D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.02.001 第18卷第2期 北京科技大学学报 Vol.18 No.2 1996年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1996 峨口铁矿地应力测量原理和结果分析* 蔡美峰于波乔兰陈桂忠 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要介绍了峨口铁矿的地应力测量同时采用的水压致裂法和应力解除法的基本原理和在现场测 量中所采用的新技术.根据实测地应力数据，使用静态系统灰色曲线模型获得峨口矿区的地应力 分布规律.结果表明由两种方法所获得的测量结果具有良好的一致性. 关键词地应力测量，水压致裂法，应力解除法 中图分类号TD301 太钢峨口铁矿边坡设计垂直高度达720，是我国边坡最高的露天矿山之一，目前采 场边坡已形成400m,随着采场的延伸，台阶滑坡事故日见增多，边坡破坏概率增大.为了 保证矿山生产安全，必须开展高陡边坡稳定性研究，另一方面，通过研究，采取适当措施， 可以合理加大边坡角，减少废石剥离量，提高矿山经济效益.据估算，如将峨口铁矿总体边 坡角加陡1°，可减少剥离量5000万t以上，节省剥离费用1亿元，经济效益十分显著，但 随着边坡的加高加陡，边坡稳定性控制和维护技术的难度将越来越大.为此，峨口铁矿高陡 边坡稳定性维护已被列为国家“八五”重点科技攻关项目，于1992年5月正式开展各项研 究工作. 为了进行高陡边坡稳定性分析和控制技术的研究，必须对影响边坡稳定性的各项因素进 行全面深入的了解，在这些因素中，地应力是最根本的因素之一· 峨口铁矿地应力测量同时采用水压致裂和应力解除法.两种方法互相对比和补充，将会 更有效地保证测量结果的可靠性， 1水压致裂地应力测量 11测点布置和测量原理 为了进行深部边坡岩体特性的研究，在矿区边坡进行了10个孔的勘察试验，勘察孔直径 75m,深度140~250m,倾角75°.通过分析和研究，选择其中的4个孔进行水压致裂试 验.这4个孔都在接近采区最终开采境界的地方，且能控制整个采区的地应力状态·图1 中1#~4#即为水压致裂测孔， 水压致裂应力测量包括6个步骤： (1)打钻孔到测试部位，并将试验段用两个封隔器隔离开来； (2)向隔离段注射高压水流，直到孔壁出现裂隙，此时的水压力称为初始开裂压力，记 为P:然后继续施加水压以扩展裂隙，当裂隙扩展至2~3倍钻孔直径深度时，关闭高压水系 1995-04-19收稿第一作者男52岁教授 ◆国家~八五“重点科技攻关项目，国家教委回国留学人员启动基金项目
8 第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 1 2 O 望场 年 月 4 l J u m a l o e i i f s v y r t n U o f s ~ e c n a d e c T h o n l o g y j e i i g B n V J . 8 1 N 6 A P r . i 9 卿 1 峨 口 铁矿地应力测 量 原理和 结果分析 ’ 蔡美 峰 于 波 乔 兰 陈桂 忠 北京科技大学资源工程 学 院 , 北 京 1〕加粥 摘要 介 绍了峨 口 铁矿的地应力测 量 同时采用 的水压致裂法和 应力解除法 的 基本原理和 在现场测 量中所采用 的新技术 . 根据实测地应力数据 , 使用 静态系统灰 色曲线模型获得峨 口 矿 区 的地应力 分布规律 . 结果表明由两种方法所获得的测量结果具有 良好的一致性 . 关键词 地应力测量 , 水压致裂法 , 应力解除法 中图 分类号 T D 30 1 太钢 峨 口 铁矿边 坡设计 垂直 高度 达 7 20 叭 是 我 国边 坡 最 高 的 露天 矿 山之 一 目前 采 场边 坡 已 形成 4 0 .m 随着 采场 的延 伸 , 台 阶滑坡 事故 日见增 多 , 边 坡破 坏 概 率 增 大 . 为 了 保证 矿 山 生产 安全 , 必须 开展高 陡边坡 稳定 性研 究 . 另 一方 面 , 通 过 研究 , 采 取 适 当措 施 , 可 以 合理 加大 边坡 角 , 减 少废石 剥离量 , 提 高矿 山经济 效益 . 据估算 , 如将峨 口 铁矿 总体边 坡 角加 陡 1 。 , 可 减少剥 离量 5 《X心万 t 以 上 , 节省 剥离 费用 1 亿元 , 经济 效益 十分显 著 . 但 随 着边坡 的加 高加 陡 , 边 坡稳定 性控 制和 维护技 术 的难 度将越来越 大 . 为此 , 峨 口 铁 矿 高陡 边 坡 稳 定 性 维 护 已 被 列 为 国家 “ 八 五 ” 重 点科 技 攻 关 项 目 , 于 19 92 年 5 月正 式 开 展 各 项研 究 工作 . 为 了进行 高陡边 坡稳定性 分 析和控 制技 术 的研 究 , 必须对影 响边坡 稳定性 的各 项 因素 进 行全 面深人 的 了解 . 在这些 因 素 中 , 地 应力 是最 根本 的因 素之一 峨 口 铁矿地 应力 测量 同时采 用水压 致裂 和应力 解除 法 . 两种 方法互 相对 比和 补充 , 将会 更有 效地保 证测 量结 果的可 靠性 . 1 水压致 裂地 应力测 量 L l 测点 布置 和测量 原理 为 了 进行 深部边 坡岩 体特性 的研 究 , 在矿 区 边坡 进行 了 10 个 孔 的勘察试 验 . 勘察孔 直 径 75 1 1 11 1 1 , 深 度 140 一 2 50 m , 倾角 75 0 . 通 过 分 析 和研 究 , 选 择其 中的 4 个孔 进 行 水 压致 裂 试 验 . 这 4 个孔都 在 接 近采 区 最 终 开 采 境 界 的 地 方 , 且 能控 制 整 个 采 区 的地 应 力 状 态 . 图 1 中 l # 一 4 # 即为水压 致裂 测孔 . 水 压致裂 应力测 量包 括 6 个 步骤 : ( l) 打钻孔到 测 试部位 , 并将 试验 段用 两个 封隔器 隔离开来; ( 2) 向隔离 段注 射高压 水流 , 直到孔 壁 出现裂 隙 , 此 时的水 压力称 为初 始 开裂 压 力 , 记 为尸 . ; 然后 继续施加 水 压 以扩展裂 隙 , 当裂 隙扩展 至 2 一 3 倍钻孔 直径深 度时 , 关 闭高压 水系 l 卯5 一 以一 19 收稿 第一 作者 男 52 岁 教授 * 国家 “ 八五 ” 重 点科技攻关 项 目 , 国 家教委回 国 留学人 员启动基金 项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 02. 001
.102. 北京科技大学学报 1996年No.2 16 20 3 36 0 52 最许境界线 图1水压致裂测点布置简图 统，此时的恒定水压力称为关闭压力，记为P；最后卸压使裂隙闭合； (3)重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开，并记下裂隙重开时的压力，记为P, 这种重新加压的过程重复2~3遍； (4)将封隔器完全御压后从钻孔中取出； (5)将用特殊橡皮包裹的印模器送人钻孔破裂段并加压使水压致裂裂隙的形状、大小、 方位及原来孔壁的节理裂隙均由橡皮印痕记录下来，根据初始裂隙在切向应力最小的部位 发生以及关闭压力必须和最小主应力相平衡的关系，在有孔隙水压力P。的情况下，可得如 下的决定垂直于钻孔平面的2个主应力公式： 06=P (1) 04=3P-P-P。 (2) 式中：σ为最小主应力，其方向和裂隙方向垂直；σ：为最大主应力，其方向和裂隙方向平行. 1个钻孔的水压致裂试验只能确定测点处垂直于钻孔轴线的平面内的2个主应力的大小 和方向.只有假设钻孔轴线和1个主应力方向重合，且该主应力值也已知，才有可能采用单 孔水压致裂试验来确定测点的三维应力状态，否则必须打3个互不平行的钻孔，才能决定一 点的三维应力状态.通常情况下，垂直方向即可认为是1个主应力方向，其值等于自重应力， 故一般将钻孔打在垂直方向。 本次试验使用的水压致裂装置中只使用1个电力驱动的油压泵.该油泵首先用于向封隔 器加压，当封隔器压力达到规定要求时，将封隔器液压管路关闭，并通过通道开关将油泵和 试验段加压系统连通.油泵和封隔器之间的液压通道为高压软管，而油泵和试验段之间的液 压通道是钻杆 13试验结果 由水压致裂结果计算地应力的关键是如何正确认定P,和P的值
北 京 科 技 大 学 学 报 1男6 年 N o . 2 图 1 水压致裂测点布置简图 统 , 此 时 的恒定 水压 力称 为关 闭压力 , 记 为 只 ; 最后 卸压使 裂 隙闭合 ; (3) 重新 向密封段 注射 高压 水 , 使裂 隙重新 打 开 , 并记 下裂 隙重 开 时 的 压 力 , 记 为 尸 r . 这 种重新 加压 的过 程 重复 2 一 3 遍 ; (4) 将 封隔 器完全 卸压 后从 钻孔 中取 出 ; ( 5) 将 用特殊 橡皮 包裹 的 印模器 送人 钻孔破 裂段并 加压 使水 压 致 裂 裂 隙 的 形 状 、 大 小 、 方 位及 原来孔 壁 的节理 裂 隙均 由橡皮 印痕记 录下 来 . 根 据初 始 裂 隙 在 切 向应 力 最 小 的 部 位 发生 以及 关 闭压力 必须 和最 小主 应力相 平衡 的关 系 , 在 有 孔 隙水 压力 oP 的情 况下 , 可 得如 下 的决定 垂直 于 钻孔平 面 的 2 个 主应 力公式 l1[ : a h = sP ( l ) 叮 H = 3只一 rP 一 oP (2 ) 式中 : 6 、 为最小主应力 , 其方向和裂隙方向垂直 ; 。 。 为最大主应力 , 其方向和裂 隙方向平行 . 1个 钻孔 的水压 致裂 试验 只能 确定测 点处 垂直 于钻孔 轴线 的平 面 内 的 2 个 主 应 力 的大 小 和方 向 . 只有 假设 钻孔 轴线 和 1 个主应 力方 向重 合 , 且 该 主 应 力 值也 已 知 , 才有 可能 采用单 孔水压致 裂试 验来 确定 测点 的三 维应力 状态 , 否 则必须 打 3 个 互不平行 的钻 孔 , 才能决 定一 点 的三 维应力 状态 . 通 常情 况下 , 垂直 方 向即 可认为是 1 个主应力方 向 , 其值 等于 自重 应力 , 故一 般将钻孔 打在 垂直方 向 . 本次试 验使用 的水压 致裂 装置 中只 使用 1个 电力 驱动 的油压 泵 . 该 油 泵 首 先 用 于 向封 隔 器加 压 , 当封隔器 压力 达到规定要 求 时 , 将封 隔器液 压管 路关 闭 , 并通 过通 道 开关将 油泵 和 试 验段 加压 系统连 通 . 油 泵和 封 隔器之 间 的液 压通道 为高 压软管 , 而 油泵和 试验段 之间 的液 压 通道 是钻 杆 . 1 3 试验 结果 由水 压致 裂结果 计算地 应力 的关 键是 如何 正确认 定 尸 。 和 .P 的值
Vol.18 No.2 蔡美峰等：峨口铁矿地应力测量原理和结果分析 .103. (1)关闭应力P, 到目前为止，根据压力一时间曲线来确定瞬时关闭应力P的方法大概有10种.由于岩石 和工程地质条件的复杂性，试验环境各不相同，在这些方法中还没有哪一种被认为是标准的 方法.本文使用格罗塞斯TM和克里PR提出的“拐折点法”(Inflection Point Method)和 李MY与海姆森BC提出的“指数压力衰减法”(Exponential Pressure-decay Method)a来 确定P,的值，结果见表1.可以看出，由两种方法获得的P,值是相当接近的，本文中将取它们 的平均值用于计算主应力 (2)裂隙重开压力P, 裂隙重开压力通过比较第一加压循环和第二（或第三，第四等）加压循环获得.通常将第 二加压循环和第一加压循环的压力一时间曲线重叠在一起，然后选择第二加压循环曲线偏离 第一加压循环曲线的一点作为裂隙重开点，并将该点的压力定为裂隙重开压力P(参见图4). 各测点的P,值列于表1. 确定了P,P,的值之后，即可根据公式(1)(2)计算出各测点的应力值，结果见表2 表1用于计算主应力的各测点P,P,和P。值 测点号深度m P/MPa P/MPa PMPa 1 118.0 6.4 4.8 1.07 3 99.14 5.4 5.4 0.92 2 133.48 6.3 6.3 1.26 3 151.25 7.3 7.3 1.47 4 110.926.8 9.0 0.98 注：2*为2#钻孔第二测点，以下同. 表2水压致裂测量各测点主应力计算结果 测点号深度血 数值(MPa)方向()数值(MPa)方向() d,/MPa 1 1180 13.3 140 64 50 3.1 2* 99.14 13.3 102 6.5 12 2.6 2 133.48 14.0 7.2 3.5 3 151.25 18.5 97 91 7 4.0 4110.92 13.2 112 6.8 22 2.9 2应力解除法地应力测量 2.1测点布置 分析峨口铁矿矿山开采状况资料，只有一运输平峒及其通风巷道可以利用.然而平峒作 为矿石的运输通道，不允许停产做试验，只有在其通风巷道内做应力解除试验，受通风巷长度 所限，只进行了4个孔的试验，且孔间距较近，在100m左右.图1中的5#~8即为应力解 除测孔·应力解除测孔均为水平孔，孔深为巷道跨度的3倍左右，保证测点是在未受开挖扰
V 61 . 18 N O . 2 蔡美峰等: 峨 口 铁矿地应力测 量原理和 结果分 析 ( )l 关 闭应 力 Ps 到 目前 为止 , 根据 压力 一 时间 曲线来确定 瞬 时关 闭应力 sP 的方 法大概 有 10 种 . 由于 岩石 和工 程地 质条 件 的复 杂性 , 试验 环境各 不相 同 , 在 这 些 方 法 中还 没 有 哪 一 种被 认 为 是 标 准 的 方法 . 本文使 用 格 罗塞斯 T M 和 克里 P R 提 出 的 “ 拐 折 点 法 ” (I n 时io n P o int M e t h o d )l[ }和 李 M Y 与 海姆 森 B C提 出 的 “ 指 数 压 力 衰 减 法 ” ( E x p o ~ t ial P渊毗 一 d助y M e t h o d ) 12 来 确 定 sP 的值 , 结果 见 表 1 . 可 以 看 出 , 由两种方 法获 得 的 sP 值是 相 当接 近 的 , 本 文 中将 取 它 们 的平均 值用 于计算 主应 力 . (2 ) 裂 隙重开压 力 rP 裂 隙重 开压力 通过 比较第一 加压 循环 和第二 ( 或第 三 、 第四 等 )加 压循 环 获 得 . 通 常将第 二 加压 循环和 第一加 压循 环的压 力 一 时 间曲线 重叠在 一起 , 然 后选 择第二 加压循 环 曲线 偏 离 第 一加 压循环 曲线 的一点 作为裂 隙重 开点 , 并 将该点 的压 力定 为裂 隙重开压 力 rP ( 参见 图 .4) 各 测点 的 rP 值列 于表 1 . 确定 了 sP , rP 的值之后 , 即可根 据公式 ( l ) 、 ( 2) 计算出各测 点的应 力值 , 结果 见表 .2 表 1 用于计算主应力的各测点 sP 、 尸 , 和 尸 。 值 测 点号 深度m/ 1 18 . 0 卯 . 】4 133 . 48 巧 1 . 25 1 10 . 92 只/M 几 rP M/ 几 oP zM 几 住L 07926478 .6378.645 .486379054 注: *2 为 2 # 钻孔第二测点 , 以下 同 . 表 2 水 压致裂测且各测点主应力计算结果 测点号 深 度m/ va /M 汽 · 一一 ` . 且 `U以一f … 凡一、 , ù门à、 劣一2127 峙`月J, ` 1 0 2 0LU, 声 峥月nU勺nU4 n,乙U l ,.且 1 18刀 卯 . 14 1 33 . 48 巧 1 . 2 5 1 10 . 92 1 3 . 3 1 33 14 D 八UQ ù 4 自. `, O了一ō, / 11 心.1 1 8万 1 3 . 2 2 . 1 应 力解 除法地应 力测 量 测点布 置 分析 峨 口 铁 矿矿 山 开采 状况 资料 , 只有 一运输 平 酮及其 通风 巷道 可以 利 用 . 然 而平 桐作 为矿 石的 运输通道 , 不允许停产做试验 , 只有在其通风巷道 内做应力解除试验 . 受 通 风巷 长度 所 限 , 只 进行 了 4 个孔 的试验 , 且 孔 间距 较 近 , 在 l o m 左 右 . 图 1中的 5 # ~ 8 二 即 为应 力解 除测 孔 . 应 力解 除测孔 均为水 平孔 , 孔深 为巷 道 跨度 的 3 倍左右 , 保证 测点 是在未 受开 挖扰
·104. 北京科技大学学报 1996年No.2 动的原岩应力区， 2.2测量方法 (1)在所选测点垂直巷道壁钻直径为130m的水平孔至原岩应力区，然后从大孔底钻直 径为36mm的同心小孔； (2)将钻孔应变计或变形计安装在小孔的中间部位； (3)用直径为130m的薄壁钻头继续延深大孔，进行套钻，使小孔周围的岩芯脱离周围 的岩体而实现应力解除； (4)根据应力解除过程中应变计或变形计测得的小孔应变值，即可由有关公式计算出作 用在小孔周围岩体中的三维原岩应力的大小和方向， 本次测量使用改进型空心包体应变计作为钻孔应变测量探头，并采用蔡美峰提出的完全 温度补偿技术，以正确修正由于测点温度变化对应变测量结果造成的影响.有关改进型空 心包体应变计和完全温度补偿技术的详细介绍见参考文献[3趴[4. 2.3计算公式 由应力解除过程中空心包体应变计中的12个应变片测得的最终应变值，在经过温度标 定之后，可由下列公式与原岩应力值联系起来问： 6g=(1/E){(ox+o,)K+2(1-D2o,-ox)os20-2x,sin20]K2-v0.K4 (3) e:=(1/E)儿o:-D(ox+0y】 (4) 70:=(4/E)(1+v)(ty cos0-t:x sine)K3 (5) ￡±45=(1/2)(e6+8:±Ya:) (6) 式中：c,6,Y:和￡±5·分别为周向应变，轴向应变，剪切应变值和与轴线成±45。方向 的应变；o,O,,y.5y,飞.为原岩力的6个应力分量：E,D分别为岩石的弹性模量和泊松比； K,K2,K,和K4是4个修正系数，其值与岩石和空心包体的弹性模量，泊松比，安装小孔的 直径，空心包体的内径以及应变片在空心包体中的径向位置有关阴 由公式(3)~(6)可以看出，为了从应力解除所测空心包体应变求原岩应力值，需要知道 岩石的弹性模量和泊松比.本次测量所用岩石弹性模量和泊松比由套孔岩芯的围压试验根据 下列公式获得： E=K (Po /E)R/(R2-r) (7) t=EE. (8) 式中：P。一围压值；e,￡：一围压引起的平均周向应变和平均轴向应变；，R-套孔岩芯的内、外径. 公式(7)是蔡美峰推导出来的，首次将K,引人岩石弹模的计算公式，纠正了以往在利用 空心包体围压试验结果计算岩石弹模公式中的一大错误，该错误可造成弹模计算结果高达 40%的误差. 由公式(3)~(8)可以看出，计算K系数时需要知道E值，而计算E时又需要知道K, 值，因而需要用迭代法求解.同时，由于一般岩体均具有非线性，其弹模值与应力水平有关.在 根据(3)~(6)式计算地应力时必须使用与所测应力水平相一致的弹模值.由于地应力是未知
北 京 科 技 大 学 学 报 1望拓 年 N d . 2 动 的原岩应 力 区 . 2. 2 测量 方法 ( l) 在所 选测 点垂 直巷 道壁 钻直径 为 130 ~ 的水 平孔 至原岩 应力 区 , 然 后从大孔底钻 直 径为 3 6 Il l ln 的 同心 小孔 ; (2) 将钻 孔应 变计或变 形计安装在 小孔 的 中间部位 ; ( 3) 用直 径 为 130 r n r n 的薄壁 钻 头继续 延深大 孔 , 进行套钻 , 使小孔周围的岩芯脱离周 围 的岩 体而 实现应 力解 除 ; ( 4) 根据 应力 解 除过程 中应 变计或 变形 计测得 的小孔 应变值 , 即可 由有关公 式 计算 出作 用在 小孔周 围岩 体中的三 维原 岩应力 的大 小和方 向 . 本次测 量使 用改 进型 空心 包体应 变计作为 钻孔应 变测量 探头 , 并 采 用蔡美 峰提 出的完 全 温度 补偿技 术 , 以 正确修 正 由于测 点温度 变化 对应 变 测量 结 果 造 成 的影 响 . 有 关 改 进 型 空 心包 体应 变计和完全温度 补偿技术 的详细 介绍 见参考 文献 3[] 、 ’[] . 2 3 计算公式 由应 力解 除过 程 中空 心包 体应变 计 中的 12 个应 变片测 得 的最 终 应 变值 , 在 经过 温 度 标 定之 后 , 可 由下列公 式 与原岩应 力值联系起 来:ln 产、. , 内、 少. ù络月亡J 6 了、. 了 ` `、 、了 。 。 = ( l周{( a 、 + a ; )凡 + 2 ( l 一 v ’ ) [( 。 , 一 。 , ) co s 2 0 一 2爪 , s i n Z o ]凡 一 v a , 凡 。 : = ( l / E )【 a : 一 v ( a , + “ , 7 。 : = ( 4 / E ) ( l + v ) ( T , : c o s s 一 T : x ￡ * ; : 一 ( l / 2 ) ( ￡ 。 + 。 : 士 7 。 : )1 5 i n 口) K 3 ) 式 中: 。 。 , 。 : , 儿 : 和。 士 45 · 分别 为周 向应 变 , 轴 向应变 , 剪切 应 变 值 和 与 轴线 成 士 45 。 方 向 的 应 变 ; ax , 。 , , az , 几 , , 爪 z , 戈 二 为原岩 力的 6 个应力分量 ; E , U 分别为岩 石的弹性模量 和泊松 比 ; K 、 , 凡 , K 3 和 凡 是 4 个 修正 系数 , 其值 与岩石和空 心包体 的弹性模 量 、 泊松 比 , 安装 小孔 的 直径 , 空 心 包体的 内径 以 及 应变 片在 空心包 体中的径 向位置有 关叽 由公 式 ( 3) 一 ( 6) 可 以 看 出 , 为 了从应力 解除 所测 空心 包 体 应 变求 原岩 应 力 值 , 需 要 知 道 岩 石 的弹性模 量 和泊松 比 . 本次 测量所 用岩 石弹性 模量 和泊松 比 由套 孔 岩 芯 的 围压 试 验 根 据 下列 公式 获得 : 、 J, , ūOC/ 了`、. E = K , (0P 店 。 )R Z ` = : 。 加 /(R Z 一 ; 式 中: p 。 一 围压值 ; 。 。 , 。 : 一 围压引起的平均周向应变和平均轴向应变 ; r , R 一 套孔岩芯的内 、 外径 . 公式 ( 7) 是蔡 美峰 推导 出来 的 , 首 次将 K 、 引人岩 石弹模 的计算 公式 , 纠正 了 以 往 在 利 用 空 心包体 围压 试验 结果计 算岩 石 弹模 公 式 中 的 一大 错 误 , 该错 误 可 造 成 弹模 计 算 结 果 高达 40 % 的误 差 . 由公 式 ( 3) 一 ( 8) 可 以 看 出 , 计算 K 系 数时需 要 知 道 E 值 , 而 计 算 E 时 又 需 要 知 道 K l 值 , 因而 需要 用迭代 法求 解 . 同 时 , 由于一般 岩 体均具有 非 线性 , 其 弹模 值 与应 力 水 平 有 关 . 在 根据 ( 3) 一 ( 6) 式 计算 地应 力 时必须使 用 与 所测 应力 水平相 一致 的弹模 值 . 由于 地 应 力 是 未 知
Vol.18 No.2 蔡美峰等：峨口铁矿地应力测量原理和结果分析 -l05. 的，因此也需要用迭代法求解.作者在进行测量结果计算时所采用的双迭代程序有效地保证 了计算结果的精度. 2.4测量结果 ()应力解除应变数据各测点经过温度修正的应力解除应变值，即最终用于计算地应力 的应变值列于表3 表3各测点用于计算地应力的最终应变数据 测点号 各通道用于计算地应力的最终应变数据（με） 123456789101112 5198352268325219398354329336231375305 6 152205198197247230231227156184176160 7 315282313259213328362363356273325345 8347400350357397316336277352299319292 (2)各测点岩石弹模、泊松比、K系数计算结果列于表4 表4各测点岩石E,值和K系数值 测点号E/GPa K,K2K,K 5 54.46 0.251.1601.1611.0940.894 6 84.61 0.291.1621.1741.0970.932 7 58.53 0.271.1591.1631.0940.914 8 47.800221.1601.1561.0930.856 (3)各测点原岩应力计算结果各测点3个主应力的大小和方向示于表5. 表5应力解除测量各测点主应力计算结果 测点号 0 0, 0 数值MPa方向（°）倾角（°）数值MP方向()倾角(·)数值MPa方向(·)倾角(·) 5 23.10 3599 -2.0 7.64 89.9 1.1 9.41 331.4 87.7 6 23.11 170.0 -0.5 8.25 258.1 74.5 10.72 260.2 -15.5 7 22.96 183.2 0.8 8.85 93.4 -15.6 10.97 90.5 74.3 8 19.34 153.1 -0.3 8.57 64.6 78.0 8.99 63.0-120- 3测量结果分析 影响地应力测量结果的因素很多，其中大多为随机因素，由于工程条件的限制，测点的选 择和布置具有很大的局限性；矿区的地质条件相当复杂，各点的地应力状态具有很强的随机 性，灰色建模理论的实质是对原始随机序列（称为灰序列）采用“生成”的信息处理方法弱化其 随机性，使原始灰序列转化为易于建模的新序列，对依新序列而建的模型作相应的逆生成即 得原始灰序列的模型， 目前灰色模型对处理多变量非线性系统问题仍然存在很大困难，为此有人根据灰色系统 理论的信息处理原则，提出了灰色代数曲线模型，简称GAM(n,h)模型.它是一个动态非线性
V b l . 18 N 亡 . 2 蔡美峰等: 峨 口 铁矿地应力测量原理和结果分 析 的 , 因此 也需 要 用迭代法求解 . 作者在 进行 测量 结果 计算 时 所 采 用 的双 迭 代程 序有 效 地保证 了计算结 果 的精 度 . .2 4 测量结 果 ( l) 应力 解 除应 变数据 的应变值列 于表 3 . 表 3 各 测点 经过温 度修正的应力解 除应变 值 , 即最终 用于计算 地应力 各 测点用于计算地应力的最终应变数据 测点号 各通道用于计算 地应 力的最终应变数据 伽的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 305姗429 257619 朔23127384 5263 3154719852 绷35208 26835019831 25937325197 219473 3982016 汉231362 727396 ``JU, zQ< ( 2) 各测 点岩 石 弹模 、 泊 松 比 、 K 系 数计算结果列 于表 .4 表 4 各测点岩石 E 、 。 值和 K 系数值 测 点号 召汇玉氏 5 54 . 46 K 3 4K 6 84 石l 58 . 53 47 . 即 U 0 . 25 a 29 02 7 0 . 2 1 . 1印 1 . 1 . 162 1 . 1 . 159 1 . 1 . 1团 1 . 1 . 任科 1 . 胆7 1 . (万峙 1 . 四3 .0 894 0 . 9 32 0 9 14 0 . 856 一K厂l(n 尸垃一6174635 (3 ) 各测 点 原岩应力计 算结果 各 测点 3个 主应 力的大 小和方 向示于 表 .5 表 5 应 力解除测最各测点主应力计 算结果 测点号 — 一 三止一一一一一一一一一一 口 2 ` 3 数值M P a 方 向/ ( 。 ) 倾 角犬 。 ) 数值 /M p a 方 向 (/ “ ) 倾 角走 “ ) 数 1旬M 氏 方回( “ ) 倾卿( 。 ) 23 . 10 23 . 11 22 . % 1.9 抖 一 .2 0 一 .0 5 0名 一 0 . 3 1 . 1 7 4 . 5 一 15 . 6 7 8 . 0 9 4 1 10 7 2 10 . 97 8 . 卯 331 . 4 2团2 卯 . 5 63 D 87 . 7 一 1 55 74 3 一 1 2D n, I 络J `U 89 258 9 麟2587 3“ 伪乙CU l .835709 f `UJ 3 测量结果分 析 影 响地应力 测量 结果 的 因素很 多 , 其 中大多 为随机 因素 . 由于 工 程条 件 的限 制 , 测点 的 选 择和 布置 具有很 大 的局 限性 ; 矿 区 的地质 条件 相 当复 杂 , 各 点 的 地 应 力状 态具 有 很 强 的 随 机 性 . 灰色建 模理 论的实质 是对原 始 随机序列 (称 为灰序列 )采 用 “ 生成 ” 的信 息处理 方 法 弱 化其 随机 性 , 使 原始 灰序 列转 化为 易于建 模 的新序 列 , 对依 新 序 列 而 建 的模 型作 相 应 的逆 生 成 即 得 原 始灰序 列 的模型 . 目前灰 色模 型对处理多 变量 非线性 系 统 问题 仍然 存在很 大 困难 . 为 此有 人 根 据 灰 色 系 统 理 论 的信息处理 原则 , 提 出了 灰 色代 数 曲线模 型 , 简称 G A M (n , h) 模 型 . 它是 一 个 动 态 非 线 性
.106. 北京科技大学学报 1996年No.2 系统模型，主要用来对未来时间点上多个相互关联的变量进行预测.而在分析地应力场分布 规律时，其原始灰序列中，不含时间序列，因此它是一个静态系统，在该系统中，由于主应力序 列和X、Y、Z坐标序列都是摆动的，这就大大增加了数据处理的难度.本文在GAM(n,h)模型 的基础上，提出了静态系统灰色代数曲线模型，简称GAM(O,h)模型.根据现场实测的8个钻 孔9个测点的地应力数据用该模型进行模拟得出矿区3个主应力的分布规律： 0H=-0.13-0.1697x+0.2797y+0.4396zMPa) 0h=0.03-0.1480x+0.2052y+0.1177zMPa) gv=-0.017+0.008x+0.016y+0.3316zMPa) 式中：oH,0a和o,分别为最大水平主应力，最小水平主应力和垂直主应力；x=X100, y=Y/100,z=Z10;X,Y为区域坐标，Z为埋深，单位为m. 分析表明，所有9个测点的实测值和对应的模型值的残差是均匀的，表明由应力解除法和 水压致裂法两种方法获得的测量结果服从同一分布规律，这就说明了由两种方法在峨口铁矿 所获得的地应力测量结果具有良好的一致性， 4结论 ()应力解除法测量结果表明，在每一测点均有2个主应力接近于水平方向，其倾角不大 于16°.另一主应力接近于垂直方向，其倾角，5号孔为87.7°，6~8号孔为75°~78，这与 水压致裂法测量中的钻孔倾角基本一致.因此在水压致裂法测量中假定钻孔与1个主应力方 向重合，是比较符合实际情况的. (2)最大主应力位于水平方向，其值为自重应力的2倍以上.垂直应力基本等于或大于上 覆岩层质量，证明峨口铁矿的地应力场是以水平构造应力为主导的而不是以自重应力为主导 的.这就否定了传统的认为山坡地构造应力已充分释放的假设.较大的水平构造应力的存在 对边坡稳定性有重大的影响，必须给予足够的重视， (3)最大水平主应力σH随深度变化增加较快，而深度变化对最小水平主应力σ，的影 响却相对较小.这是本区地应力分布的一大特点， (4)最大主应力的方向基本为北北西一南南东向或接近于南一北向，与矿区地质构造分 析的结果相一致.矿区的一系列东西褶皱构造，都是在近南北向主压应力的作用之下形成 的，山羊坪正断层也是受到南北向挤压应力作用而产生的与东西向挤压构造相配套的张性断裂. 参考文献 1 Gronseth J M,Kry P R.Instantancous Shut-in Pressure and Its Relationship to the Minimum in-situ Stress Proc Workshop on Hydraulic Fracturing Stress Measurements.Open-file Rept 82-1075, Washington DC.1982.147 ~167 2 Lee M Y,Haimson B C.Statistical Evaluation of Hydraulic Fracturing Stress Measurement Parameters.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1989,26:447~456 3蔡美峰.地应力测量中温度补偿方法的研究，岩石力学与工程学报，1991,103分227~235 (下转第111页)
北 京 科 技 大 学 学 报 1哭场 年 N b . 2 系统模 型 , 主要 用来对未来 时 间点上 多个 相互 关联 的变 量进行 预测 . 而在 分析地 应力场分布 规律时 , 其原始灰序列中 , 不含时间序列 , 因此它是一个静态系统 . 在该系统中 , 由于主应力序 列和 工 y 、 z 坐标序 列 都是 摆动 的 , 这 就大大增加 了数据处理 的难 度 . 本文在 G A M ( 。 , h) 模型 的基 础上 , 提 出了静 态系 统灰色代数曲线模型 , 简称 G A M (0 川 模型 . 根据现场实测 的 8 个钻 孔 9 个测 点 的地应 力数 据用 该模 型进行 模拟 得 出矿 区 3 个主 应力 的分布规律 : a H = 一 0 . 1 3 一 o . 16 9 7 x + 0 . 2 7 9 7 y + 0 . 4 3 9 6 2 (M P a ) a h = 0 . 0 3 一 0 . 14 8 O x + 0 . 2 0 5 2 y + 0 . 1 17 7 2 (M P a ) 。 、 = 一 0 . 0 1 7 + 0 . X() s x + 0 . 0 16y + 0 . 3 3 1 6 2 (M P a ) 式 中 : a H , 。 、 和 6 v 分 别 为 最 大 水 平 主 应 力 , 最 小 水 平 主 应力 和 垂 直 主 应 力 ; x = 别o , y 一 邢o , z = 2/ ;10 X, Y为 区 域坐 标 , Z 为埋 深 , 单 位为 rLT 分 析表 明 , 所 有 9 个 测点 的实测 值和 对应的模 型值的残差是均匀的 , 表 明由应力解除法和 水 压致 裂法两 种方 法获得 的测 量结 果服从 同一 分布规律 . 这就说明 了 由两种方 法在 峨 口 铁矿 所 获得 的地 应力测 量结果 具有 良好 的一 致性 . 4 结论 ( l) 应 力解除法 测量结 果表 明 , 在每 一测点均有2 个主应力接近于水平方 向 , 其 倾 角 不大 于 16 0 . 另一 仁应力 接 近 于 垂 直 方 向 , 其 倾角 , 5 号 孔 为 87 一 70, 6 一 8 即 L为 75 “ 一 780, 这与 水压致 裂法 测量 中的钻孔 倾角基本一致 . 因此 在水压致 裂法测 量 中假 定 钻 孔 与 1个 主 应 力方 向重合 , 是 比较符 合 实际情 况的 . ( 2) 最大 主应 力位 于水平 方向 , 其值为 自重应力的 2 倍以 上 . 垂直应力基 本等于或大于上 覆 岩层 质量 , 证 明峨 口铁矿 的地应 力场 是 以水 平构 造应力 为 主导 的而不 是 以 自重 应力 为主 导 的 . 这就 否定 了传 统 的认为 山 坡地 构造 应力 已充 分释 放的假 设 . 较大 的水平 构造 应力 的存在 对边坡稳 定性 有重 大 的影 响 , 必须 给予 足够 的重视 . (3 ) 最大 水平 主应力 a 、 随深 度 变化增 加较快 , 而深 度 变化对最 小 水 平 主 应 力 。 。 的影 响却 相 对较 小 . 这 是本 区 地应 力分 布 的一大 特点 . (4 ) 最大 主应 力 的方 向基本为北北 西 一 南南 东 向或接近于南 一 北 向 , 与矿 区 地 质 构造 分 析 的结 果 相 一 致 . 矿 区 的一 系 列 东 西 褶 皱构造 , 都 是在 近南北 向主压应力 的作 用 之下 形 成 的 , 山羊 坪正 断层也是受到南北 向挤压应力作用而产 生的与东西 向挤 压构造 相配 套 的张性断裂 . 参 考 文 献 1 G or n 记ht J M , K ly P R . 玩扭n at 洲泊璐 S l l u t 一 in P I悦二 a l l d stI R七】a iot 、 hiP ot het M ~ in 一 s iut Sit 砚洛 P ocr 认OI ksr bo p on H川J a l dcj F 田以面n g Sin 泛石 M eas u n , I K” st . q ep n 一 欣 eR tP 82 一 107 5, W出 hj n gt o n D C , 198 2 . 147 一 167 2 1丈笼 M Y , H ia m os n B C . Sat tis 往乏 } E 从目aU iot n o f H拟 ar 田i e F ar tC 面n g S tre 留 M aes u 田n 盆幻 t R 川理阴 te rs . nI t J R oc k M 以上 M in S e i & C 印n 篮℃ h A 加tr , 1989 , 26 : 4 7 ~ 4 56 3 蔡美峰 . 地应力测量 中温度补偿方法的研究 . 岩石力学与工程学报 , 1卯 1 , l仪:3) 2 7 一 23 5 (下 转第 1 1 1 页 )
Vol.18 No.2 蒋日东等：CAD交互界面设计环境及其应用 -111. 3 Hartson H R,Hix D.Human Computer Interface Development:Concepts and Systems for its Management.CAM Computing Surveys.1989.21(1):47~54 4程景云，倪亦泉等·人机界面设计与开发工具·北京.电子工业出版社.1994 5蔡希尧，陈平，面问对象技术.西安：西安电子科技人学出版社。19乃 6蒋日东.GA卡高效模块化图形程序设计.计算机应用研究，19941：15~17 Developing Environment for Hurnan Computer Interface of CAD and Its Applications Jiang Ridony He Yuxin Department of Metals Forming,USTB,Beijing 100083.PRC ABSTRACT Basic techniques for graphic user interface (GUI)are introduced.The effec- tive method for the design of interactive interface of CAD is proposed.Multiple win- dows GUI is developed under the DOS environment using object-oriented and event driven technologies.The developed system has the same display style and operating rules with Ms-Windows,and it is adaptable to the computer hardware and software environments of our country.Finally a practical use is given. KEY WORDS CAD/human computer interaction,graphic interface,object-oriented, event driven 的的的的的的的响的的的的前的的的的前响的的响的的帅的响响纳的的的的*的的一的的的的年-的的 (上接第106页) 4乔兰，蔡美峰.应力解除法在某金矿地应力测量中的新进展.岩石力学与工程学报、1995141上25~32 5 Dancan Fama M E.Pender M J.Analysis of the Hollow Inclusion Technique for Measuring in-situ Rock Stress.Int J Rock Mech Min Sci and Geomech Abstr,1980,17(3):137~146 Results of in-situ Stress Measurement in Ekou Iron Mine Cai Meifeng Yu Bo Qiao Lan Chen Guizhong College of Resources Engineering.USTB.Beijing 100083.PRC ABSTRACT Both hydraulic fracturing and borehole overcoring methods were used for in-situ stress measurement in Ekou Iron Mine.The basic principles of these two methods and a series of new techniques used in the field measurement are introduced.-Based on the measuring results. the distribution law of in-situ stress state in the Mine was established using grey algebraical curve model.The measuring results obtained by two different methods showed good agreement. KEY WORDS in-situ stress measurement.hydraulic fracturing technique,borehole overcoring technique
V 0 1 . 8 N 1 0 . 蒋 日 东等 2 ; C 交 互 界 面设 计环境 及其应 用 D A H u m a n C o m P t e r u I t e r n f a e e e e D v l o m P t e n : 1 1 1 H 3 a r t o H R s n . i H D x C o l l e e t P a s n S y d s t e m s f o r i t s M a a n g e m t e n . t p M C C o S m e i g r y u u v s n A , 1 9 89 , 2 1 ( l ) : 4 7 一 抖 程景 云 , 倪亦泉等 . 人机 界面 设计 与开发 工 具 . 北 京 电 子 上 业 出版社 . 1明〕4 蔡希尧 , 陈平 . 面 向对象技术 . 西安 : 西安电子 科技 大学出版社 1空刀 蒋 日东 . 从 l 气卡高效模块化图形程 序设计 . 计算机应用研究 , l 卯电:l) 巧 一 17 D e v e l o P i n g E n v i r o n r n e n t of r H u arn n C o m P u t e r I n t e r af e e o f C A D a n d I t s A P P l i e a t i o n s J i a 砚9 R i d o n g H e Y u x i n D e P a r t m e n t o f M e t a l s F o rm 一n g , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , P R C A B S T R A C T B a s i e t e e h n i q u e s fo r g r a P h i c u s e r i n t e r fa e (G U I ) a r e i n t r o d u ce d . T h e e fe e - t i v e me t h o d fo r t h e d e s i g n o f i n t e r a e t i v e i n t e r fa e o f C A D 1 5 P r o P o s e d . M u lt i P l e w i n - d o w s G U I 1 5 d e v e l o P e d u n d e r t h e D O S e n v i r o n m e n t u s i n g o bj e e t 一 o r i e n t e d a n d e v e n t d r i v e n t e e h n o l o g i e s . T h e d e v e l o P e d s y s t e m h a s t h e s a me d i s P l a y s t y l e a n d o P e r a t i n g ur l e s w it h M s 一 W i n d o w s , a n d it 1 5 a d a Pt a b l e t o t h e co m P u t e r h a r d w a r e a n d s o ft w a r e e n v i r o n m e n t s o f o u r c o u n t r y . F i n a ll y a P r a c t i c a l u s e 1 5 g i v e n . K E Y WO R D S C A D / h u m a n e o m P u t e r i n t e r a ct i o n , g r a P h i c i n t e r af ce , o bj e c t 一 o r i e n t e d , e v e n t d r l v e n ( 上接第 1肠 页 ) 4 乔兰 , 蔡美 峰 . 应力解 除法 在 某金 矿地 应力测 量 中 的新进展 . 岩石 力学与 1 程学报 , S E 扭n ca 们 F 翻r 以 M E , P e n d e r M J . A n a l外` o f the H o lol w Icnl 二 沁n 不戈 h n iq 呢 of r l 卯5 , l4( l ) : 25 一 32 M挑 U rm g in 一 s 一t u R oc k Stu 岌洛 . I n t J R oc k M 成 1 1 M in S e , a n d G 图 I试h A忱tr , 19 80 , 17 (3) : 137 一 146 R es ul ts o f 谊 一 s it u S t r e s s M e a s u l℃I n e n t i n E k o u I r o n M ine C a i 对 e ije , z口 uY B o Qi a o aL n C h en 肠、 i : h on g 助 1l ge o f R即~ F n 乡 n 比丙n g , U S T B , B e iji n g l州期 83 , P R C A B S T R A C T B o t h h y d ar u li e afr ct u ir n g a n d b o re h o l e o ve 阴 n n g m e t h o ds we re us 时 fo r 爪 一 s i t u s t res n 飞浅戈S u re l刀e l l t i n E k o u Iro n M i n e . T h e b a s l c P ir n 成P l es o f t h 器e two m e t h o ds a n d a s e ires o f n e w tce h n iq u es us 时 i n t h e if e l d ame s u re men t a re i n tro d u 以1一 B a sde o n th e ~ s u ir n g res u lts , ht e d is t ir b u t io n l a w o f in 一 s it u s t esr s at et i n th e M i n e aw s 巴at b lis h de us i n g g er y a l g e b ar i以l cu ver mo d el . hT e n 篮么S u ir n g esr u lst o b at i n de b y two d l fe er n t me th o d s s h o w de g o o d a g emr n t . K E Y W O R I粥 i n 一 s it u s t渊 ~ s u emnr t , h y d ar ul i e far ct u ir n g t ec l i n i q ue , bo er h o l e o ve cor ir n g tce l l n i q ue