杜家村礦地應力測試試驗

朱衍利 薛華俊 李 曉

(中國礦業(yè)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(nèi)部未受擾動的天然應力，主要受重力作用和構(gòu)造運動影響，其中水平構(gòu)造運動對地應力的影響最大。地球無數(shù)次不同程度的構(gòu)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(qū)域的地應力不可能通過數(shù)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(guī)律、圍巖穩(wěn)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(tài)[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(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)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(fā)育有兩條斷裂構(gòu)造，斷裂帶附近可見近直立地層。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)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(nèi)見O2灰?guī)r與P1x黃綠色中粒砂巖，灰黃色砂質(zhì)泥巖接觸。杜家村北溝內(nèi)見Pls2灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖與P2s2紫紅色砂質(zhì)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(cè)，根據(jù)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(qū)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(nèi)某一點的三維應力狀態(tài)。巖體中一點的三維應力狀態(tài)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(tài)，在兩種平衡狀態(tài)之間，通過傳感器將巖體應變和位移的變化數(shù)據(jù)記錄下來，獲得測量數(shù)據(jù)。根據(jù)巖石的應力—應變本構(gòu)關(guān)系，建立相應的力學計算模型，再根據(jù)觀測到的應變或位移數(shù)據(jù)，就能計算出測點地應力的六個分量或三個主應力的狀態(tài)(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(tài)的套孔應力解除法，通過對比發(fā)現(xiàn)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(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合對杜家村礦的地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律和區(qū)域構(gòu)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(jié)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(jié)果造成的影響，在應力計的頂部加設(shè)了一個補償應變片。應變儀為KBJ型智能數(shù)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(zhì)科學院地質(zhì)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(huán)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(xiàn)場設(shè)計的鉆孔應力解除技術(shù)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(shè)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(xù)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(jié)牢固。

5)安全包體:將裝有粘結(jié)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(shù)據(jù)。

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(gòu)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(guī)律。

同時，本區(qū)位于中國北部巨型的祁呂賀蘭山字形構(gòu)造系東翼中段的內(nèi)側(cè)，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(qū))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(gòu)造形態(tài)。構(gòu)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(gòu)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(gòu)造為主，褶曲為輔。井田內(nèi)發(fā)育有兩條斷裂構(gòu)造，受斷層影響，最大主應力方向與斷層夾角小于45°，符合規(guī)律。

4 結(jié)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(gòu)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(zhì)條件相吻合。

[1] 張樂文，張德永，邱道宏.徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地應力場反演中的應用[J].巖土力學，2012，33(3):799-804.

[2] 付成華，汪衛(wèi)明，陳勝宏.溪洛渡水電站壩區(qū)初始地應力場反演分析研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25(11):2305-2312.

[3] 陳 通.應用地應力測量進行沿空掘巷錨桿支護設(shè)計[J].錨桿支護，1998(3):5-8.

[4] 孔凡平.深井高應力軟巖巷道破壞機理及其防治[J].錨桿支護，2012(2):24-27.

[5] 常 嘉，周業(yè)萍.復雜地質(zhì)條件下隧道圍巖分級BQ修正法的應用[J].山西建筑，2012，38(8):186-187.