一種地應(yīng)力大小和方向的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地應(yīng)力大小和方向的確定方法，在測量應(yīng)力的環(huán)氧樹脂空心包體上沿圓周方向設(shè)置三個應(yīng)變花，相鄰應(yīng)變花的夾角為120°，每個應(yīng)變花上有四個應(yīng)變片，每個應(yīng)變花上的應(yīng)變片依次旋轉(zhuǎn)45°設(shè)置；造孔；洗孔；應(yīng)力計的安裝：空心包體定向送入測量孔內(nèi)，讓粘結(jié)劑充滿應(yīng)力計與巖石鉆孔的空隙；應(yīng)力解除：待粘結(jié)劑固化后，用金剛石鉆頭套鉆解除，測試過程按解除深度采用應(yīng)變儀記錄解除過程的數(shù)據(jù)；本發(fā)明利用圓周方向上12個不同方向應(yīng)變值，能夠準確有效的計算出地應(yīng)力和應(yīng)力方向，為指導(dǎo)礦井施工提供了非常有效的幫助，進一步提高了礦井安全性。
【專利說明】一種地應(yīng)力大小和方向的確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地應(yīng)力測量計算方法，尤其涉及的是一種地應(yīng)力大小和方向的確 定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近二十年來，世界上許多國家地下工程均開展了地應(yīng)力的測量及應(yīng)用研究工作， 它無論在構(gòu)造地質(zhì)、地震預(yù)報和地球動力學研究上，還是在礦山開采、地下工程和能源開發(fā) 等生產(chǎn)實踐中均起到了越來越重要的作用，日益受到國內(nèi)外學術(shù)界和工程界的重視。
[0003] 對礦山開采而言，地應(yīng)力是引起采礦工程圍巖變形、支護結(jié)構(gòu)損傷破壞、發(fā)生礦井 動力現(xiàn)象的根本作用力，在諸多影響采礦工程穩(wěn)定性的因素中，地應(yīng)力是最主要和最根本 的因素之一，準確的地應(yīng)力資料是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩(wěn)定性分析和計算、礦 井動力現(xiàn)象區(qū)域預(yù)測，實現(xiàn)采礦決策和設(shè)計科學化的必要前提條件。以前的采礦工程設(shè)計 和施工中較少考慮地應(yīng)力的影響，但隨著采礦規(guī)模的不斷擴大和不斷向深部發(fā)展，地應(yīng)力 的影響會越加嚴重，不考慮地應(yīng)力對井下工程設(shè)計和施工的影響，往往造成地下巷道圍巖 大變形和采場的坍塌破壞、沖擊地壓等礦井動力現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重影響了礦井安全生產(chǎn)。
[0004] 為了對礦井進行合理的開采設(shè)計和施工，首先應(yīng)對影響礦井開采穩(wěn)定性的各種因 素進行充分的調(diào)查和分析，只有詳細了解了這些工程影響因素，并通過數(shù)值計算和分析，才 能作出技術(shù)合理、施工安全和經(jīng)濟效益好的工程設(shè)計和施工。如對礦山設(shè)計而言，只有掌握 了工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定礦山總體布置，選取適當?shù)牟傻V方法，確定巷道和 采場的最佳斷面形狀、巷道位置、支護形式、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)和支護時間等，確保煤礦的安全 生產(chǎn)。
[0005] 因此，在采深較大的礦井開發(fā)時，要根據(jù)工程所處的不同構(gòu)造部位和工程地質(zhì)條 件，掌握礦井所處的地應(yīng)力狀態(tài)，才能采取合理有效的預(yù)防礦井動力現(xiàn)象的技術(shù)措施，合理 地確定采場布局和回采順序，這對于保證巷道的相對穩(wěn)定和生產(chǎn)的安全都具有重要意義。
[0006] 從國內(nèi)對地應(yīng)力研究的深度和廣度來看，在地震預(yù)報預(yù)測，石油勘查開發(fā)、水利水 電建設(shè)行業(yè)中，地應(yīng)力研究不論在理論和應(yīng)用研究已走在其他行業(yè)的前列，而在礦井開采 中進行地應(yīng)力研究起步較晚，是擺在國內(nèi)采礦界面前的一個重大的理論課題和實際問題， 是礦井開采研究中的一個新理論、新思維、新趨勢，特別是隨著工程力學和工程穩(wěn)定性研究 由定性分析逐步轉(zhuǎn)入定量計算，地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)成為巖體力學計算必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 是礦井采場布局設(shè)計和地下工程設(shè)計的依據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種地應(yīng)力大小和方向的確定方 法，簡便有效的計算出地應(yīng)力的方向和大小。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括應(yīng)力采集和應(yīng)力計算，所述應(yīng)力 采集包括以下步驟：
[0009] (a)在測量應(yīng)力的環(huán)氧樹脂空心包體上沿圓周方向設(shè)置三個應(yīng)變花，相鄰應(yīng)變花 的夾角為120°，每個應(yīng)變花上有四個應(yīng)變片，每個應(yīng)變花上的應(yīng)變片依次旋轉(zhuǎn)45°設(shè)置； [0010] (b)造孔：先用金剛石鉆頭開孔，鉆進到預(yù)測孔深，再用鉆頭同心鉆進測量孔， [0011] (c)洗孔：測量孔鉆進完畢，觀察巖芯的完整情況，若巖芯較為完整，且無大的節(jié) 理裂隙面，則用清水沖洗，清除測量孔中的巖粉；如果巖芯不符合測試要求，則用130_套 芯，重復(fù)上一步的工作；
[0012] (d)應(yīng)力計的安裝：空心包體定向送入測量孔內(nèi)，讓粘結(jié)劑充滿應(yīng)力計與巖石鉆 孔的空隙；
[0013] (e)應(yīng)力解除：待粘結(jié)劑固化后，用金剛石鉆頭套鉆解除，測試過程按解除深度采 用應(yīng)變儀記錄解除過程的數(shù)據(jù)；
[0014] 所述應(yīng)力大小的計算方法如下：
[0015] Eslj = {Κ,{σχ +σ>)-2(1 -//2)^2[(^-ff>1)cos26'( +2rr> sin26?,]-/^4O-Jsin2 φι：ι + Lax - μ{σλ + σγ) cos2 φν + 2(1 + μ)Κ3 (τγζ cos O1 ~ τ:χ sm θ,) sin 2φ^}
[0016] 式中：ε υ-第i個應(yīng)變花第j個應(yīng)變片測得的解除應(yīng)變值，i = 1?3, j = 1? 4，
[0017] Θ,-第i個應(yīng)變花對應(yīng)的極角，
[0018] --第i個應(yīng)變花第j個應(yīng)變片對應(yīng)的角度，
[0019] Ki--應(yīng)變片的修正系數(shù)；
[0020] 其中：

【權(quán)利要求】
1. 一種地應(yīng)力大小和方向的確定方法,其特征在于,包括應(yīng)力采集和應(yīng)力計算,所述應(yīng) 力采集包括以下步驟： (a) 在測量應(yīng)力的環(huán)氧樹脂空心包體上沿圓周方向設(shè)置三個應(yīng)變花，相鄰應(yīng)變花的夾 角為120°，每個應(yīng)變花上有四個應(yīng)變片，每個應(yīng)變花上的應(yīng)變片依次旋轉(zhuǎn)45°設(shè)置； (b) 造孔：先用金剛石鉆頭開孔，鉆進到預(yù)測孔深，再用鉆頭同心鉆進測量孔， (c) 洗孔：測量孔鉆進完畢，觀察巖芯的完整情況，若巖芯較為完整，且無大的節(jié)理裂 隙面，則用清水沖洗，清除測量孔中的巖粉；如果巖芯不符合測試要求，則用130_套芯，重 復(fù)上一步的工作； (d) 應(yīng)力計的安裝：空心包體定向送入測量孔內(nèi)，讓粘結(jié)劑充滿應(yīng)力計與巖石鉆孔的 空隙； (e) 應(yīng)力解除：待粘結(jié)劑固化后，用金剛石鉆頭套鉆解除，測試過程按解除深度采用應(yīng) 變儀記錄解除過程的數(shù)據(jù)； 所述應(yīng)力大小的計算方法如下： Esij = {Κ, (σχ + σν)-2(1-μ2)Κ2[(σν - )cos2Θ, + 2rxy sin2Θ,] -μΚ,σχ}sin2 + [σχ - μ{σχ + ) cos2 (PlJ + 2(1 + μ)Κ3 {τγζ cos O1 - sin Oi) sin Icptj ] 式中：ε u--第i個應(yīng)變花第j個應(yīng)變片測得的解除應(yīng)變值，i = 1?3, j = 1?4， Θ i--第i個應(yīng)變花對應(yīng)的極角， %--第i個應(yīng)變花第j個應(yīng)變片對應(yīng)的角度， Ki--應(yīng)變片的修正系數(shù)； 其中：

X1 = 3-4^ χ2 = 3_4ν2 R1為空心包體內(nèi)半徑；R2為測量孔的半徑；G1A2分別為包體材料環(huán)氧樹脂和巖石的剪 切模量；Vp V2分別為空心包體材料和巖石的泊松比；P為應(yīng)變片在空心包體中的徑向距 離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地應(yīng)力大小和方向的確定方法，其特征在于，所述應(yīng)力 值方程為12個觀測值方程，解六個應(yīng)力分量的未知量，利用最小二乘法原理，得到求解應(yīng) 力分量最佳值的正規(guī)方程組：
由此解得由鉆孔坐標系表達的巖體六個應(yīng)力分量后，把它們轉(zhuǎn)換到大地坐標系中去， 再根據(jù)下式求解它的三個主應(yīng)力：
式中：
式中Λ、J2和J3為應(yīng)力張量的第一、第二和第三不變量； 主應(yīng)力方向由下式： (Ox-O ^li+TxyIIii+TzxIii = 0 τ xyli+( 0 y- 0 i) Hli+ Tyzni = 〇 TZxli+TyZmi+( 0z-〇i)ni = 〇 其中任二式和方向余弦關(guān)系式： /,2 +w/ +nf =I 聯(lián)立解得， 主應(yīng)力的傾角a i和方位角β i為： a j = Sin^ni
式中：β〇為大地坐標系X軸的方位角，如X軸為正北方向，則= 〇。
【文檔編號】G01L1/26GK104390733SQ201410751555
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】解波, 張宏忠 申請人:安徽恒源煤電股份有限公司