基于采场应力状态的岩体稳定性评价方法

摘要

本发明提供一种基于采场应力状态的岩体稳定性评价方法，属于岩体稳定性评价技术领域。该方法包括原岩应力场测、采动应力场监测、综合应力场计算、岩石力学性质测试和岩体相对应力状态表征等步骤，通过与实验室获得的极限应力强度作比较，计算岩体相对应力状态，从而判断岩体稳定性。该方法简单易行，能够获得岩体综合应力状态，进而评价岩体稳定性，为预测岩体动力灾害风险提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及岩体稳定性评价技术领域，特别是指一种基于采场应力状态的岩体稳定性评价方法。

背景技术

随着我国浅部矿产资源的开采殆尽，地下开采的比例越来越大。随着开采深度的增加，开采的安全性越来越差。尤其是随着重点矿区步入深部开采，以冲击地压、矿震、岩爆等为代表的矿山动力灾害频发，且发生的规模及危害程度都明显加剧。据不完全统计，从1985年至今，全国范围内受冲击地压、矿震、岩爆等动力灾害威胁的矿井数量由过去的几十个增加到现在的数百个，每年发生的破坏性冲击灾害次数由过去的十余次发展到现在的几百起。由于冲击地压等动力灾害的孕育过程具有“缓慢性”、发生的地点具有“随机性”、发生过程具有“突变性”，因此，冲击地压等灾害的发生，不仅会造成严重的人员伤亡，而且还会造成诸如支架设备的毁坏、巷道报废等财产损失，降低采掘效率，严重影响矿山企业的安全高效生产。

对冲击地压等矿山动力灾害的有效控制与安全防护问题依旧是严重制约深部资源安全开发的关键性技术瓶颈。研究表明，冲击地压等动力灾害大都是由于弹性能量的聚集和突然释放造成的。在这个过程中，地应力及其变化是最根本的动力源，既是引起深部开采过程中动力灾害以及工程变形和破坏的根本作用力，也是进行动力灾害预测预报和危险性分析的必要前提条件。

本发明提出基于采场应力状态的岩体稳定性评价方法。通过现场取样进行岩石力学性质测试、测试采场初始地应力、实时监测采动应力场等步骤，可获得岩体综合应力状态，进而评价岩体稳定性，为预测岩体动力灾害风险提供依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于采场应力状态的岩体稳定性评价方法，通过现场取样进行岩石力学性质测试、测试采场初始地应力、实时监测采动应力场等步骤，可获得岩体综合应力状态，进而评价岩体稳定性，为预测岩体动力灾害风险提供依据。

该方法具体步骤如下：

(1)原岩应力场测试：在目标区域进行地应力测量，测试位置和测点数量能够涵盖待评价采场区域，反演获得采场区域应力场S_i(σ₁，σ₂，σ₃)；

(2)采动应力场监测：利用采动应力监测装置和系统，随矿山开采实时监测采动应力，获得实时的采动应力场M_i(σ₁，σ₂，σ₃)；

(3)综合应力场计算：由原岩应力场S_i(σ₁，σ₂，σ₃)和采动应力场M_i(σ₁，σ₂，σ₃)叠加获得开采活动引起采场应力调整后的采区综合应力场C_i(σ₁，σ₂，σ₃)＝S_i+M_i；

(4)岩石力学性质测试：在目标区域对岩石取样，进行岩石力学性质三轴试验，获得岩样的内摩擦角θ、粘聚力c；

(5)岩体相对应力状态表征：综合应力场C_i(σ₁，σ₂，σ₃)表征岩石的实时应力状态，与实验室获得的极限应力强度作比较，计算岩体相对应力状态W_r，当0≤W_r＜0.4时，岩体稳定；当0.4≤W_r＜0.6时，岩体较稳定；当0.6≤W_r＜0.7时，岩体中等稳定；当0.7≤W_r＜0.8时，岩体较低稳定；当0.8≤W_r＜1.0时，岩体不稳定。

本发明方法原理为：以岩体所处应力状态为参量判断其与岩石极限应力状态相对关系，当其所处应力状态越接近极限应力状态则岩体稳定性越差。

以莫尔-库伦强度理论认为岩石是在不同的正应力和剪应力组合作用下丧失承载能力，岩石的强度值与中间主应力的大小无关。

莫尔-库伦强度理论数学表达式为公式(1)：

τ＝σtanθ+c 公式(1)

式中：τ——正应力σ作用下的极限剪应力(MPa)；

c——岩石的内聚力(MPa)；

θ——岩石的内摩擦角(°)。

根据莫尔应力圆与强度包络线的几何关系图可以得出当最小主应力σ₃确定的时候，依据几何关系可知必存在唯一的最大主应力峰值σ_f与与最小主应力σ₃所组成的极限应力圆与强度线相切。

设岩石处在某一应力状态(σ₁，σ₃)下，定义岩体相对应力状态W_r来表征应力状态与极限应力状态在莫尔应力圆与强度包络线的几何关系图的关系，见公式(3)：

公式(2)代入公式(3)得到：

r为与直线相切极限状态的莫尔应力圆半径，r₁为某一应力状态下的莫尔应力圆半径，W_r为某一应力状态下莫尔应力圆与极限状态下应力圆的半径之比。

由几何关系可知，W_r越小，莫尔圆越偏离强度线，岩石越不容易发生破坏；W_r的物理意义反应的是一种相对应力状态，即应力状态与极限应力状态的关系。W_r值越大，越接近极限状态，稳定性越差。

说明：

基于莫尔-库伦强度准则建立的参量W_r表征了某一应力状态下主应力接近极限状态的程度。

单轴压缩：当σ₃＝σ₂＝0，σ₁＞0时，岩石处在单轴压缩情况下，

σ_f为岩石的单轴抗压强度。

单轴拉伸：当σ₃＝σ₂＝0，σ₁＜0时，岩石处在单轴拉伸情况下，

σ_f为岩石的单轴抗拉强度。

三向受压：当σ₁＞σ₂＞σ₃＞0时，岩石处在三向受压情况下，0≤W_r≤1，当W_r＝0时说明岩石处在三向等力压缩情况，无论应力值有多高，其状态是稳定的；当W_r＝1时，应力状态达到极限状态，这种情况下主应力组合下最不利，岩石发生破坏；当W_r从0向1变化时，岩石从稳定状态向失稳状态过渡，这期间岩石经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段，由于岩石材料的脆性性质，当其越接近1时，同样扰动条件下，其发生破坏的可能性越大。

稳定：岩石处于受力初级阶段和变形弹性阶段前期，破坏还需要大的外力作用，安全，危险等级最低。

较稳定：岩石处于变形弹性阶段后期，破坏需要较大的外力作用，偏安全，危险等级较低。

中等稳定：岩石处于变形弹性与塑性过渡阶段，内部损伤裂纹开始产生，偏危险，危险等级中等。

较低稳定：岩石处于变形塑性发展阶段，内部裂纹发育速度加快，破坏需要较小的外力作用，偏高危险，危险等级较高。

不稳定：岩石处于变形塑性发展和临界破坏阶段，内部裂纹快速发育贯通，破坏需要较小的外力作用，危险等级最高。

岩体相对应力状态W_r能够描述岩石材料在各种应力组合状态下其接近破坏极限的程度。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明方法简单易行，能够获得岩体综合应力状态，进而评价岩体稳定性，为预测岩体动力灾害风险提供依据。

附图说明

图1为本发明的基于采场应力状态的岩体稳定性评价方法步骤流程示意图；

图2为本发明中莫尔应力圆与应力状态几何关系图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于采场应力状态的岩体稳定性评价方法。

如图1所示，该方法包括原岩应力场测、采动应力场监测、综合应力场计算、岩石力学性质测试和岩体相对应力状态表征等步骤，该方法原理为：

以岩体所处应力状态为参量判断其与岩石极限应力状态相对关系，当其所处应力状态越接近极限应力状态则岩体稳定性越差。

以莫尔-库伦强度理论认为岩石是在不同的正应力和剪应力组合作用下丧失承载能力，岩石的强度值与中间主应力的大小无关。

莫尔-库伦强度理论数学表达式为公式(1)：

τ＝σtanθ+c 公式(1)

式中：τ——正应力σ作用下的极限剪应力(MPa)；

c——岩石的内聚力(MPa)；

θ——岩石的内摩擦角(°)。

根据图2所示的莫尔应力圆与强度包络线的几何关系图可以得出当最小主应力σ₃确定的时候，依据几何关系可知必存在唯一的最大主应力峰值σ_f与与最小主应力σ₃所组成的极限应力圆与强度线相切。

设岩石处在某一应力状态(σ₁，σ₃)下，定义岩体相对应力状态W_r来表征应力状态与极限应力状态在莫尔应力圆与强度包络线的几何关系图的关系，见公式(3)：

公式(2)代入公式(3)得到：

r为与直线相切极限状态的莫尔应力圆半径，r₁为某一应力状态下的莫尔应力圆半径，W_r为某一应力状态下莫尔应力圆与极限状态下应力圆的半径之比。

由几何关系可知，W_r越小，莫尔圆越偏离强度线，岩石越不容易发生破坏；W_r的物理意义反应的是一种相对应力状态，即应力状态与极限应力状态的关系。W_r值越大，越接近极限状态，稳定性越差。

说明：

基于莫尔-库伦强度准则建立的参量W_r表征了某一应力状态下主应力接近极限状态的程度。

单轴压缩：当σ₃＝σ₂＝0，σ₁＞0时，岩石处在单轴压缩情况下，

σ_f为岩石的单轴抗压强度。

单轴拉伸：当σ₃＝σ₂＝0，σ₁＜0时，岩石处在单轴拉伸情况下，

σ_f为岩石的单轴抗拉强度。

三向受压：当σ₁＞σ₂＞σ₃＞0时，岩石处在三向受压情况下，0≤W_r≤1，当W_r＝0时说明岩石处在三向等力压缩情况，无论应力值有多高，其状态是稳定的；当W_r＝1时，应力状态达到极限状态，这种情况下主应力组合下最不利，岩石发生破坏；当W_r从0向1变化时，岩石从稳定状态向失稳状态过渡，这期间岩石经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段，由于岩石材料的脆性性质，当其越接近1时，同样扰动条件下，其发生破坏的可能性越大。

表1岩石稳定性等级划分表

在具体实施过程中展开如下：

(1)原岩应力场测试。在目标区域进行地应力测量，测试位置和测点数量能够涵盖待评价采场区域，反演获得采场区域应力场S_i(σ₁，σ₂，σ₃)。

(2)采动应力场监测。利用成熟的采动应力监测装置和系统，随矿山开采实时监测采动应力，获得实时的采动应力场M_i(σ₁，σ₂，σ₃)。

(3)综合应力场计算。由原岩应力场S_i(σ₁，σ₂，σ₃)和采动应力场M_i(σ₁，σ₂，σ₃)叠加获得开采活动引起采场应力调整后的采区综合应力场C_i(σ₁，σ₂，σ₃)＝S_i+M_i。

(4)岩石力学性质测试。在目标区域对岩石取样，进行岩石力学性质三轴试验，获得岩样的内摩擦角θ、粘聚力c。

(5)岩体相对应力状态表征。根据现场地应力测试得到的σ₃利用公式(2)求得σ_f；由公式(3)求得W_r；根据表1，由计算得到的W_σ值，判断岩体所处的稳定状态。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。