杜家村礦地應力測試試驗

朱衍利 薛華俊 李 曉

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

0 引言

地應力是存在于地殼內部未受擾動的天然應力，主要受重力作用和構造運動影響，其中水平構造運動對地應力的影響最大。地球無數次不同程度的構造運動過程中，應力場的多次疊加、牽引和改造影響，導致了地層中某一區域的地應力不可能通過數學計算或建模分析直接獲取。采礦工程中，若要研究巖體力學屬性、上覆巖層的運移破壞規律、圍巖穩定性分析與控制等，必須通過地應力測量真實的掌握地應力狀態[1-5]。因此，本文為了有利于杜家村礦巷道圍巖控制進行了地應力測試研究。

1 工程概況

杜家村井田位于寧武向斜的東翼，其基本構造形態為單斜構造，地層走向北東，傾向北西，傾角一般為30°～35°，最大45°，在井田的東南角發育有兩條斷裂構造，斷裂帶附近可見近直立地層。井田內未發現有陷落柱和巖漿巖侵入。杜家村正斷層:橫穿井田南部，跨井田東南角，斷層走向北東—南西，斷層面傾向南東，傾角73°。在上村北溝內見O2灰巖與P1x黃綠色中粒砂巖，灰黃色砂質泥巖接觸。杜家村北溝內見Pls2灰色泥巖、砂質泥巖與P2s2紫紅色砂質泥巖接觸，斷距約200 m，東西兩端延出井田。在杜家村正斷層北，木頭溝東側，根據地層出露情況，在黃土中推測有一斷距45 m的正斷層，走向北北東，傾向南東東，與杜家村正斷層在區南界外斜交。

2 測試原理

地應力測量的目的就是要確定巖體內某一點的三維應力狀態。巖體中一點的三維應力狀態可由坐標系中的六個應力分量來表示，如圖1所示，在無擾動情況下，六個應力分量相對平衡，無法測得。只有通過擾動(如打鉆孔)，使原平衡被打破，繼而會形成新的平衡狀態，在兩種平衡狀態之間，通過傳感器將巖體應變和位移的變化數據記錄下來，獲得測量數據。根據巖石的應力—應變本構關系，建立相應的力學計算模型，再根據觀測到的應變或位移數據，就能計算出測點地應力的六個分量或三個主應力的狀態(大小和方向)。

測量地應力最常用的兩種方法是二維水壓致裂法和單個孔測量一點三維應力狀態的套孔應力解除法，通過對比發現水壓致裂法雖然是一種二維地應力測量方法，但是能夠測量地殼深部的地應力，不是測量不夠精確。在對山西地區地質構造分布規律研究的基礎上，結合對杜家村礦的地質構造規律和區域構造應力場特征的認識，為了對杜家村煤礦的地應力進行精確測量，選用空芯包體套孔應力解除法進行地應力測量方法。

3 測試過程及結果分析

3.1 測試儀器

本次測試采用CSIRO型空芯包體應變計，為消除溫度變化可能對測量結果造成的影響，在應力計的頂部加設了一個補償應變片。應變儀為KBJ型智能數字應變儀(北京泰瑞金星儀器有限公司研制，測試精度達到0.1%)。定位器、測試泊松比和巖芯彈模的率定器均為中國地質科學院地質力學研究所研制，如圖2，圖3所示。

3.2 測試過程

本文采用空芯包體(類環氧樹脂三軸應變法)套孔應力解除法，主要通過打鉆孔解除原巖應力，現場設計的鉆孔應力解除技術主要有以下幾個步驟:

1)打大孔:用定向鉆機向圍巖鉆進應力解除孔，設計孔深12 m，直徑130 mm，保證鉆孔有上傾3°～5°的角度，便于降溫水的流出和清洗鉆孔。

2)做錐形孔底:為保證后面的小孔與大孔同心，在孔深達到12 m時換錐形鉆頭做錐形孔底。

3)打小孔:用特制的小鉆頭繼續向里打φ36 mm，深200 mm的小孔。

4)清潔小孔:先后用風管、蘸有酒精的濕毛巾、干毛巾清理小孔，保證包體與小孔巖壁粘結牢固。

5)安全包體:將裝有粘結劑的包體固定在定向器上，通過不斷接長推桿慢慢地將其送入小孔，送入過程中注意固定銷的剪斷。

6)拔出定向器，分級深度(3 cm)鉆進解除套芯，記錄數據。

3.3 測試分析

本文主要測試了三個鉆孔，其中Ⅰ號鉆孔，最大主應力σ1=6.64 MPa，方位角為 205°，傾角為 1°;Ⅱ號鉆孔，最大主應力 σ1=13.36 MPa，方位角為 184°，傾角為 －28°;最大主應力方向近似水平方向，其值約為豎直應力的1.04～1.38之間，礦井的地應力場是以水平構造應力為主導的;最大主應力的走向方位角在184°～205°之間，為北東—南西方向，與杜家村斷層的夾角小于45°，符合規律。

同時，本區位于中國北部巨型的祁呂賀蘭山字形構造系東翼中段的內側，山西地塊中北部，呂梁隆起北段之東翼，來自北西西(鄂爾多斯地區)方向的壓應力，在寧武煤盆地東緣形成一系列逆斷層和褶曲。在寧武煤盆地的東緣，由于受到五臺古老地塊的抵抗，也形成了逆斷層，這樣就形成了寧武煤盆地南部的構造形態。構造線總體方向為北北東—南南西向。除此之外，在煤盆地軸部，受邊緣構造影響較小，還局部保留有與山西陸臺南北向翅起同時形成的南北向褶曲的殘留部分。

杜家村煤田位于寧武煤盆地的東緣，以斷裂構造為主，褶曲為輔。井田內發育有兩條斷裂構造，受斷層影響，最大主應力方向與斷層夾角小于45°，符合規律。

4 結語

1)通過測試表明，杜家村煤礦最大主應力方向為近似水平方向，其值約為豎直應力的1.04～1.38之間，礦井的地應力場是以水平構造應力為主導的;2)該礦井田最大主應力的走向方位角在184°～205°之間，為北東—南西方向，這與杜家村礦井的地質條件相吻合。

[1] 張樂文，張德永，邱道宏.徑向基函數神經網絡在地應力場反演中的應用[J].巖土力學，2012，33(3):799-804.

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