平主应力值为自重应力的 2倍左右 。 说明这五个矿山的地应力场是以水平构造应力
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