第3章原岩应力及其量测

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1、37《矿山压力与岩层控制》教案（第二版，王家臣，2006-12-2）第三章原岩应力及其量测3.1地球及其构造的一般概念地球的绝对年龄估计在50～55亿年。在45～47亿年以前开始形成地壳，就是说地球诞生在47亿年以前。整个太阳系也是在不到50亿年前由尘埃和大气形成。我们目前所熟知的地球，具有适于人类生存的大气和丰富的资源，这颗行星的内部仍在活动。这点已由地震、火山、张开和闭合的大洋及漂移开来的大陆所证实。莫霍面（弹性纵波波速从地壳的6~7km/s迅速增加到8km/s）郭里采层（导电率和地震波速迅速增加的分界层

2、）地壳上地幔下地幔外地核内地核0km400km1000km3000km5000km6000km地球内部结构示意图根据对深部地带进行地震研究而得到的现代概念，地球可分为地壳、上地幔、下地幔、外地核和内地核。地壳的平均厚度为32km，而且在大陆上的变化范围是20～70km，在海洋中其变化为5~15km。地壳是以莫霍面为分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛维奇契首先发现了M面。在该面以下，弹性纵波的速度突然增长，达到8km/s，而在地壳中通常是6～7km/s（最大值为7.4km/s）。上部地幔物质密度：33～37

3、kN/m3；地壳物质密度：27～30kN/m3。在地壳范围内，可按地震波特征分为三个主要分层：沉积岩假定的花岗岩层玄武岩层岩弹性纵波速度＝2.0~5.0km/s，厚度10～15km＝5.5~6.0km/s，最大厚度30～40km＝6.5~7.4km/s，其厚度为10～20km康拉德面它是两个分层之间弹性波速度变化的地震分界面现在，采矿工作主要是在小于1000~1800m37《矿山压力与岩层控制》教案（第二版，王家臣，2006-12-2）的深度内进行。在欧洲，有些矿井的开采深度约达2000m；在南非及印度，个别

4、金属矿井的开采深度已超过3000～3500m。开采石油和天然气的深度达到6000~7000m。最深的构造钻孔和勘探钻孔已超过12000m，并开始实现钻孔深度达15000m的计划。上述数字提供了有关地球开发深度的概念及其人类当今已经直接达到和可能近期达到的深度。显然这些深度属于地壳上部的范围内，其厚度与地球直径相比微不足道。然而浅部地壳的组成结构及其应力状态是矿山岩石力学和矿压理论关注的重点问题之一。3.2原岩应力天然状态下地壳中存在地应力，通常在地学中称之为地应力。其主要包括由岩体重量引起的自重应力和地质构造

5、作用引起的构造应力等。地应力这个概念是由瑞士地质学者Haim在1905～1912年间首次提出来的。地应力是在历史地质作用下发展变化而形成的。它与岩体自重、构造、运动、地下水及温差等有关，同时又是随时间、空间变化的应力场。但在工程年代，应力场受这种地质作用时间的影响可以忽略。在采矿工程中，把这种未受采掘扰动影响的岩体原始应力，又称为原岩应力。在井巷和采场等地下工程结构稳定性分析中，原岩应力是一种初始的应力边界条件，同时原岩应力是引起地下工程结构变形和破坏的力源。采矿工程中，地下采掘空间对周围岩体内的原岩应力场产

6、生扰动，使得原岩应力重新分布，并且在井巷和采场的围岩中产生几倍于原岩应力的高值应力（所谓的二次应力）。围岩随之变形，随着时间的延长，围岩变形继续扩大，甚至引起围岩破坏或支护物破坏，这就是我们常说的矿山压力显现。由此可见，矿山压力的来源与原岩应力密切相关，围岩稳定性显然是以原岩应力场为前提条件的。在计算任何人工开挖的岩体周围的应力分布以前，必须测量或估算开挖前的应力状态。3.2.1地壳浅部原岩应力实测结果地壳内部的原岩应力场是一个颇为复杂的问题，人们获得原岩应力状态的途径，主要是通过现场实测来实现。虽然各个国家

7、和地区对原岩应力测量做了大量工作。但是关于完整应力状态的资料却获得很少，且测量深度也都在3000m之内，故属地壳浅部。（1）原岩应力随深度变化1953年瑞典H.Hast37《矿山压力与岩层控制》教案（第二版，王家臣，2006-12-2）在斯堪的纳维亚半岛首先进行了原岩应力实测工作。此后，欧、美、澳大利亚和我国都先后开展了大规模原岩应力实测工作。E.T.Brown和E.Hoek（1978）研究了遍及世界不同地区的原岩应力测量，并进行了汇总。在进行资料选择时，对于那些特别反常的地质条件（如近期仍出现构造活动的地区

8、）的实测结果均略去，只选用了可靠的结果。见下图。上图是铅直应力与深度变化的关系。统计结果表明，铅直应力与深度的关系为：这是一个重要的铅垂应力估算公式。值得注意的是上式的比例系数与地壳浅部岩石的容重相吻合，通常。即实测结果说明，铅直应力与上覆岩层的重力相一致。下图是平均水平应力与铅垂应力之比K，随埋藏深度Z的变化关系。通过分析发现K值通常取值为：深度小于500米时，水平应力明显大于垂直应力；当深度＞1