露天转地下开采对矿岩稳定性影响的研究

  本文关键词：露天转地下开采对矿岩稳定性影响的研究，由笔耕文化传播整理发布。

露 天 转 地 下 开 采 对 矿 岩 稳 定 性 影 响 的 研 究

（申请

工 学硕士学位论文 ）

露天转地下开采对矿岩稳定性影响的研究

彭

培 养 单 位 ： 资源与环境工程学院 学科专业：采矿工程

涛

研 究 生 ：彭<

br />
涛

武 汉 理 工 大 学

指导老师：张世雄（教授、博导）

2003 年 11 月

分类号 UDC

密 级 学校代码

10497

学
题 英 题

位

论

文

目 露天转地下开采对矿岩稳定性影响的研究 文 Study to Influence on the Stability of Mine Rock in the 目 Transition from Surface Mining to Underground Mining 彭 姓名 姓名 单位名称 工 学科专业名称 2003.11 武汉理工大学 张世雄 职称 职称 邮编 采矿工程 论文答辩日期 2003.12 学位授予日期 评阅人 单位名称 涛 教授 学位 博士 邮编 430070

研究生姓名 指导教师 副指导教师

武汉理工大学

申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 答辩委员会主席

2003 年 11 月 8 日
２

中文摘要
本文以《大冶铁矿东露天高陡边坡转地下开采》项目为依托，对露天转 地下开采对矿岩稳定性影响进行了初步研究。通过对矿区的工程地质、水文 地质、岩体力学参数、地应力等的调查研究，取得合理的数值模拟计算参数 及模型范围尺寸。借助 AUTOCAD、Rhino、ANSYS 等软件建立三维计算模型及 网格划分。采用 ALGORFEA 软件进行有限元计算，研究了首采矿段西部从－ 24m 至－48m 高程内三个分段开挖所引起的新的次生应力场的变化规律，表 明矿岩体应力进一步释放， 其破坏机理以受拉破坏为主，压应力集中通常不 造成对岩体的破坏， 圈定了可能出现破坏的范围，提出了相应的安全技术措 施，为矿山安全生产提供了科学的指导。 巷道的收敛量测能够灵敏准确地判断巷道围岩的稳定性， 并预报其变形 加速、破坏和围岩坍塌时间，从而指导地下开采作业安全、高效的进行。建 立一套完善的管理体制和预警、避险办法，对减少事故的发生能够起到积极 作用。 有效的矿山安全管理应是主动的超前管理， 应是相互协作条件下的综合 化和系统化管理，应是一种充分调动人的主观能动性的“自我控制”管理， 其实质就是整个矿山系统的本质安全化。因此，搞好矿山安全管理，有助于 矿山企业科学减灾及经济效益的提高。

关键词：露天转地下、地应力测量、有限元分析、收敛量测、矿山安全管理

３

Abstract
This thesis relies on the project of Transition From Surface Mining to Underground Mining of East-trip-mine in Daye Iron Mine. It elementarily studies the influence on the stability of mine rock in the transition from surface mining to underground mining. Researchers obtained reasonable parameters and the rang size of model for calculating simulation through researching the mine field’s engineering geology, hydro geology, mechanical parameters of rocks, ground stress, setting up three-dimension calculating model and parting them by reseau with the aid of softwares, such as AutoCAD, Rhino and Ansys. This thesis, at the same time, calculates the finite element model with the software of Algor, and studies the changing characteristic of the new hypro-accrued stress field which is caused by the mass excavation in the three sublevels from the -24m to -48m range in the west while excavating at the first level. It indicates that the mechanism of rock breakage in the further relaxation of rock stress can be defined as tension. Generally, the accumulation of compressive stress doesn’t cause rock breakage. The thesis points out the range that may occur breakage and the corresponding prevention of accidents, which offers scientific direction for the safety-production of mine. The convergence measurement of tunnel can sensitively judge the stability of surrounding rock accurately. It can forecast the time of accelerated deformation, breakage and collapse, and, consequently, can direct underground mining to go on safely and efficiently. Setting up a set of perfect management system and putting forward methods for forewarning and avoiding dangers play a positive role in reducing the accidents. The effective mine safety management should be actively ahead of time. It manages diversely and systematically on the condition of mutual cooperation, and sufficiently Self- controls people’s initiative. It actually promotes the safety of whole mine system. Therefore, safety management of mine brings mine
４

enterprises’ with scientific reduction of disasters and improves the economic benefit simultaneously.

Key words: Transition from surface mining to underground mining, Rock stress measurement, Finite element analysis, Convergence measuring, Safety management of mine

５

目录
第1章 引言……………………………………………………………………1

1.1 露天转地下开采的特点………………………………………………1 1.2 国内外露天转地下技术现状…………………………………………3 1.3 大冶铁矿东露天转地下开采…………………………………………5 1.4 项目研究的目的和意义………………………………………………7 第2章 矿区地应力测量………………………………………………………9 2.1 地应力概述……………………………………………………………9 2.2 地应力分布的一般规律……………………………………………10 2.2.1 重力应力场与构造应力场分布特点………………………10 2.2.2 地壳浅部原岩应力的一些规律……………………………11 2.3.3 平均水平应力与垂直应力的比值与深度关系……………13 2.2.4 两个水平应力的关系………………………………………14 2.3 地应力测量原理和方法……………………………………………14 2.4 大冶铁矿地应力测量………………………………………………15 2.4.1 测点布置……………………………………………………15 2.4.2 岩体应力测量步骤及计算…………………………………17 2.4.3 实测结果……………………………………………………18 2.4.4 实测结果分析………………………………………………20 第3章 东采工程地质与水文地质特征……………………………………21 3.1 矿区地质概况………………………………………………………21 3.2 地层与岩性…………………………………………………………22 3.3 矿区断层分布………………………………………………………24 3.4 采场水文地质特征…………………………………………………25 3.4.1 矿区水文地质条件…………………………………………25 3.4.2 东采地下水动态变化规律…………………………………26 3.5 岩石物理力学性质…………………………………………………28 第4章 首采地段三维有限元分析…………………………………………32 4.1 概述…………………………………………………………………32
６

4.2 有限单元法原理及其应用要点……………………………………32 4.3 有限元求解岩石力学问题的步骤…………………………………33 4.4 东采露天转地下首采地段数值模拟研究…………………………34 4.4.1 计算模型和力学参数………………………………………34 4.4.2 计算方案……………………………………………………37 4.4.3 计算结果及其分析…………………………………………37 4.4.4 结论…………………………………………………………47 附图…………………………………………………………49 第5章 围岩变形量测………………………………………………………59 5.1.1 围岩表面位移量测…………………………………………61 5.1.2 围岩内部位移量测…………………………………………62 5.1.3 围岩松动圈的弹性波量测…………………………………63 5.2 位移收敛量测要点及精密控制……………………………………65 5.2.1 监测断面选择………………………………………………65 5.2.2 影响观测成果的因素………………………………………65 5.2.3 安全装置……………………………………………………65 5.2.4 监测频率和观测时间………………………………………66 5.2.5 监测数据预警………………………………………………66 5.3 东采－24m 水平位移收敛量测……………………………………67 5.3.1 收敛测点布置………………………………………………67 5.3.2 量测数据的分析处理………………………………………68 第6章 矿山安全管理………………………………………………………71 6.1 矿山安全管理的概念………………………………………………71 6.2 矿山安全管理模式与手段…………………………………………71 6.2.1 管理模式……………………………………………………71 6.2.2 管理手段……………………………………………………73 6.3 矿山安全管理方法…………………………………………………74 6.4 矿山安全管理的作用特性…………………………………………76 6.5 现代安全管理………………………………………………………77
７

5.1 围岩变形与位移的量测……………………………………………59

6.6 结论…………………………………………………………………79 第7章 结论与展望…………………………………………………………80 参考文献………………………………………………………………………82 攻读硕士学位期间发表的论文………………………………………………85 致谢……………………………………………………………………………86

８

第1章 1.1 露天转地下开采的特点

引言

露天转地下开采的矿山通常是矿体延伸较深、覆盖层不厚、多为中厚或 厚大的急倾斜矿床，由于这类矿床初期采用露天开采，具有投产快、初期建 设投资少、贫损指标优等优点，但当露天开采不断延深后，这些矿山逐步由 露天开采向地下开采过渡最终全面转向地下开采。因此，要求露天转地下开 采的矿山，在进行露天转地下开采的设计时，对前（露天）后（地下）期开 采应统一全面规划， 露天开采后期的开拓系统既要考虑地下巷道的利用，同 时在向地下开采过渡时， 地下开采也应尽可能利用露天开采的相关工程和设 施等有利因素， 使露天开采平稳地过渡到地下开采，使矿山产量和经济效益 保持稳定。 露天转地下开采的矿山，整个矿山的开采期一般要经过露天开采期、露 天与地下联合开采的过渡期和地下开采期三个阶段，在这三个阶段中，矿山 的开采强度和矿山企业的生产能力是各不相同的，因此，在考虑露天转地下 开采的开采工艺及工程布置时， 必须研究与矿山矿床赋存条件及开采技术条 件相适应的开采强度和生产能力，以求获得经济效益的最大化。国内外露天 转地下开采矿山的经验表明， 当矿山充分利用了露天与地下开采的有利工艺 特点时， 统筹规划露天与地下开采的工程布置，可以使矿山的基建投资减少 25%～50%，生产成本降低 25%左右。 露天转地下开采有如下几个特点： （1）过渡期长，补勘、规划和技术攻关须先行 一般露天转地下开采的矿山采取不停产过渡，露天产量逐渐减少，地下 产量逐渐增加，直至露天矿结束，地下矿达到设计产量。这段交替时间称为 露天转地下开采的过渡期。在过渡时期内，露天与地下开采是同时进行的。 国内外一些露天转地下开采的实际过渡期， 一般为 5～10 年， 甚至更长一些。 国内外许多矿山由于及时地进行转地下开采地工作，保证有效地过渡，做到 矿山不停产，它们缩短过渡期的主要经验是：①地质勘探工作先行：地质勘
９

探提前在露采结束 10～15 年之前进行。②总体规划工作先行：露采年限短 （10～15 年）的中小型矿山露采、地采设计应同时进行；露采年限长（20～ 30 年）的大型矿山，露采设计时应研究如何过渡、何时过渡，并应在露采 结束 8～10 年之前开展转地下开采设计。③转地下开采技术难题先行：地下 开采与边坡滑落之间相互关系、过渡期的采矿方法、挂帮矿的开采、防洪排 水等问题应在转地采建设前寻求对策。 （2）地压复杂，专题研究须展开 露天转地下开采特点之二是地压复杂化。在露天转地下开采的条件下， 形成了一个露天开采、 境界矿柱和挂帮矿开采、主矿体地下开采的统一采空 区，而且其形状十分复杂。采空区地质力学过程的特点是，同一岩体区段上 受到数个应力场的作用， 使应力与变形状态很不均匀，给转地下开采带来了 一系列地压问题。 主要通过有限元的方法找出应力分布规律，位移容易发生 的区段， 采动对边坡稳定的影响等。有条件还可以进行露天坑底回填岩石附 加压载对边坡及坑底应力分布产生有利的影响， 地下开采顺序优化等的计算
【1】 研究工作。

（3）露采工程与地采工程须有机地结合 凡是露天转地下开采的矿山，在进行露采和地采设计时，应相互利用露 天和地下开采各自的特点，使露采工程和地采工程有机地结合，相互利用， 这是露天转地下开采的又一特点。主要工程有：①开拓工程：利用露天转地 下开拓运输工程分流露采矿石，可以大大减少运距；井筒位置选择要考虑露 采和地采施工时是否干扰， 露采产生的应力释放、松动带使地表位移和地下 采动所引起的地表塌陷变缓等因素的影响。②排水工程：对于多雨地区的深 凹露天矿， 采用地下井巷排水方式优于采场内移动泵站的排水方式。③工业 场地和废石场： 废石场选择时因露采废石量大应以露采为主，但应兼顾地采 的需要；可利用地表岩移陷落区作为露采排土场，应控制好下沉速度。 （4）涌水量大，防洪排水措施须周密 露天转地下开采的上部为一残存的露天深凹盆地， 汇水面积达数十万平 方米，露天降雨径流直接影响地下排水，给地下生产造成危害。国内几个露 天转地下开采矿山的日最大涌水量达 5～16 万立方米。 为了使雨季径流之洪 水不至于全部泄入露天采场盆地，减少对井下生产的威胁，转地下开采设计
１０

时，应反复踏勘现场，研究采场外围地形地貌、采场开采现状、露天开采境
【1】 界图，合理地圈定汇水面积，采取一切可能采取的防洪排水措施。

1.2 国内外露天转地下技术现状
国内露天转地下开采的矿山有江苏的凤凰山铁矿和冶山铁矿、 安徽的铜 官山铜矿、湖北的红安萤石矿、甘肃的白银折腰山铜矿、江西的良山铁矿、 浙江的漓渚铁矿和山东的金岭铁矿等。近三十年来，国内露天转地下开采的 矿山虽然不多， 但是通过试验和研究也积累了很多宝贵的经验，为我们进一 步研究适合我国露天转地下开采的方法和手段创造了条件。 针对国内露天转 地下开采的技术要求及今后的发展趋势，进行了理论研究，如马鞍山矿山研 究院利用技术创新资金研究了露天与地下联合开采的工艺技术， 它包括联合 穿爆地下出矿采矿工艺、露天漏斗法采矿工艺、地下穿爆露天出矿工艺等， 同时也研究了露天与地下联合开采的关键技术， 为国内露天转地下开采的矿 山提供了理论准备。 江苏凤凰山铁矿是我国露天转地下开采最早的矿山，该矿 1960 年开始 进行地下开采工程的建设，1973～1976 年由露天向地下开采过渡，由于采 用的方法得当，达到了过渡期稳产 30 万吨／年产量的要求。该矿在过渡期 开采的特点是：露天与地下同时建设，先采露天部分，待转入地下开采时， 使露天有足够的时间回采残柱，，地下有充分的时间进行试采，这样既保证了 露天残柱回采， 也给过渡期的持续稳产创造了条件；因地制宜地选择地下第
【2】 一中段的采矿方法，是露天转地下开采在过渡期稳产的重要环节。

浙江漓渚铁矿矿体走向长 300ｍ，倾角 55°～75°，矿体埋深 335ｍ， 矿体平均厚度 60ｍ，该矿在+80ｍ以上采用露天开采，露天开采结束后，沿 矿体走向留下了三个露天坑和顶底板三角矿带，转入地下开采后，先采用无 底柱分段崩落法回采顶底盘残矿， 然后采用大爆破的方式一次性将顶底板围 岩崩落形成 20m 以上的废石覆盖层，作为地下开采时的上覆岩层，以确保地
【2】 下采矿的安全。

铜陵有色金属（集团）公司下属铜山铜矿的铜山露天矿、前山露天矿和 凤凰山铜矿的金牛露天矿， 均为由地下转露天开采的矿山实例。以铜山露天
１１

矿为例，该矿利用原-40ｍ阶段作为露天矿的主运输巷道，其开采技术特征 是： 露天爆破作业对地下作业面的严重破坏作用完全可以人为地控制，该矿 采用多排孔微差爆破技术， 每段药量控制在 500Kg 以内，地下巷道一般不会 发生冒顶和严重开裂现象， 可以保证其稳定性；同时把在计算地震波影响范 围内的地下工作人员撤离到安全地点和及时清顶检查，可以保证人员的安 全。此外，凤凰山铜矿与马鞍山矿山研究院合作，就该矿金牛露天采场开采 技术安全问题进行了全面系统的研究，由于该采矿属于地下转露天开采类 型， 研究后采用露天矿临界边坡控制爆破技术、地下空区层位及形态的探测 技术、 合理规划露天开采顺序和边坡稳定性监控等研究方法和手段，也实现 了露天矿的安全生产，同时确保了下部地下开采的正常进行。此外，马鞍山 矿山研究院在露天矿不扩界开采境外矿方面做了大量的研究工作， 先后对河 南的银洞坡金矿、 新疆的雅满苏铁矿、马钢的南山铁矿等露天矿山进行了设
【2】 计研究，取得了很好的应用效果。

国外露天转地下开采的矿山较多，涉及的矿山有金属矿山、非金属矿山 和煤矿等等，如瑞典的基鲁纳瓦拉矿、南非的科菲丰坦金刚石矿、加拿大的 基德格里克铜矿、芬兰的皮哈萨尔米铁矿、前苏联的阿巴岗斯基铁矿、澳大 利亚的蒙特莱尔铜矿等，上述矿山根据地质、资源、生产、环境和经济等因 素的不同， 就合理确定露天开采的极限深度、露天开采向地下开采过渡时期 的产量衔接、 露天坑底盆的顶柱与缓冲层、露天开采的开拓系统与地下开采 的开拓系统衔接、 露天开采的边坡管理与残柱回采、坑内通风与防排水系统
【2】 等主要问题进行了研究，取得了较好的效果。

瑞典基鲁纳瓦拉矿的矿床由三个透镜状矿体组成，长 7000ｍ，倾角 55 °～65°，其中基鲁纳瓦拉矿走向长 3000ｍ，平均厚度 90ｍ，该矿从 1952 年开始由露天向地下开采过渡，1962 年全部转入地下开采，矿山生产能力 为 2300～2500 万吨／年，矿山开采的特点是：深部露天的矿石用溜井通过 坑内巷道运出， 减少了露天剥离量和缩短了运输距离；地下用竖井斜坡道开 拓，使凿岩、装运等无轨设备可直接进出坑内采矿工作面；井下运输提升全
【2】 部实现自动化，使地下开采的机械化提高到一个新的水平。

芬兰皮哈萨尔米矿为黄铁矿床， 矿体埋深在地表以下 500ｍ， 走向长 650 ｍ，中部宽 75ｍ，两端变窄，矿体倾角北部 50°～70°，其余部位为垂直
１２

的，该矿开采的特点是：采用露天与地下同时开拓建设，露天超前地下开采 的方式，并利用统一的地下巷道，使过渡时期拉长，确保地下开采有充分的 时间进行采矿方法试验； 露天转地下共同使用井下破碎站和提升系统，减少 了基建投资和露天剥离量； 深部露天矿石通过溜井下放到地下开采的运输系 统中， 采用竖井提升方式比地面汽车运输节约成本；从地面有斜坡道直通井
【2】 下各个工作面，有利于提高采场的机械化程度和设备的效率。

1.3 大冶铁矿东露天转地下开采
大冶铁矿位于湖北省黄石市铁山区，西距武汉市区 90 公里，东距黄石 市区 25 公里，南距大冶市区 15 公里，年产矿石 250 万吨左右，是武汉钢铁 公司主要的铁矿石生产基地。 大冶铁矿的开采可追述到三国时期（公元 226 年） ，距今已有一千七百 多年的历史。1890 年张之洞新办汉阳铁厂，大冶铁矿成为我国最早的钢铁 联合企业——汉冶萍煤铁厂矿有限公司的一部分， 从而开启了它近代开采的 历史。东露天采场于 1951 年开始进行地质勘探，1954 年提交勘探报告，委 托苏联国立采矿企业设计院（列宁格勒）设计。1955 年 7 月，武汉钢铁建 设公司矿山工程公司（矿山部分）动工基建，8 月 15 日，狮子山破土剥离，
【3】 8 月 25 日尖山破土剥离，1958 年 7 月 1 日东露天正式投产。

东露天采场是大冶铁矿的主要采场，由象鼻山、狮子山、尖山三个矿体 组成。象鼻山的最高标高为 228m，位于东露天采场的西部；狮子山的最高 标高为 276m，位于东露天采场的中部；尖山的最高标高为 250m，位于东露 天采场的东部，整个露天采场的封闭圈标高为 72m。经过 1955 年和 1981 年 2 次分期建设， 象鼻山于 1980 年 4 月闭坑， 开采到 1 期最终境界±0 m 标高， 随后回填至+48 m 标高形成转载场；狮子山采场亦于 1988 年闭坑，采至 2 期扩帮最终境界－48m 标高，随后回填至±0m 标高作为尖山深部开采转载 场；尖山采区是 2 期扩帮延伸开采的主要对象，露天底由原设计的－96m 标 高延伸至－168m 标高，目前露天开采已经基本结束并转入地下开采。

１３

图 1－1

东采露天坑

图 1－2

大冶铁矿矿体赋存状态及矿井分布

图 1－3

矿体赋存示意图

经过 40 余年的露天开采，大冶铁矿东露天采场已经形成东西长约 2400m、南北宽 1000m、深度 230～430m、最终坡角 38°～43°的大型陡深 露天坑。矿体围岩基本为大理岩（南帮，f=6～8）和闪长岩（北帮，f=10～
１４

14） 。采场整体边坡基本稳定。采场尖山北帮 F9 断层区－84 m 以上为一较 大滑体，曾数次发生滑落，－84～－156 m 水平为潜在滑体，预计滑方量为 2～2.3×104 吨。 东采闭坑后象鼻山采区结余矿量 311.42×104 吨； 狮子山、 尖山 26～35# 勘探线、－168 m 以上最终境界外矿量 905.6×104 吨，其中狮子山 533.85
4 4 ×10 吨，尖山挂帮矿 371.79×10 吨。矿石平均品位：Tfe51.6﹪，Cu0.48

﹪。为充分利用矿石资源，弥补武钢集团矿石供应缺口，同时解决矿山的持 续、稳定发展问题，大冶铁矿东采场已于 2003 年转入地下开采。经长沙冶 金设计研究院设计，地下开采对象为狮子山和尖山 I、II 号矿体，总矿量 787.22×104 吨。象鼻山－5m 水平以下矿体也拟用地下采矿方法回收。地下 采矿方法为无底柱分段崩落法，设计能力为 30×104 吨∕年，服务期限为 27 年。目前－24m、－60m 的平巷已经完成，预计十月－24m 首采地段开始放炮 开采。 为实现露天向地下的顺利过渡， 同时考虑地下采矿方法回收边坡挂帮矿 存在技术和经济方面的不足，象鼻山、狮子山和尖山的部分挂帮矿拟用露天 强采回收。强采对象为象鼻山 19 #～24#勘探线－5 m 水平以上的挂帮矿， 尖山 F13 断层附近尖 II# 矿体－144～－60 m 之间的挂帮矿，以及尖 I# 矿 体南帮 0～－156 m 的挂帮矿和北帮尖 A1 滑体下的挂帮矿， 预期服务年限 3～
【4】 4 年。

1.4 项目研究的目的和意义
国外露天转地下开采矿山的数量大约每 20 年翻一番。由于美国、加拿 大、澳大利亚等矿业发达国家的资源条件好，转入地下开采的矿山少，研究 工作主要限于露天矿何时转入地下开采的问题； 资源条件差的国家则由于财 力和技术力量有限，研究也不多；过去研究较多的俄罗斯与乌克兰，由于近 来经济转轨，矿业十分艰难，研究工作早已停顿。我国大中型露天矿多建于 50～60 年代，多数已进入深凹开采，面临露天转地下开采的问题。由于对 露天转地下的岩体力学问题注意不够， 常发生像白银有色金属公司露天转地 下开采的地压危害， 亟待用矿山岩体力学的基本原理去研究关键的围岩与边
１５

坡岩体稳定性问题， 以及露天与地下开采工艺的相互影响、产量的平稳过渡 与采场参数优化等问题。 本课题研究的目的是解决大冶铁矿东露天高陡边坡转地下开采中的关 键技术问题。大冶铁矿东露天经过 100 多年的开采，已形成 430 多米高、45 °陡的高陡边坡，需立即转入地下开采。由于其边坡特别高陡，地质条件复 杂，转地下开采技术难度高，国内外尚无成功的经验可借鉴，为了避免施工 过程中发生重大地质灾害与工程灾害，减少露天与地下开采的相互影响，特 开展此项研究工作，研究围岩的物理力学性质、载荷条件、围岩应力场与破 损规律，保证生产的安全进行，从而获得巨大的经济效益和社会效益。

１６

第2章 2.1 地应力概述

矿区地应力测量

地应力指存在于地层中的未受工程扰动的天然应力， 主要由自重和地质 构造运动形成的。岩体的初始应力状态对地下工程、坝基基础、矿山工程、 水利工程等设计及稳定性起着极其重要的作用。 产生地应力的原因十分复杂，至今尚不十分清楚。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， 其中包 括：板块边界受压、地幔热对流、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、地表剥蚀或其他物理化学变化等 也可引起相应的应力场。 其中， 构造应力场和自重应力场为现今地应力场的 主要组成部分。 地应力的概念最早是瑞士地质学家海姆（1912 年）提出来的。他认为， 岩体中有应力蓄存，并处于近似静水压力状态； 应力的大小等于其上覆岩体 的自重，即岩体中各个方向的应力均等于 γ ? H （ γ 为上覆岩层容重， H 为 深度） 。这就是著名的海姆假说。此后，苏联学者金尼克（1926 年）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

γ ? H ，而水平应力等于 [? / (1 ? ? )] ? γ ? H 的假说（ ? 为岩石的泊松比） 。按此
理论，海姆假说只是金尼克假说在 ? ＝0.5 时的一个特例。同期其他一些人 也在关心如何用数学公式来定量计算地应力的大小， 并且也都认为地应力只 与重力有关，他们不同点只是在于侧压系数的选取上。 可是许多地质现象说 明地壳中存在水平应力，如断裂、褶皱等。早在上世纪 20 年代，我国地质 学家李四光就指出： “在构造应力的作用仅仅影响地壳上层一定厚度的情况 下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。 ” 然而，越来越多的地应力现场实测资料充分说明： 在浅层的地应力绝大 多数并不符合海姆和金尼克的假说。最早是瑞典哈斯特（1958 年）研制了 压磁式应力计，于 1952～1953 年在斯堪的纳维亚半岛的 4 个矿区，利用钻 孔测量了浅层的地应力。值得注意的是， 实测的水平应力普遍比铅垂应力高
１７

得多，他认为这可能与地层的褶皱构造产生的横向压力有关。自此，许多国 家也相继发展了各种在钻孔中测地应力的方法，都得出大体相同的结果。例 如，英国 New South Wales 海岸陡壁的煤矿，岩体的水平应力分量大于铅垂 应力分量；葡萄牙 Picote 电站，岩体的铅垂应力分量比其上覆岩体的自重 高得多。1978 年霍克和布朗研究了许多地方的实测资料得出结论：岩体的 应力状态就一般而言， 其铅垂应力分量是由上覆岩体的自重产生的，而水平 应力分量则界于同一深度的铅垂应力分量的一半左右到三倍多。 然而深部岩 体（例如距地表千米以上）的应力状态却接近海姆假说。各国日益重视地应 力的实地测量， 发展地应力测量的仪器和设备。地应力测量经历了由岩体表 面应力测量，到钻孔岩体应力测量。钻孔应力测量最深测量深度为：套孔应 力解除测量法，国外 510m（瑞典） ，国内 307m（广州抽水蓄能电站） ；水压 致裂法，国外 5000m（美国） ，国内 2000m（大港油田）【5】 。 我国 20 世纪 60 年代初就进行了岩体测试的研究。60 年代中期，进行 了应力解除的试验。 进入 70 年代，应力测量技术得到普遍发展与广泛应用。 1973 年，冶金部长沙矿冶研究院及地矿部地质力学研究所等单位，研究和 完善了钻孔孔底应力解除技术及孔壁应力解除技术， 成功地测量了金川矿区 三维应力状态。80 年代初，我国地震部门，又推广了水压致裂法，80 年代 中、 后期， 地震及水电部门利用孔壁应力解除法进行了大量地现场测量工作。
【6】

2.2 地应力分布的一般规律
由于原岩的非均匀性，以及地质、地形、构造和岩石物理力学性质等方 面的影响，使得我们在描述原岩应力状态及其变化规律时，遇到很大困难。 但是随着实测资料的不断增加，人们对原岩应力的认识，将会不断深入。

2.2.1 重力应力场与构造应力场分布特点
（1）重力应力场 ①以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力；②应力均为压应力；③应
１８

力随深度增加而增加。 通常对于一些构造不发育的地区，第四纪冲积层或岩体裂隙较发育，岩 性较软的塑性岩体地区，其原岩应力基本符合重力应力场分布特点。 （2）构造应力场 ①应力有压应力，亦可能有拉应力；②以水平应力为主，一般水平应力
【7】 比垂直应力大；③分布很不均匀，通常地壳浅部压应力较大。

2.2.2 地壳浅部原岩应力的一些规律
（1）实测垂直应力（σv）基本等于上覆岩层重力（γH） H.K.布林总结全世界有关垂直应力σv 资料表明，在深度 25～2700m 范 围内σv 呈线性增长，大致相当于按平均重度γ＝27KN∕m3 计算出来的重力 γH。在这种情况下除少数（特别在地壳浅层）偏离较远外，一般分散度不 大于 5﹪。但是，从我国实测资料来看，垂直应力σv 与上覆岩层重力γH 的 比值在 0.43～19.8 的范围内【8】 ，其中σv∕γH＝0.8～1.2 的仅有 5﹪；σv ∕γH＜0.8 的占 16﹪；而σv∕γH＞1.2 的占 79﹪。这些资料大都是在深 度 200m 以内测量得到的，最深的只有 500m。 （2）水平应力（σh）普遍大于垂直应力（σv） 根据国内外实测资料统计，σh 多数大于σv，并且最大水平应力σh1 与 实测垂直应力σv 的比值，即测压系数λ，一般为 0.5～5.5，大部在 0.8～ 1.2 之间。最大值有的达到了 30 或更大。 目前也常用两个水平应力的平均值σhav 与垂直应力σv 的比值来表示测 压系数，此值一般为 0.5～5.0，大多数为 0.8～1.5。我国实测资料表明， 该值在 0.8～3.0 之间，而大部分为 0.8～1.2 之间，如表 2－1～2－3。这 些资料说明，实测得到的σv 多数为最小主应力，少数为最大主应力或中间 主应力。此外，由于测向侵蚀的卸载作用，在孤山体部分，以及河谷坡附近 处，σv 常为最大主应力。

１９

表 2－1 国家名称 中 国 澳大利亚 加拿大 美 国 挪 威 瑞 典 南 非 前苏联 其他地区

σhav∕σv（σh∕σv）的统计百分比（﹪） σhav∕σv （σhav∕σv）max ＜0.8 0.8～1.2 ＞1.2 32 40 28 2.09 0 22 78 2.95 0 0 100 2.56 18 41 41 3.29 17 17 66 5.56 0 0 100 4.99 41 24 35 2.50 51 29 20 4.30 37.5 37.5 25 1.96 我国水平应力与垂直应力实测资料 水平应力 垂直应力 σh 深度 岩 性 σv ∕σ σh （m） 5 5 （10 Pa） （10 Pa） v 98 200 36.2 121.1 5.17 100 50～ 60 128 100 60 60 60 175
２０

表 2－2 测量地点 511 工程 2 号地 下厂房 映秀湾地下厂 房 西藏羊卓拥湖 电站厂房 二滩电站厂房 515 工程 三峡坝区 三峡坝区 太平坝二号洞 白山工程 以礼河三级电 站 以礼河三级电 站 以礼河三级电 站

原状厚层砂岩 花岗岩及花岗闪长岩 泥质页岩和砂岩 花岗岩 花岗岩 薄层中厚层微结晶泥质 条带 龙洞灰岩 黄陵花岗岩——闪长岩 混合岩 破碎玄武岩 火山角砾岩 玄武岩

25.2 97.2 15.1 212.0 392 67.9 42.9 104.9 174.4 21.8 9.26 23.3

1.50 1.25 0.34 0.41 0.30 2.30 2.05 1.98 2.50 0.89 0.86 0.87

88.2 117.6 153.9 88 200.9 446.8 19.4 8.0 19.5

以礼河三级电 站 西耳河一级电 站 云南第四电厂

火山角砾岩 眼球状片麻岩及石英云 母片岩夹黑云母眼球片 麻岩 石灰岩

220 60 0～70

86.9 79.7 16.9～ 23.5

78.1 65.4 2.74～ 14.3

1.12 1.30 1.36

表 2－3 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 日期 1965 1964 1964 1964 1965 1965 1965 1964 地点

湖北 大冶

9

1964

10

1965

湖北 大冶 光山 湖北 大冶 狮子 山 湖北 大冶 秀山

大冶水平主应力实测资料（平面压磁法） 测点深度 水平主应力 最大 最小 资料来源 上界 下界 值 方向 值 (米) (米) (MPa) (°) (MPa) 450 2.4 1 1.1 13 －0.9 20.9 23 309 13 1.2 332 0.6 400 1.2 0.4 37 1.7 1.1 400 1.1 1 国家地震局 地壳应力研 2.7 2 1.2 究所(谢富 仁) 2.6 301 1.1

6.7

289

3.5

注：数据来源于中国地质科学院地质力学研究所网站

2.2.3 平均水平应力与垂直应力的比值与深度关系
σhav∕σv 的比值λ也是表征地区应力特征的指标。该值是随着深度增 加而减少的，但在不同地区，也有差异。有人用下列公式表示该值的变化范
２１

围：

100 1500 + 0.3 ≤ λ ≤ + 0.5 H H

（2－1）

当 H＝500m 时，λ＝0.5～3.5；当 H＝2000m 时，λ＝0.35～1.25； 从已有的资料来看也是这样，在深度不大的情况下，λ值很分散，并且 数值较大； 随着深度的增加， λ值的分散度变小， 并且趋于 1.0 的附近集中， 这就是相应于海姆静水压力状态。

2.2.4 两个水平应力的关系
一般不论是在一个大的区域还是一个矿区范围内，σhx 和σhy 的大小和 方向都具有一定变化。一般σhy∕σhx＝0.19～0.27 的占 17﹪；0.43～0.64 的占 61﹪；0.78～0.99 的占 22﹪。根据不完全统计，中国与欧洲的比 较列于表 2－4。 表 2－4 实测地点 斯堪地那维亚等地 北 美 中 国 中国华北地区 统计 数目 51 222 25 18 两水平应力分量之间关系 σhy∕σhx 的比值（﹪） 1.0～ 0.75～ 0.5～ 0.25～ 0.75 0.50 0.25 0 14 67 13 6 22 46 23 9 12 56 24 8 6 61 22 11

合 计 100 100 100 100

两个水平应力也有显示σhy＝σhx 的情况，这主要在构造简单、层理平 缓的地区。 但中国华北地区某一方向的水平应力显示较大， 其原因可能是与 强地震活动影响有关。

2.3 地应力测量原理和方法
测量原始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，这种测量通常是通过一点一点的测量来完成的。 岩体中一
２２

点的三维应力状态可由选定坐标系中的六个分量（σx，σy，σz，τxy，τyz， τxz）来表示，由这六个应力分量可求得该点的三个主应力的大小和方向。 在进行充足数量点测量的基础上，借助数值分析和数理统计、灰色建模、人 工智能等方法，可以描绘出该区域的全部地应力场状态。 近四十年来， 随着地应力测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪 器也不断发展起来， 目前各种主要测量方法有数十种之多，而测量仪器则有 数百种之多。 根据测量原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测 量法两大类。 直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这 些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值；间接测量法是 借助某些传感元件或某些介质， 测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物 理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。 直接测量法主要有：扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声 发射法，其中水压致裂法在目前的应用最广泛，声发射次之。间接测量法较 常用的有套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法， 以及地球物理方法 等， 其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地 应力测量方法。 中国地质科学院地质力学研究所、 中科院武汉岩土力学研究所等单位采 用平面压磁法、三维压磁法、平面应变片法、三维应变片法、三孔交汇法、 空芯包体法、平面水压致裂法、三维水压致裂法、油井压裂法、钻孔崩落法 等进行了大量的量测工作。

2.4 大冶铁矿地应力测量
长沙矿冶研究院于 1992 年对大冶铁矿尖山、狮子山矿体岩体进行了岩
【9】 体应力测量。

2.4.1 测点布置
测点选择的原则之一是要尽量避开开采区的影响。此外，测量点要选择 在节理裂隙少的较完整的岩体内。另外，测量点要选择在水、电较方便不影
２３

响生产的地点。 根据这些原则， 测点被布置在－53m 水平西平巷处 （图 2－1） ， －53m 水平集水仓处（图 2－2） ，－180m 水平集水仓处（图 2―3） 。其中－ 53m 水平集水仓和－180m 水平集水仓二处测点为大理岩，－53m 水平西平巷 处测点为闪长岩。

图 2－1

－53m 西平巷处测点布置示意图

图 2－2

－53m 集水仓处测点布置示意图

２４



  本文关键词：露天转地下开采对矿岩稳定性影响的研究，由笔耕文化传播整理发布。