一種可視化地應力測試配套裝置的研制及應用

高 杰， 袁子晨， 徐愛民

（中國礦業大學a.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室；b.礦業工程學院；c.安全工程學院，江蘇徐州 221116）

0 引 言

地應力是巖體中存在的天然應力，是決定地下工程開挖、設計、穩定性分析的最重要因素之一［1-2］。大量的礦山生產實踐證明，生產過程中遇到的諸如巷道圍巖失穩破壞、沖擊地壓危險預測及防治、上覆巖層變形破壞等重大技術研究問題都與地應力有關。因此，地應力及圍巖力學參數等基礎技術數據對礦山安全生產十分重要［3］。當前地應力的測量方法有多種，如應力恢復法［4］、水壓致裂法［5-8］、地球物理法［9-10］、應力解除法［11-12］等。空芯包體應力解除法是目前應用最廣泛的方法之一，作為一種比較常規的應力解除方法，其需要先在巷道幫部近水平施工大直徑鉆孔，然后在大直徑鉆孔內施工同心小孔，在小孔中粘貼配套的空芯包體應力計，待應力計粘貼完成并凝固后，再進行應力解除工作。但是在復雜的地質條件下，隨著測試的深度不斷加大，測試鉆孔會出現鉆孔彎曲變形、孔壁掉渣等意外情況，并且鉆孔內及鉆孔底部情況不明，容易導致空芯包體應力計定位困難、碰損甚至安裝失敗，造成資源浪費和效率低下。

本文在原有地應力測試裝置的基礎上引入鉆孔窺視儀，研制出一種可視化安裝空芯包體應力計的地應力測試配套裝置［13-15］。該裝置由φ133 mm 大鉆頭、φ36 mm小鉆頭、鉆桿轉接頭、取芯套筒、輸送桿、鉆孔窺視儀、限位輪等構成，且在山東某煤礦三北采區地應力實測中取得了良好效果。

1 礦區概況

該煤礦位于微山湖東側，礦區面積為30.45 km2，可采煤儲量為3 392.2 萬t，核定年產60 萬t，目前主采3 下煤層，共劃分為4 個采區（31、32、33 和三北采區）。其中三北采區地層走向北東，傾向東，地層傾角平緩，一般3° ～10°，煤層賦存標高－ 630 ～－ 500 m，是本次地應力的測定區域。根據《三北采區三維地震勘探報告》和井下巷探實際揭露情況，未見巖漿巖侵入體，沖刷帶主要位于采區外西北部和東南部塊段。采區及周邊斷裂構造較為發育，采區范圍內共發育斷層21 條，沒有褶曲發育，但在采區南部采區邊界附近有一處向斜發育。

2 地應力測試

鉆孔應力解除法測定是在選取的測點處先在巷道幫部近水平施工出1 個φ133 mm的大鉆孔，后在大直徑鉆孔內鉆取φ36 mm 的同心小鉆孔，在小孔中粘貼配套的空芯包體應力計（見圖1）。待應力計粘結完成并凝固后進行應力解除工作，在解除過程中利用礦山壓力監測系統分站記錄應變情況。在實驗室對解除后的巖芯進行巖石力學性質測試及率定試驗，最后通過計算得出地應力分布規律。

圖1 空芯包體結構圖

2.1 測點選取

測點選取應符合以下要求：①盡量布置在完整的圍巖體內；②保證測點位于原巖應力區；③避開地質構造帶；④盡量不影響其他工作的正常進行等。根據地應力測試測點選取要求，結合該礦采區布置，共選擇兩個測點，第1 個測點選于三北輔助軌道巷內，在此測點鉆取1 或2 個測試孔；第2 個測點選于探煤巷道2，在此測點鉆取1 或2 個測試孔。測試選點標注見圖2。

圖2 地應力測試選點標注圖

2.2 地應力測定

（1）鉆孔。先用鉆桿轉接頭接上φ133 mm 平鉆頭鉆取一稍向上傾斜的近水平鉆孔，當鉆孔至預定深度，將平鉆頭換為φ133 mm取芯套筒和配套取芯鉆頭鉆取巖樣，通過巖樣連續性判斷達到原巖應力區時，將孔底磨成內圓錐形；然后更換長為370 mm、φ36 mm的小鉆頭鉆取長度35 ～40 cm小孔；小孔形成后，進行沖洗、擦干備用。鉆孔施工完成后如圖3 所示。

圖3 鉆孔剖面圖

（2）安裝。再次對小孔進行清洗干燥，取配制好的環氧膠倒入應力計的空腔，將空芯包體應力計固定在安裝了鉆孔窺視儀的輸送桿體上，用棉簽棒固定好柱塞進行包體安裝工作。

需要注意的是，利用窺視儀連接桿及定向器將空芯包體應力計遞送至孔底并安裝，安裝過程中連接桿只能向前推送，不能后拉（防止空芯包體脫落），遞送過程中不得旋轉鉆桿，當空芯包體前端到達大孔底部即將進入小孔時，須通過鉆孔窺視儀觀看小孔方位，通過順時針緩慢旋轉輸送桿確保對位準確后，慢慢將空芯包體計左右旋轉進入小孔。安裝情況如圖4 所示。

圖4 空芯包體應力計安裝示意圖

（3）測量。空芯包體應力計安裝15 h 后，環氧膠粘結密實，此時用鉆孔窺視儀測量空芯包體應力計中A應變花的角度并讓礦上地測人員測量鉆孔方位角，用鉆孔窺視儀觀測輸送桿與固定銷的連接情況，緩慢向外拉出輸送桿，拉出過程中不得旋轉以免損壞黏結好的空芯包體應力計。

（4）解除。連接桿取出后即可進行解除工作，接好φ133 mm取芯套筒及配套鉆頭，拉緊電纜線，啟動鉆機，將取芯套筒遞送至大孔孔底，開始注水鉆進，這時應變儀讀數會有所輕微變化，待讀數穩定后（約15 min），再開始進尺讀數。若為自動讀數，可選取讀數時間間隔為10 s。待讀數不隨進尺變化時（解除深度為500 mm左右），停止套芯，取出包裹空芯包體應力計的巖芯帶回實驗室實驗。應力解除示意圖如圖5所示。

圖5 應力解除示意圖

3 地應力測試結果與分析

3.1 巖石力學性質及圍巖率定試驗

（1）對取回的鉆孔巖心或靠近取芯地點的巖芯進行巖石力學性質測試。計算巖芯的彈性模量E 和泊松比ν。1 ～3 號孔單軸抗壓變形試驗結果見表1。

表1 單軸抗壓變形試驗結果

（2）對包裹著空芯包體應力計的巖芯進行率定實驗。率定實驗步驟為：將帶巖芯的空心包體放入率定儀的套筒中；連接空心包體與應變采集儀；對液壓油泵進行加壓至1 MPa后，待應變儀讀數穩定后，記錄應變儀上數據；再加壓至3 ～5 MPa 后，將應變儀上數據導出，繪出應力-應變曲線和軸向應變-周向應變曲線，求出巖芯和空芯包體的總體彈性模量和泊松比。因取樣時2 號孔、3 號孔巖芯相對完整，故僅對2 號、3 號取出的巖芯進行率定試驗。2 號、3 號孔測試圍巖率定試驗結果見表2。

表2 圍巖率定試驗結果

因率定試驗結果與單軸抗壓變形試驗結果相差小于10%，故可將巖石單軸抗壓試驗測得的E 和ν作為地應力測試試驗原始數據用以計算。

3.2 測試采區的地應力分布規律

通過鉆孔時記錄的鉆孔方位和傾角以及空芯包體應力計方位參數（見表3），結合在現場地應力測試時所取得的應變儀數據，可導出鉆孔的應變-解除進尺的曲線，再通過圍壓率定試驗求得的E和ν，最后利用地應力數據處理dos 軟件系統，即可算得測定區域三北采區1 ～3 號鉆孔的地應力測試結果。

表3 鉆孔及空芯包體應力計方位參數

（1）1 號孔地應力測試結果。1 號測孔解除深度42 cm，所取巖芯通過實驗室試驗得出其彈性模量E和泊松比ν分別為4.12 GPa 和0.27。結合巖芯解除過程中的數據，根據KJ327-F 礦山壓力監測系統分站所得到的12 個通道的應變值，繪制出鉆孔應變-解除進尺曲線圖，如圖6 所示。

圖6 1號孔鉆孔應變-解除進尺曲線圖

將1 號鉆孔數據、所取得的空芯包體與巖芯的整體性質數據、應變值數據輸入到已經編好的地應力數據處理系統中。最后可以得到1 號鉆孔處所測得的地應力大小和方向數據，如表4 所示。根據1 號測孔實測的主應力分布繪制網絡圖，如圖7 所示。

表4 1 號測孔主應力大小和方向

圖7 1號孔實測的主應力分布網絡圖

（2）2 號孔地應力測試結果。2 號測孔解除深度33 cm，所取巖芯通過實驗室試驗得出E 和ν 分別為3.7 GPa 和0.24。結合巖芯解除過程中的數據，根據KJ327-F礦山壓力監測系統分站所得到的12 個通道的應變值繪制鉆孔應變-解除進尺曲線圖，如圖8 所示。將2 號孔鉆孔數據、所取得的包體與巖芯的整體性質數據、應變值數據輸入到已經編好的地應力數據處理系統中。最后可以得到2 號孔鉆孔處所測得的地應力大小和方向數據如表5 所示。根據2 號測孔實測的主應力分布繪制網絡圖如圖9 所示。

圖8 2號孔鉆孔應變-解除進尺曲線圖

表5 2 號測孔主應力大小和方向

圖9 2號孔實測的主應力分布網絡圖

（3）3 號孔地應力測試結果。3 號測孔解除深度55 cm，所取巖芯通過實驗室試驗得出E 和ν 分別為5.2 GPa 和0.28。結合巖芯解除過程中的數據，根據KJ327-F礦山壓力監測系統分站所得到的12 個通道的應變值繪制鉆孔應變-解除進尺曲線圖，如圖10 所示。將3 號孔鉆孔數據、所取得的包體與巖芯的整體性質數據、應變值數據輸入到已經編好的地應力數據處理系統中。最后可以得到3 號孔鉆孔處所測得的地應力大小和方向數據如表6 所示。根據3 號測孔實測的主應力分布繪制網絡圖如圖11 所示。

圖10 3號孔鉆孔應變-解除進尺曲線圖

圖11 3號孔實測的主應力分布網絡圖

表6 3 號測孔主應力大小和方向

4 結 論

（1）通過在采區所測軌道巷進行應力解除，并對解除巖體進行率定試驗，得出測試孔巖體的彈性模量均值為4.5 MPa，泊松比均值為0.26，所測采區最大主應力為垂直應力，應力均值為13.83 MPa，方向角為N32.65°E ～N42.54° E，最大水平應力均值為11.43 MPa，方向角為N127.73°E ～N141.64°E，最小水平主應力均值為5.77 MPa，方向角N218.07° E ～N231.90°E。

（2）所測采區最大主應力為垂直應力，中間主應力和最小主應力均為水平應力，采區側壓系數均值為0.83，最大垂直應力與最大水平應力值相差不大，這與該采區屬于中等埋深有關，采區內最大水平應力與最小水平應力的比值為1.98，其造成巖體內剪應力較大，超過巖體的抗剪強度時，巖體將發生斷裂，不利于巷道圍巖控制。

（3）該采區軌道巷3 個測試孔巖體的彈性模量均值為5.01 MPa，泊松比為0.28，內摩擦角為29.97°，內聚為4.42 MPa。

結論是根據所選3 個測點進行的，若測點不同，測試方法不同，則結論會稍有差異。應用自行研制的鉆孔窺視儀及其輔助設備，配套空芯包體應力計來測量煤礦地應力時，由于設備的改進和鉆孔窺視儀的加入，使安裝過程可視化，提高了安裝效率及成功率。