本文關(guān)鍵詞：露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采對(duì)礦巖穩(wěn)定性影響的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

露 天 轉(zhuǎn) 地 下 開(kāi) 采 對(duì) 礦 巖 穩(wěn) 定 性 影 響 的 研 究

（申請(qǐng)

工 學(xué)碩士學(xué)位論文 ）

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采對(duì)礦巖穩(wěn)定性影響的研究

彭

培 養(yǎng) 單 位 ： 資源與環(huán)境工程學(xué)院 學(xué)科專業(yè)：采礦工程

濤

研 究 生 ：彭<

br />
濤

武 漢 理 工 大 學(xué)

指導(dǎo)老師：張世雄（教授、博導(dǎo)）

2003 年 11 月

分類號(hào) UDC

密 級(jí) 學(xué)校代碼

10497

學(xué)
題 英 題

位

論

文

目 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采對(duì)礦巖穩(wěn)定性影響的研究 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 單位名稱 工 學(xué)科專業(yè)名稱 2003.11 武漢理工大學(xué) 張世雄 職稱 職稱 郵編 采礦工程 論文答辯日期 2003.12 學(xué)位授予日期 評(píng)閱人 單位名稱 濤 教授 學(xué)位 博士 郵編 430070

研究生姓名 指導(dǎo)教師 副指導(dǎo)教師

武漢理工大學(xué)

申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 論文提交日期 學(xué)位授予單位 答辯委員會(huì)主席

2003 年 11 月 8 日
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中文摘要
本文以《大冶鐵礦東露天高陡邊坡轉(zhuǎn)地下開(kāi)采》項(xiàng)目為依托，對(duì)露天轉(zhuǎn) 地下開(kāi)采對(duì)礦巖穩(wěn)定性影響進(jìn)行了初步研究。通過(guò)對(duì)礦區(qū)的工程地質(zhì)、水文 地質(zhì)、巖體力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力等的調(diào)查研究，取得合理的數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù) 及模型范圍尺寸。借助 AUTOCAD、Rhino、ANSYS 等軟件建立三維計(jì)算模型及 網(wǎng)格劃分。采用 ALGORFEA 軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，研究了首采礦段西部從－ 24m 至－48m 高程內(nèi)三個(gè)分段開(kāi)挖所引起的新的次生應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，表 明礦巖體應(yīng)力進(jìn)一步釋放， 其破壞機(jī)理以受拉破壞為主，壓應(yīng)力集中通常不 造成對(duì)巖體的破壞， 圈定了可能出現(xiàn)破壞的范圍，提出了相應(yīng)的安全技術(shù)措 施，為礦山安全生產(chǎn)提供了科學(xué)的指導(dǎo)。 巷道的收斂量測(cè)能夠靈敏準(zhǔn)確地判斷巷道圍巖的穩(wěn)定性， 并預(yù)報(bào)其變形 加速、破壞和圍巖坍塌時(shí)間，從而指導(dǎo)地下開(kāi)采作業(yè)安全、高效的進(jìn)行。建 立一套完善的管理體制和預(yù)警、避險(xiǎn)辦法，對(duì)減少事故的發(fā)生能夠起到積極 作用。 有效的礦山安全管理應(yīng)是主動(dòng)的超前管理， 應(yīng)是相互協(xié)作條件下的綜合 化和系統(tǒng)化管理，應(yīng)是一種充分調(diào)動(dòng)人的主觀能動(dòng)性的“自我控制”管理， 其實(shí)質(zhì)就是整個(gè)礦山系統(tǒng)的本質(zhì)安全化。因此，搞好礦山安全管理，有助于 礦山企業(yè)科學(xué)減災(zāi)及經(jīng)濟(jì)效益的提高。

關(guān)鍵詞：露天轉(zhuǎn)地下、地應(yīng)力測(cè)量、有限元分析、收斂量測(cè)、礦山安全管理

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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
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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

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目錄
第1章 引言……………………………………………………………………1

1.1 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的特點(diǎn)………………………………………………1 1.2 國(guó)內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下技術(shù)現(xiàn)狀…………………………………………3 1.3 大冶鐵礦東露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采…………………………………………5 1.4 項(xiàng)目研究的目的和意義………………………………………………7 第2章 礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量………………………………………………………9 2.1 地應(yīng)力概述……………………………………………………………9 2.2 地應(yīng)力分布的一般規(guī)律……………………………………………10 2.2.1 重力應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)………………………10 2.2.2 地殼淺部原巖應(yīng)力的一些規(guī)律……………………………11 2.3.3 平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值與深度關(guān)系……………13 2.2.4 兩個(gè)水平應(yīng)力的關(guān)系………………………………………14 2.3 地應(yīng)力測(cè)量原理和方法……………………………………………14 2.4 大冶鐵礦地應(yīng)力測(cè)量………………………………………………15 2.4.1 測(cè)點(diǎn)布置……………………………………………………15 2.4.2 巖體應(yīng)力測(cè)量步驟及計(jì)算…………………………………17 2.4.3 實(shí)測(cè)結(jié)果……………………………………………………18 2.4.4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析………………………………………………20 第3章 東采工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征……………………………………21 3.1 礦區(qū)地質(zhì)概況………………………………………………………21 3.2 地層與巖性…………………………………………………………22 3.3 礦區(qū)斷層分布………………………………………………………24 3.4 采場(chǎng)水文地質(zhì)特征…………………………………………………25 3.4.1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件…………………………………………25 3.4.2 東采地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律…………………………………26 3.5 巖石物理力學(xué)性質(zhì)…………………………………………………28 第4章 首采地段三維有限元分析…………………………………………32 4.1 概述…………………………………………………………………32
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4.2 有限單元法原理及其應(yīng)用要點(diǎn)……………………………………32 4.3 有限元求解巖石力學(xué)問(wèn)題的步驟…………………………………33 4.4 東采露天轉(zhuǎn)地下首采地段數(shù)值模擬研究…………………………34 4.4.1 計(jì)算模型和力學(xué)參數(shù)………………………………………34 4.4.2 計(jì)算方案……………………………………………………37 4.4.3 計(jì)算結(jié)果及其分析…………………………………………37 4.4.4 結(jié)論…………………………………………………………47 附圖…………………………………………………………49 第5章 圍巖變形量測(cè)………………………………………………………59 5.1.1 圍巖表面位移量測(cè)…………………………………………61 5.1.2 圍巖內(nèi)部位移量測(cè)…………………………………………62 5.1.3 圍巖松動(dòng)圈的彈性波量測(cè)…………………………………63 5.2 位移收斂量測(cè)要點(diǎn)及精密控制……………………………………65 5.2.1 監(jiān)測(cè)斷面選擇………………………………………………65 5.2.2 影響觀測(cè)成果的因素………………………………………65 5.2.3 安全裝置……………………………………………………65 5.2.4 監(jiān)測(cè)頻率和觀測(cè)時(shí)間………………………………………66 5.2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警………………………………………………66 5.3 東采－24m 水平位移收斂量測(cè)……………………………………67 5.3.1 收斂測(cè)點(diǎn)布置………………………………………………67 5.3.2 量測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理………………………………………68 第6章 礦山安全管理………………………………………………………71 6.1 礦山安全管理的概念………………………………………………71 6.2 礦山安全管理模式與手段…………………………………………71 6.2.1 管理模式……………………………………………………71 6.2.2 管理手段……………………………………………………73 6.3 礦山安全管理方法…………………………………………………74 6.4 礦山安全管理的作用特性…………………………………………76 6.5 現(xiàn)代安全管理………………………………………………………77
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5.1 圍巖變形與位移的量測(cè)……………………………………………59

6.6 結(jié)論…………………………………………………………………79 第7章 結(jié)論與展望…………………………………………………………80 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………82 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文………………………………………………85 致謝……………………………………………………………………………86

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第1章 1.1 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的特點(diǎn)

引言

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山通常是礦體延伸較深、覆蓋層不厚、多為中厚或 厚大的急傾斜礦床，由于這類礦床初期采用露天開(kāi)采，具有投產(chǎn)快、初期建 設(shè)投資少、貧損指標(biāo)優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)露天開(kāi)采不斷延深后，這些礦山逐步由 露天開(kāi)采向地下開(kāi)采過(guò)渡最終全面轉(zhuǎn)向地下開(kāi)采。因此，要求露天轉(zhuǎn)地下開(kāi) 采的礦山，在進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)前（露天）后（地下）期開(kāi) 采應(yīng)統(tǒng)一全面規(guī)劃， 露天開(kāi)采后期的開(kāi)拓系統(tǒng)既要考慮地下巷道的利用，同 時(shí)在向地下開(kāi)采過(guò)渡時(shí)， 地下開(kāi)采也應(yīng)盡可能利用露天開(kāi)采的相關(guān)工程和設(shè) 施等有利因素， 使露天開(kāi)采平穩(wěn)地過(guò)渡到地下開(kāi)采，使礦山產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益 保持穩(wěn)定。 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山，整個(gè)礦山的開(kāi)采期一般要經(jīng)過(guò)露天開(kāi)采期、露 天與地下聯(lián)合開(kāi)采的過(guò)渡期和地下開(kāi)采期三個(gè)階段，在這三個(gè)階段中，礦山 的開(kāi)采強(qiáng)度和礦山企業(yè)的生產(chǎn)能力是各不相同的，因此，在考慮露天轉(zhuǎn)地下 開(kāi)采的開(kāi)采工藝及工程布置時(shí)， 必須研究與礦山礦床賦存條件及開(kāi)采技術(shù)條 件相適應(yīng)的開(kāi)采強(qiáng)度和生產(chǎn)能力，以求獲得經(jīng)濟(jì)效益的最大化。國(guó)內(nèi)外露天 轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山的經(jīng)驗(yàn)表明， 當(dāng)?shù)V山充分利用了露天與地下開(kāi)采的有利工藝 特點(diǎn)時(shí)， 統(tǒng)籌規(guī)劃露天與地下開(kāi)采的工程布置，可以使礦山的基建投資減少 25%～50%，生產(chǎn)成本降低 25%左右。 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采有如下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）過(guò)渡期長(zhǎng)，補(bǔ)勘、規(guī)劃和技術(shù)攻關(guān)須先行 一般露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山采取不停產(chǎn)過(guò)渡，露天產(chǎn)量逐漸減少，地下 產(chǎn)量逐漸增加，直至露天礦結(jié)束，地下礦達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量。這段交替時(shí)間稱為 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡期。在過(guò)渡時(shí)期內(nèi)，露天與地下開(kāi)采是同時(shí)進(jìn)行的。 國(guó)內(nèi)外一些露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的實(shí)際過(guò)渡期， 一般為 5～10 年， 甚至更長(zhǎng)一些。 國(guó)內(nèi)外許多礦山由于及時(shí)地進(jìn)行轉(zhuǎn)地下開(kāi)采地工作，保證有效地過(guò)渡，做到 礦山不停產(chǎn)，它們縮短過(guò)渡期的主要經(jīng)驗(yàn)是：①地質(zhì)勘探工作先行：地質(zhì)勘
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探提前在露采結(jié)束 10～15 年之前進(jìn)行。②總體規(guī)劃工作先行：露采年限短 （10～15 年）的中小型礦山露采、地采設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行；露采年限長(zhǎng)（20～ 30 年）的大型礦山，露采設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)研究如何過(guò)渡、何時(shí)過(guò)渡，并應(yīng)在露采 結(jié)束 8～10 年之前開(kāi)展轉(zhuǎn)地下開(kāi)采設(shè)計(jì)。③轉(zhuǎn)地下開(kāi)采技術(shù)難題先行：地下 開(kāi)采與邊坡滑落之間相互關(guān)系、過(guò)渡期的采礦方法、掛幫礦的開(kāi)采、防洪排 水等問(wèn)題應(yīng)在轉(zhuǎn)地采建設(shè)前尋求對(duì)策。 （2）地壓復(fù)雜，專題研究須展開(kāi) 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采特點(diǎn)之二是地壓復(fù)雜化。在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的條件下， 形成了一個(gè)露天開(kāi)采、 境界礦柱和掛幫礦開(kāi)采、主礦體地下開(kāi)采的統(tǒng)一采空 區(qū)，而且其形狀十分復(fù)雜。采空區(qū)地質(zhì)力學(xué)過(guò)程的特點(diǎn)是，同一巖體區(qū)段上 受到數(shù)個(gè)應(yīng)力場(chǎng)的作用， 使應(yīng)力與變形狀態(tài)很不均勻，給轉(zhuǎn)地下開(kāi)采帶來(lái)了 一系列地壓?jiǎn)栴}。 主要通過(guò)有限元的方法找出應(yīng)力分布規(guī)律，位移容易發(fā)生 的區(qū)段， 采動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響等。有條件還可以進(jìn)行露天坑底回填巖石附 加壓載對(duì)邊坡及坑底應(yīng)力分布產(chǎn)生有利的影響， 地下開(kāi)采順序優(yōu)化等的計(jì)算
【1】 研究工作。

（3）露采工程與地采工程須有機(jī)地結(jié)合 凡是露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山，在進(jìn)行露采和地采設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)相互利用露 天和地下開(kāi)采各自的特點(diǎn)，使露采工程和地采工程有機(jī)地結(jié)合，相互利用， 這是露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的又一特點(diǎn)。主要工程有：①開(kāi)拓工程：利用露天轉(zhuǎn)地 下開(kāi)拓運(yùn)輸工程分流露采礦石，可以大大減少運(yùn)距；井筒位置選擇要考慮露 采和地采施工時(shí)是否干擾， 露采產(chǎn)生的應(yīng)力釋放、松動(dòng)帶使地表位移和地下 采動(dòng)所引起的地表塌陷變緩等因素的影響。②排水工程：對(duì)于多雨地區(qū)的深 凹露天礦， 采用地下井巷排水方式優(yōu)于采場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)泵站的排水方式。③工業(yè) 場(chǎng)地和廢石場(chǎng)： 廢石場(chǎng)選擇時(shí)因露采廢石量大應(yīng)以露采為主，但應(yīng)兼顧地采 的需要；可利用地表巖移陷落區(qū)作為露采排土場(chǎng)，應(yīng)控制好下沉速度。 （4）涌水量大，防洪排水措施須周密 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的上部為一殘存的露天深凹盆地， 匯水面積達(dá)數(shù)十萬(wàn)平 方米，露天降雨徑流直接影響地下排水，給地下生產(chǎn)造成危害。國(guó)內(nèi)幾個(gè)露 天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山的日最大涌水量達(dá) 5～16 萬(wàn)立方米。 為了使雨季徑流之洪 水不至于全部泄入露天采場(chǎng)盆地，減少對(duì)井下生產(chǎn)的威脅，轉(zhuǎn)地下開(kāi)采設(shè)計(jì)
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時(shí)，應(yīng)反復(fù)踏勘現(xiàn)場(chǎng)，研究采場(chǎng)外圍地形地貌、采場(chǎng)開(kāi)采現(xiàn)狀、露天開(kāi)采境
【1】 界圖，合理地圈定匯水面積，采取一切可能采取的防洪排水措施。

1.2 國(guó)內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下技術(shù)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山有江蘇的鳳凰山鐵礦和冶山鐵礦、 安徽的銅 官山銅礦、湖北的紅安螢石礦、甘肅的白銀折腰山銅礦、江西的良山鐵礦、 浙江的漓渚鐵礦和山東的金嶺鐵礦等。近三十年來(lái)，國(guó)內(nèi)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的 礦山雖然不多， 但是通過(guò)試驗(yàn)和研究也積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為我們進(jìn)一 步研究適合我國(guó)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的方法和手段創(chuàng)造了條件。 針對(duì)國(guó)內(nèi)露天轉(zhuǎn) 地下開(kāi)采的技術(shù)要求及今后的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行了理論研究，如馬鞍山礦山研 究院利用技術(shù)創(chuàng)新資金研究了露天與地下聯(lián)合開(kāi)采的工藝技術(shù)， 它包括聯(lián)合 穿爆地下出礦采礦工藝、露天漏斗法采礦工藝、地下穿爆露天出礦工藝等， 同時(shí)也研究了露天與地下聯(lián)合開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)， 為國(guó)內(nèi)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦 山提供了理論準(zhǔn)備。 江蘇鳳凰山鐵礦是我國(guó)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采最早的礦山，該礦 1960 年開(kāi)始 進(jìn)行地下開(kāi)采工程的建設(shè)，1973～1976 年由露天向地下開(kāi)采過(guò)渡，由于采 用的方法得當(dāng)，達(dá)到了過(guò)渡期穩(wěn)產(chǎn) 30 萬(wàn)噸／年產(chǎn)量的要求。該礦在過(guò)渡期 開(kāi)采的特點(diǎn)是：露天與地下同時(shí)建設(shè)，先采露天部分，待轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采時(shí)， 使露天有足夠的時(shí)間回采殘柱，，地下有充分的時(shí)間進(jìn)行試采，這樣既保證了 露天殘柱回采， 也給過(guò)渡期的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造了條件；因地制宜地選擇地下第
【2】 一中段的采礦方法，是露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采在過(guò)渡期穩(wěn)產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

浙江漓渚鐵礦礦體走向長(zhǎng) 300ｍ，傾角 55°～75°，礦體埋深 335ｍ， 礦體平均厚度 60ｍ，該礦在+80ｍ以上采用露天開(kāi)采，露天開(kāi)采結(jié)束后，沿 礦體走向留下了三個(gè)露天坑和頂?shù)装迦堑V帶，轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采后，先采用無(wú) 底柱分段崩落法回采頂?shù)妆P殘礦， 然后采用大爆破的方式一次性將頂?shù)装鍑?巖崩落形成 20m 以上的廢石覆蓋層，作為地下開(kāi)采時(shí)的上覆巖層，以確保地
【2】 下采礦的安全。

銅陵有色金屬（集團(tuán)）公司下屬銅山銅礦的銅山露天礦、前山露天礦和 鳳凰山銅礦的金牛露天礦， 均為由地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采的礦山實(shí)例。以銅山露天
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礦為例，該礦利用原-40ｍ階段作為露天礦的主運(yùn)輸巷道，其開(kāi)采技術(shù)特征 是： 露天爆破作業(yè)對(duì)地下作業(yè)面的嚴(yán)重破壞作用完全可以人為地控制，該礦 采用多排孔微差爆破技術(shù)， 每段藥量控制在 500Kg 以內(nèi)，地下巷道一般不會(huì) 發(fā)生冒頂和嚴(yán)重開(kāi)裂現(xiàn)象， 可以保證其穩(wěn)定性；同時(shí)把在計(jì)算地震波影響范 圍內(nèi)的地下工作人員撤離到安全地點(diǎn)和及時(shí)清頂檢查，可以保證人員的安 全。此外，鳳凰山銅礦與馬鞍山礦山研究院合作，就該礦金牛露天采場(chǎng)開(kāi)采 技術(shù)安全問(wèn)題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，由于該采礦屬于地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采類 型， 研究后采用露天礦臨界邊坡控制爆破技術(shù)、地下空區(qū)層位及形態(tài)的探測(cè) 技術(shù)、 合理規(guī)劃露天開(kāi)采順序和邊坡穩(wěn)定性監(jiān)控等研究方法和手段，也實(shí)現(xiàn) 了露天礦的安全生產(chǎn)，同時(shí)確保了下部地下開(kāi)采的正常進(jìn)行。此外，馬鞍山 礦山研究院在露天礦不擴(kuò)界開(kāi)采境外礦方面做了大量的研究工作， 先后對(duì)河 南的銀洞坡金礦、 新疆的雅滿蘇鐵礦、馬鋼的南山鐵礦等露天礦山進(jìn)行了設(shè)
【2】 計(jì)研究，取得了很好的應(yīng)用效果。

國(guó)外露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山較多，涉及的礦山有金屬礦山、非金屬礦山 和煤礦等等，如瑞典的基魯納瓦拉礦、南非的科菲豐坦金剛石礦、加拿大的 基德格里克銅礦、芬蘭的皮哈薩爾米鐵礦、前蘇聯(lián)的阿巴崗斯基鐵礦、澳大 利亞的蒙特萊爾銅礦等，上述礦山根據(jù)地質(zhì)、資源、生產(chǎn)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等因 素的不同， 就合理確定露天開(kāi)采的極限深度、露天開(kāi)采向地下開(kāi)采過(guò)渡時(shí)期 的產(chǎn)量銜接、 露天坑底盆的頂柱與緩沖層、露天開(kāi)采的開(kāi)拓系統(tǒng)與地下開(kāi)采 的開(kāi)拓系統(tǒng)銜接、 露天開(kāi)采的邊坡管理與殘柱回采、坑內(nèi)通風(fēng)與防排水系統(tǒng)
【2】 等主要問(wèn)題進(jìn)行了研究，取得了較好的效果。

瑞典基魯納瓦拉礦的礦床由三個(gè)透鏡狀礦體組成，長(zhǎng) 7000ｍ，傾角 55 °～65°，其中基魯納瓦拉礦走向長(zhǎng) 3000ｍ，平均厚度 90ｍ，該礦從 1952 年開(kāi)始由露天向地下開(kāi)采過(guò)渡，1962 年全部轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，礦山生產(chǎn)能力 為 2300～2500 萬(wàn)噸／年，礦山開(kāi)采的特點(diǎn)是：深部露天的礦石用溜井通過(guò) 坑內(nèi)巷道運(yùn)出， 減少了露天剝離量和縮短了運(yùn)輸距離；地下用豎井斜坡道開(kāi) 拓，使鑿巖、裝運(yùn)等無(wú)軌設(shè)備可直接進(jìn)出坑內(nèi)采礦工作面；井下運(yùn)輸提升全
【2】 部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，使地下開(kāi)采的機(jī)械化提高到一個(gè)新的水平。

芬蘭皮哈薩爾米礦為黃鐵礦床， 礦體埋深在地表以下 500ｍ， 走向長(zhǎng) 650 ｍ，中部寬 75ｍ，兩端變窄，礦體傾角北部 50°～70°，其余部位為垂直
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的，該礦開(kāi)采的特點(diǎn)是：采用露天與地下同時(shí)開(kāi)拓建設(shè)，露天超前地下開(kāi)采 的方式，并利用統(tǒng)一的地下巷道，使過(guò)渡時(shí)期拉長(zhǎng)，確保地下開(kāi)采有充分的 時(shí)間進(jìn)行采礦方法試驗(yàn)； 露天轉(zhuǎn)地下共同使用井下破碎站和提升系統(tǒng)，減少 了基建投資和露天剝離量； 深部露天礦石通過(guò)溜井下放到地下開(kāi)采的運(yùn)輸系 統(tǒng)中， 采用豎井提升方式比地面汽車運(yùn)輸節(jié)約成本；從地面有斜坡道直通井
【2】 下各個(gè)工作面，有利于提高采場(chǎng)的機(jī)械化程度和設(shè)備的效率。

1.3 大冶鐵礦東露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采
大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區(qū)，西距武漢市區(qū) 90 公里，東距黃石 市區(qū) 25 公里，南距大冶市區(qū) 15 公里，年產(chǎn)礦石 250 萬(wàn)噸左右，是武漢鋼鐵 公司主要的鐵礦石生產(chǎn)基地。 大冶鐵礦的開(kāi)采可追述到三國(guó)時(shí)期（公元 226 年） ，距今已有一千七百 多年的歷史。1890 年張之洞新辦漢陽(yáng)鐵廠，大冶鐵礦成為我國(guó)最早的鋼鐵 聯(lián)合企業(yè)——漢冶萍煤鐵廠礦有限公司的一部分， 從而開(kāi)啟了它近代開(kāi)采的 歷史。東露天采場(chǎng)于 1951 年開(kāi)始進(jìn)行地質(zhì)勘探，1954 年提交勘探報(bào)告，委 托蘇聯(lián)國(guó)立采礦企業(yè)設(shè)計(jì)院（列寧格勒）設(shè)計(jì)。1955 年 7 月，武漢鋼鐵建 設(shè)公司礦山工程公司（礦山部分）動(dòng)工基建，8 月 15 日，獅子山破土剝離，
【3】 8 月 25 日尖山破土剝離，1958 年 7 月 1 日東露天正式投產(chǎn)。

東露天采場(chǎng)是大冶鐵礦的主要采場(chǎng)，由象鼻山、獅子山、尖山三個(gè)礦體 組成。象鼻山的最高標(biāo)高為 228m，位于東露天采場(chǎng)的西部；獅子山的最高 標(biāo)高為 276m，位于東露天采場(chǎng)的中部；尖山的最高標(biāo)高為 250m，位于東露 天采場(chǎng)的東部，整個(gè)露天采場(chǎng)的封閉圈標(biāo)高為 72m。經(jīng)過(guò) 1955 年和 1981 年 2 次分期建設(shè)， 象鼻山于 1980 年 4 月閉坑， 開(kāi)采到 1 期最終境界±0 m 標(biāo)高， 隨后回填至+48 m 標(biāo)高形成轉(zhuǎn)載場(chǎng)；獅子山采場(chǎng)亦于 1988 年閉坑，采至 2 期擴(kuò)幫最終境界－48m 標(biāo)高，隨后回填至±0m 標(biāo)高作為尖山深部開(kāi)采轉(zhuǎn)載 場(chǎng)；尖山采區(qū)是 2 期擴(kuò)幫延伸開(kāi)采的主要對(duì)象，露天底由原設(shè)計(jì)的－96m 標(biāo) 高延伸至－168m 標(biāo)高，目前露天開(kāi)采已經(jīng)基本結(jié)束并轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。

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圖 1－1

東采露天坑

圖 1－2

大冶鐵礦礦體賦存狀態(tài)及礦井分布

圖 1－3

礦體賦存示意圖

經(jīng)過(guò) 40 余年的露天開(kāi)采，大冶鐵礦東露天采場(chǎng)已經(jīng)形成東西長(zhǎng)約 2400m、南北寬 1000m、深度 230～430m、最終坡角 38°～43°的大型陡深 露天坑。礦體圍巖基本為大理巖（南幫，f=6～8）和閃長(zhǎng)巖（北幫，f=10～
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14） 。采場(chǎng)整體邊坡基本穩(wěn)定。采場(chǎng)尖山北幫 F9 斷層區(qū)－84 m 以上為一較 大滑體，曾數(shù)次發(fā)生滑落，－84～－156 m 水平為潛在滑體，預(yù)計(jì)滑方量為 2～2.3×104 噸。 東采閉坑后象鼻山采區(qū)結(jié)余礦量 311.42×104 噸； 獅子山、 尖山 26～35# 勘探線、－168 m 以上最終境界外礦量 905.6×104 噸，其中獅子山 533.85
4 4 ×10 噸，尖山掛幫礦 371.79×10 噸。礦石平均品位：Tfe51.6﹪，Cu0.48

﹪。為充分利用礦石資源，彌補(bǔ)武鋼集團(tuán)礦石供應(yīng)缺口，同時(shí)解決礦山的持 續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展問(wèn)題，大冶鐵礦東采場(chǎng)已于 2003 年轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。經(jīng)長(zhǎng)沙冶 金設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，地下開(kāi)采對(duì)象為獅子山和尖山 I、II 號(hào)礦體，總礦量 787.22×104 噸。象鼻山－5m 水平以下礦體也擬用地下采礦方法回收。地下 采礦方法為無(wú)底柱分段崩落法，設(shè)計(jì)能力為 30×104 噸∕年，服務(wù)期限為 27 年。目前－24m、－60m 的平巷已經(jīng)完成，預(yù)計(jì)十月－24m 首采地段開(kāi)始放炮 開(kāi)采。 為實(shí)現(xiàn)露天向地下的順利過(guò)渡， 同時(shí)考慮地下采礦方法回收邊坡掛幫礦 存在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的不足，象鼻山、獅子山和尖山的部分掛幫礦擬用露天 強(qiáng)采回收。強(qiáng)采對(duì)象為象鼻山 19 #～24#勘探線－5 m 水平以上的掛幫礦， 尖山 F13 斷層附近尖 II# 礦體－144～－60 m 之間的掛幫礦，以及尖 I# 礦 體南幫 0～－156 m 的掛幫礦和北幫尖 A1 滑體下的掛幫礦， 預(yù)期服務(wù)年限 3～
【4】 4 年。

1.4 項(xiàng)目研究的目的和意義
國(guó)外露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山的數(shù)量大約每 20 年翻一番。由于美國(guó)、加拿 大、澳大利亞等礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的資源條件好，轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采的礦山少，研究 工作主要限于露天礦何時(shí)轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采的問(wèn)題； 資源條件差的國(guó)家則由于財(cái) 力和技術(shù)力量有限，研究也不多；過(guò)去研究較多的俄羅斯與烏克蘭，由于近 來(lái)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)軌，礦業(yè)十分艱難，研究工作早已停頓。我國(guó)大中型露天礦多建于 50～60 年代，多數(shù)已進(jìn)入深凹開(kāi)采，面臨露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的問(wèn)題。由于對(duì) 露天轉(zhuǎn)地下的巖體力學(xué)問(wèn)題注意不夠， 常發(fā)生像白銀有色金屬公司露天轉(zhuǎn)地 下開(kāi)采的地壓危害， 亟待用礦山巖體力學(xué)的基本原理去研究關(guān)鍵的圍巖與邊
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坡巖體穩(wěn)定性問(wèn)題， 以及露天與地下開(kāi)采工藝的相互影響、產(chǎn)量的平穩(wěn)過(guò)渡 與采場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化等問(wèn)題。 本課題研究的目的是解決大冶鐵礦東露天高陡邊坡轉(zhuǎn)地下開(kāi)采中的關(guān) 鍵技術(shù)問(wèn)題。大冶鐵礦東露天經(jīng)過(guò) 100 多年的開(kāi)采，已形成 430 多米高、45 °陡的高陡邊坡，需立即轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。由于其邊坡特別高陡，地質(zhì)條件復(fù) 雜，轉(zhuǎn)地下開(kāi)采技術(shù)難度高，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成功的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，為了避免施工 過(guò)程中發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害與工程災(zāi)害，減少露天與地下開(kāi)采的相互影響，特 開(kāi)展此項(xiàng)研究工作，研究圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、載荷條件、圍巖應(yīng)力場(chǎng)與破 損規(guī)律，保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行，從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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第2章 2.1 地應(yīng)力概述

礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量

地應(yīng)力指存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力， 主要由自重和地質(zhì) 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的。巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地下工程、壩基基礎(chǔ)、礦山工程、 水利工程等設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性起著極其重要的作用。 產(chǎn)生地應(yīng)力的原因十分復(fù)雜，至今尚不十分清楚。30 多年來(lái)的實(shí)測(cè)和 理論分析表明，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)， 其中包 括：板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地殼非 均勻擴(kuò)容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學(xué)變化等 也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。 其中， 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)為現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的 主要組成部分。 地應(yīng)力的概念最早是瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（1912 年）提出來(lái)的。他認(rèn)為， 巖體中有應(yīng)力蓄存，并處于近似靜水壓力狀態(tài)； 應(yīng)力的大小等于其上覆巖體 的自重，即巖體中各個(gè)方向的應(yīng)力均等于 γ ? H （ γ 為上覆巖層容重， H 為 深度） 。這就是著名的海姆假說(shuō)。此后，蘇聯(lián)學(xué)者金尼克（1926 年）又根據(jù) 彈性理論分析，假定巖體是均勻、連續(xù)的彈性介質(zhì)，提出巖體的鉛垂應(yīng)力為

γ ? H ，而水平應(yīng)力等于 [? / (1 ? ? )] ? γ ? H 的假說(shuō)（ ? 為巖石的泊松比） 。按此
理論，海姆假說(shuō)只是金尼克假說(shuō)在 ? ＝0.5 時(shí)的一個(gè)特例。同期其他一些人 也在關(guān)心如何用數(shù)學(xué)公式來(lái)定量計(jì)算地應(yīng)力的大小， 并且也都認(rèn)為地應(yīng)力只 與重力有關(guān)，他們不同點(diǎn)只是在于側(cè)壓系數(shù)的選取上。 可是許多地質(zhì)現(xiàn)象說(shuō) 明地殼中存在水平應(yīng)力，如斷裂、褶皺等。早在上世紀(jì) 20 年代，我國(guó)地質(zhì) 學(xué)家李四光就指出： “在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅僅影響地殼上層一定厚度的情況 下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量。 ” 然而，越來(lái)越多的地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料充分說(shuō)明： 在淺層的地應(yīng)力絕大 多數(shù)并不符合海姆和金尼克的假說(shuō)。最早是瑞典哈斯特（1958 年）研制了 壓磁式應(yīng)力計(jì)，于 1952～1953 年在斯堪的納維亞半島的 4 個(gè)礦區(qū)，利用鉆 孔測(cè)量了淺層的地應(yīng)力。值得注意的是， 實(shí)測(cè)的水平應(yīng)力普遍比鉛垂應(yīng)力高
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得多，他認(rèn)為這可能與地層的褶皺構(gòu)造產(chǎn)生的橫向壓力有關(guān)。自此，許多國(guó) 家也相繼發(fā)展了各種在鉆孔中測(cè)地應(yīng)力的方法，都得出大體相同的結(jié)果。例 如，英國(guó) New South Wales 海岸陡壁的煤礦，巖體的水平應(yīng)力分量大于鉛垂 應(yīng)力分量；葡萄牙 Picote 電站，巖體的鉛垂應(yīng)力分量比其上覆巖體的自重 高得多。1978 年霍克和布朗研究了許多地方的實(shí)測(cè)資料得出結(jié)論：巖體的 應(yīng)力狀態(tài)就一般而言， 其鉛垂應(yīng)力分量是由上覆巖體的自重產(chǎn)生的，而水平 應(yīng)力分量則界于同一深度的鉛垂應(yīng)力分量的一半左右到三倍多。 然而深部巖 體（例如距地表千米以上）的應(yīng)力狀態(tài)卻接近海姆假說(shuō)。各國(guó)日益重視地應(yīng) 力的實(shí)地測(cè)量， 發(fā)展地應(yīng)力測(cè)量的儀器和設(shè)備。地應(yīng)力測(cè)量經(jīng)歷了由巖體表 面應(yīng)力測(cè)量，到鉆孔巖體應(yīng)力測(cè)量。鉆孔應(yīng)力測(cè)量最深測(cè)量深度為：套孔應(yīng) 力解除測(cè)量法，國(guó)外 510m（瑞典） ，國(guó)內(nèi) 307m（廣州抽水蓄能電站） ；水壓 致裂法，國(guó)外 5000m（美國(guó)） ，國(guó)內(nèi) 2000m（大港油田）【5】 。 我國(guó) 20 世紀(jì) 60 年代初就進(jìn)行了巖體測(cè)試的研究。60 年代中期，進(jìn)行 了應(yīng)力解除的試驗(yàn)。 進(jìn)入 70 年代，應(yīng)力測(cè)量技術(shù)得到普遍發(fā)展與廣泛應(yīng)用。 1973 年，冶金部長(zhǎng)沙礦冶研究院及地礦部地質(zhì)力學(xué)研究所等單位，研究和 完善了鉆孔孔底應(yīng)力解除技術(shù)及孔壁應(yīng)力解除技術(shù)， 成功地測(cè)量了金川礦區(qū) 三維應(yīng)力狀態(tài)。80 年代初，我國(guó)地震部門，又推廣了水壓致裂法，80 年代 中、 后期， 地震及水電部門利用孔壁應(yīng)力解除法進(jìn)行了大量地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作。
【6】

2.2 地應(yīng)力分布的一般規(guī)律
由于原巖的非均勻性，以及地質(zhì)、地形、構(gòu)造和巖石物理力學(xué)性質(zhì)等方 面的影響，使得我們?cè)诿枋鲈瓗r應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律時(shí)，遇到很大困難。 但是隨著實(shí)測(cè)資料的不斷增加，人們對(duì)原巖應(yīng)力的認(rèn)識(shí)，將會(huì)不斷深入。

2.2.1 重力應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)
（1）重力應(yīng)力場(chǎng) ①以垂直應(yīng)力為主，垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力；②應(yīng)力均為壓應(yīng)力；③應(yīng)
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力隨深度增加而增加。 通常對(duì)于一些構(gòu)造不發(fā)育的地區(qū)，第四紀(jì)沖積層或巖體裂隙較發(fā)育，巖 性較軟的塑性巖體地區(qū)，其原巖應(yīng)力基本符合重力應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)。 （2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) ①應(yīng)力有壓應(yīng)力，亦可能有拉應(yīng)力；②以水平應(yīng)力為主，一般水平應(yīng)力
【7】 比垂直應(yīng)力大；③分布很不均勻，通常地殼淺部壓應(yīng)力較大。

2.2.2 地殼淺部原巖應(yīng)力的一些規(guī)律
（1）實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力（σv）基本等于上覆巖層重力（γH） H.K.布林總結(jié)全世界有關(guān)垂直應(yīng)力σv 資料表明，在深度 25～2700m 范 圍內(nèi)σv 呈線性增長(zhǎng)，大致相當(dāng)于按平均重度γ＝27KN∕m3 計(jì)算出來(lái)的重力 γH。在這種情況下除少數(shù)（特別在地殼淺層）偏離較遠(yuǎn)外，一般分散度不 大于 5﹪。但是，從我國(guó)實(shí)測(cè)資料來(lái)看，垂直應(yīng)力σv 與上覆巖層重力γH 的 比值在 0.43～19.8 的范圍內(nèi)【8】 ，其中σv∕γH＝0.8～1.2 的僅有 5﹪；σv ∕γH＜0.8 的占 16﹪；而σv∕γH＞1.2 的占 79﹪。這些資料大都是在深 度 200m 以內(nèi)測(cè)量得到的，最深的只有 500m。 （2）水平應(yīng)力（σh）普遍大于垂直應(yīng)力（σv） 根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，σh 多數(shù)大于σv，并且最大水平應(yīng)力σh1 與 實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力σv 的比值，即測(cè)壓系數(shù)λ，一般為 0.5～5.5，大部在 0.8～ 1.2 之間。最大值有的達(dá)到了 30 或更大。 目前也常用兩個(gè)水平應(yīng)力的平均值σhav 與垂直應(yīng)力σv 的比值來(lái)表示測(cè) 壓系數(shù)，此值一般為 0.5～5.0，大多數(shù)為 0.8～1.5。我國(guó)實(shí)測(cè)資料表明， 該值在 0.8～3.0 之間，而大部分為 0.8～1.2 之間，如表 2－1～2－3。這 些資料說(shuō)明，實(shí)測(cè)得到的σv 多數(shù)為最小主應(yīng)力，少數(shù)為最大主應(yīng)力或中間 主應(yīng)力。此外，由于測(cè)向侵蝕的卸載作用，在孤山體部分，以及河谷坡附近 處，σv 常為最大主應(yīng)力。

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表 2－1 國(guó)家名稱 中 國(guó) 澳大利亞 加拿大 美 國(guó) 挪 威 瑞 典 南 非 前蘇聯(lián) 其他地區(qū)

σhav∕σv（σh∕σv）的統(tǒng)計(jì)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 我國(guó)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力實(shí)測(cè)資料 水平應(yīng)力 垂直應(yīng)力 σh 深度 巖 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
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表 2－2 測(cè)量地點(diǎn) 511 工程 2 號(hào)地 下廠房 映秀灣地下廠 房 西藏羊卓擁湖 電站廠房 二灘電站廠房 515 工程 三峽壩區(qū) 三峽壩區(qū) 太平壩二號(hào)洞 白山工程 以禮河三級(jí)電 站 以禮河三級(jí)電 站 以禮河三級(jí)電 站

原狀厚層砂巖 花崗巖及花崗閃長(zhǎng)巖 泥質(zhì)頁(yè)巖和砂巖 花崗巖 花崗巖 薄層中厚層微結(jié)晶泥質(zhì) 條帶 龍洞灰?guī)r 黃陵花崗巖——閃長(zhǎng)巖 混合巖 破碎玄武巖 火山角礫巖 玄武巖

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

以禮河三級(jí)電 站 西耳河一級(jí)電 站 云南第四電廠

火山角礫巖 眼球狀片麻巖及石英云 母片巖夾黑云母眼球片 麻巖 石灰?guī)r

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 編 號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 日期 1965 1964 1964 1964 1965 1965 1965 1964 地點(diǎn)

湖北 大冶

9

1964

10

1965

湖北 大冶 光山 湖北 大冶 獅子 山 湖北 大冶 秀山

大冶水平主應(yīng)力實(shí)測(cè)資料（平面壓磁法） 測(cè)點(diǎn)深度 水平主應(yīng)力 最大 最小 資料來(lái)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 國(guó)家地震局 地殼應(yīng)力研 2.7 2 1.2 究所(謝富 仁) 2.6 301 1.1

6.7

289

3.5

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所網(wǎng)站

2.2.3 平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值與深度關(guān)系
σhav∕σv 的比值λ也是表征地區(qū)應(yīng)力特征的指標(biāo)。該值是隨著深度增 加而減少的，但在不同地區(qū)，也有差異。有人用下列公式表示該值的變化范
２１

圍：

100 1500 + 0.3 ≤ λ ≤ + 0.5 H H

（2－1）

當(dāng) H＝500m 時(shí)，λ＝0.5～3.5；當(dāng) H＝2000m 時(shí)，λ＝0.35～1.25； 從已有的資料來(lái)看也是這樣，在深度不大的情況下，λ值很分散，并且 數(shù)值較大； 隨著深度的增加， λ值的分散度變小， 并且趨于 1.0 的附近集中， 這就是相應(yīng)于海姆靜水壓力狀態(tài)。

2.2.4 兩個(gè)水平應(yīng)力的關(guān)系
一般不論是在一個(gè)大的區(qū)域還是一個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)，σhx 和σhy 的大小和 方向都具有一定變化。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﹪。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)與歐洲的比 較列于表 2－4。 表 2－4 實(shí)測(cè)地點(diǎn) 斯堪地那維亞等地 北 美 中 國(guó) 中國(guó)華北地區(qū) 統(tǒng)計(jì) 數(shù)目 51 222 25 18 兩水平應(yīng)力分量之間關(guān)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 計(jì) 100 100 100 100

兩個(gè)水平應(yīng)力也有顯示σhy＝σhx 的情況，這主要在構(gòu)造簡(jiǎn)單、層理平 緩的地區(qū)。 但中國(guó)華北地區(qū)某一方向的水平應(yīng)力顯示較大， 其原因可能是與 強(qiáng)地震活動(dòng)影響有關(guān)。

2.3 地應(yīng)力測(cè)量原理和方法
測(cè)量原始地應(yīng)力就是確定存在于擬開(kāi)挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動(dòng) 的三維應(yīng)力狀態(tài)，這種測(cè)量通常是通過(guò)一點(diǎn)一點(diǎn)的測(cè)量來(lái)完成的。 巖體中一
２２

點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)系中的六個(gè)分量（σx，σy，σz，τxy，τyz， τxz）來(lái)表示，由這六個(gè)應(yīng)力分量可求得該點(diǎn)的三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向。 在進(jìn)行充足數(shù)量點(diǎn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)、灰色建模、人 工智能等方法，可以描繪出該區(qū)域的全部地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。 近四十年來(lái)， 隨著地應(yīng)力測(cè)量工作的不斷開(kāi)展，各種測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x 器也不斷發(fā)展起來(lái)， 目前各種主要測(cè)量方法有數(shù)十種之多，而測(cè)量?jī)x器則有 數(shù)百種之多。 根據(jù)測(cè)量原理的不同，可將測(cè)量方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè) 量法兩大類。 直接測(cè)量法是由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，并由這 些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值；間接測(cè)量法是 借助某些傳感元件或某些介質(zhì)， 測(cè)量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物 理量的變化，通過(guò)已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。 直接測(cè)量法主要有：扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲 發(fā)射法，其中水壓致裂法在目前的應(yīng)用最廣泛，聲發(fā)射次之。間接測(cè)量法較 常用的有套孔應(yīng)力解除法和其他的應(yīng)力或應(yīng)變解除方法， 以及地球物理方法 等， 其中套孔應(yīng)力解除法是目前國(guó)內(nèi)外最普遍采用的發(fā)展較為成熟的一種地 應(yīng)力測(cè)量方法。 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所、 中科院武漢巖土力學(xué)研究所等單位采 用平面壓磁法、三維壓磁法、平面應(yīng)變片法、三維應(yīng)變片法、三孔交匯法、 空芯包體法、平面水壓致裂法、三維水壓致裂法、油井壓裂法、鉆孔崩落法 等進(jìn)行了大量的量測(cè)工作。

2.4 大冶鐵礦地應(yīng)力測(cè)量
長(zhǎng)沙礦冶研究院于 1992 年對(duì)大冶鐵礦尖山、獅子山礦體巖體進(jìn)行了巖
【9】 體應(yīng)力測(cè)量。

2.4.1 測(cè)點(diǎn)布置
測(cè)點(diǎn)選擇的原則之一是要盡量避開(kāi)開(kāi)采區(qū)的影響。此外，測(cè)量點(diǎn)要選擇 在節(jié)理裂隙少的較完整的巖體內(nèi)。另外，測(cè)量點(diǎn)要選擇在水、電較方便不影
２３

響生產(chǎn)的地點(diǎn)。 根據(jù)這些原則， 測(cè)點(diǎn)被布置在－53m 水平西平巷處 （圖 2－1） ， －53m 水平集水倉(cāng)處（圖 2－2） ，－180m 水平集水倉(cāng)處（圖 2―3） 。其中－ 53m 水平集水倉(cāng)和－180m 水平集水倉(cāng)二處測(cè)點(diǎn)為大理巖，－53m 水平西平巷 處測(cè)點(diǎn)為閃長(zhǎng)巖。

圖 2－1

－53m 西平巷處測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖 2－2

－53m 集水倉(cāng)處測(cè)點(diǎn)布置示意圖

２４



  本文關(guān)鍵詞：露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采對(duì)礦巖穩(wěn)定性影響的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。