兩種地應力測量方法及其結果對比和分析

王再舉 鄧 昕

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001)

1 工程概況

朱集煤礦位于安徽省淮南市潘集區賀疃鄉境內，井田中心距淮南市洞山38 km。周圍是地勢平坦的田地，無障礙物，主井、副井、風井和矸石井均在同一工業區內，區內可采煤層12層，主要煤種為氣煤和1/3焦煤，是化工、動力和煉焦用煤。

2 測點布置

地應力測量是一項認真、細致的工作，任何工作環節的失誤都會給測量結果帶來誤差，其中地應力的測點布置非常的重要，測點的布置應遵守下列原則：

1)一般要遠離斷層，避開巖石破碎帶、斷裂發育帶，盡可能布置在連續的巖體中;

2)地質具有代表性的區域;

3)避開巷道和采場的彎、拐、叉、頂部等應力集中區［1］。

依據以上布置原則，為了掌握朱集礦區的地應力分布情況，把地應力測試點選擇在朱集西礦-962 m東翼回風大巷3號中進行，用應力解除法測量了兩個測試點，并且測試點1和2的位置是對稱的，選用的鉆孔方位角為187°，傾角為3.9°，鉆孔深度為8.6 m。而對于平行鉆孔——套筒致裂法選用了4個測試位置(見圖1)，分別是測點A，B，C和D。每個測試位置布置3個鉆孔，鉆孔直徑為30 mm，孔深2.5 m，傾角為9°，鉆孔Ⅰ、鉆孔Ⅱ和鉆孔Ⅲ的距離為2 m，鉆孔Ⅱ和鉆孔Ⅲ中心連線為60 mm且與水平方向的夾角為45°，測量位置對稱布置，把鉆孔Ⅰ作為單孔的套筒致裂試驗測試鉆孔使用，而鉆孔Ⅱ和Ⅲ作為一對控制致裂試驗測試鉆孔使用。

圖1 測點的布置

3 兩種測試方法所用儀器的主要部分介紹

應力解除法采用的是KX-81型空心包體三軸應變計，應變計中主要的組成部分是12個電阻應變片并且平均分成了三組(每組有4個應變片)，相隔120°沿著筒內圓周進行粘貼，應變花位置圖和結構圖如圖2，圖3所示。而對于平行鉆孔——套筒致裂測試系統是由手動油泵、高壓油管、數字壓力表和套筒應力計組成的。

圖2 應變花位置圖（A，B，C為三組應變片）

圖3 KX-81型空心包體三軸應力計結構示意圖

4 測試步驟

4.1 套孔應力解除法測試步驟

1)采用PS2-XY150型工程地質鉆打鉆，鉆孔直徑為130 mm，方位角為187°，其傾角為3.9°，深度為8.6 m;

2)在空心包體應力計圓筒內裝滿粘結劑，然后將柱塞插入內腔并用牙簽將其固定，推動安裝桿使牙簽剪斷并且使粘結劑流入應力計與測量孔孔壁之間的間隙里，粘結劑經12 h固化后，記下應力計的偏角;

3)將電纜線分別對應接在應力儀相應的接線位置上，調試各測點，使其為零;

4)在施工的過程中，每鉆2 cm測試一次應變，直到應力解除，停止測試;

5)取出巖芯。本次測量2個測試點并且均獲得了比較完整的數據。

4.2 套筒致裂法測試步驟

1)用鉆機按照要求鉆3個測試鉆孔，將安裝好的應力計放入鉆孔Ⅰ，達到要求的測試深度;

2)手動油泵給套筒應力計加壓，并記下當巖體出現響聲而破裂時油壓表的讀數，即為最終的破壞壓力值;

3)觀察取出的應力計上印有的裂紋方向，以便確定主應力的方向;

4)再增加一路油管，然后裝上套筒應力計，并將兩個套筒應力計按要求的測試深度同時放入鉆孔Ⅱ和Ⅲ中，重復2)的工作，記錄最終的破壞壓力值;

5)將前后兩次測得的破裂壓力值和巖石試件的抗拉強度T分別代入公式求解，從而得到最大主應力和最小主應力。

5 兩種方法的測試結果

5.1 應力解除法測試結果

用數據線把應力儀和計算機連接，根據數據用Excel表格繪制應力解除曲線，也就是各應變片隨套孔解除深度曲線，由于測試方法相同，我們只對測試點1做應力解除分析(見圖4)。

圖4 測試點1應力解除曲線

根據巖芯的率定實驗，利用巖石的彈性模量E和泊松比U修正后的計算公式，計算公式如下：

其中，εθ，εz分別為周向應變值和軸向應變值;R，r分別為空心包體的外徑和內徑。K1值的求法可詳見參考文獻［4］，得到的彈性模量和泊松比的值參見表1。

表1 鉆孔巖芯的彈性模量E和泊松比U

根據最終應變值以及巖石的彈性模量和泊松比，運用空心包體求解程序，便可求出各個測點的應力分量大小，見表2。

表2 地應力的大小、方向和傾角

5.2 套筒致裂法測量結果

把破裂壓力值代入單孔套筒致裂結果公式(1)和平行鉆孔套筒致裂結果公式(2)中，計算得出最大主應力和最小主應力值見表3，其中，fx，fy和fb為應力集中常數，計算公式分別見式(3)，式(4)和式(5)。

式中：a——鉆孔半徑;

L——鉆孔間距;

T——抗拉強度是通過現場巖石取樣并且由套筒致裂法測得的。

表3 套筒致裂法主應力計算結果

套筒致裂法測量結果見表4。

表4 套筒致裂法測量結果

6 測試結果分析

通過用套孔應力解除法實測值研究表明，該區最大主應力和最小主應力均為近水平方向，把中間主應力作為垂直應力，且最大主應力值比垂直應力值大得多，這說明了該礦區水平應力較為突出;而對于套筒致裂法測得水平方向最大主應力值在21.83 MPa～23.55 MPa之間;最小主應力值在 15.33 MPa～18.42 MPa之間，測壓系數大于1，這也表明了該區域地應力以水平應力為主導。

7 結語

用兩種不同的測試方法對朱集西礦地應力進行了分析，其測試結果都表明了該區域地應力以水平應力為主導的。

通過對兩種方法的對比可知，套孔應力解除法是一種比較經濟準確的地應力測量方法，該方法充分利用了地下空間，便于操作和施工。而對于套筒致裂測試地應力屬于直接應力測試方法，是建立在彈性理論基礎上的而沒有考慮巖石材料的塑性特征的一種測試方法，計算結果偏小，并且受到鉆孔深度的限制，其測試結果為巷道圍巖應力并不能反映出該區域的地應力分布情況，還需進一步的研究。

［1］ 蔡美峰，喬 蘭，于 波，等.金川二礦區深部地應力測量及其分布規律研究［J］.巖土力學與工程學報，1999，18(4)：415.

［2］ 張永坤，程 樺，蔡海兵.潘北礦地應力測量及其結果分析［J］.中州煤炭，2012(3)：15-16.

［3］ 陸士良，王悅漢.軟巖巷道支架壁厚充填與圍巖關系的研究［J］.巖土力學與工程學報，1999，18(2)：180-182.

［4］ 侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究［J］.巖石力學與工程學報，2000，19(3)：342-344.

［5］ 程 帥，榮傳新，孫東霞，等.深部礦井地應力套筒致裂法測 試技術［J］.煤炭科學技術，2011，39(12)：51-52.