基于空心包體應變法的某礦區軟弱巖層地應力測量

尹愛民王慶剛劉建莊楊金光耿 帥

（1.河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司；2.華北理工大學礦業工程學院）

地應力是地下采礦工程設計的基礎參數，地應力的大小和方向是地下開拓和支護方案設計的基本條件［1-2］。目前國內外常用的地應力測量方法主要包括應力解除法、水壓致裂法、應力恢復法、鉆孔崩落法、應變恢復法及震源機制分析法，其中應力解除法和水壓致裂法應用最為普遍［3-4］。在空心包體應變法的應用方面，蔡美峰等［5-7］對玲瓏金礦、大同礦區進行了地應力測量；在水壓致裂法的應用方面，康紅普等［8］在西部五省進行了地應力測量，得到了淺部煤礦井下地應力分布特征。

河北某鐵礦為大水地下礦山，礦體埋藏較深，其首采中段-230 m水平距地面453.5 m，從以往工程實踐揭露，-230和-170 m中段沿脈巷道已出現不同程度的變形，采場試驗礦房出礦進路也需要大強度支護，嚴重影響了下一步采礦方法的選擇與結構參數確定。鑒于此，礦山進行了原巖應力場測試和采動應力變異規律監測，采用空心包體法進行地應力測量［9-11］。

1 礦區概況

某鐵礦位于華北平原中部，區域地質運動受華北板塊主導，地理坐標位于東北—華北應力區，東北—華北應力區力源主要為太平洋板塊向西俯沖的作用和青藏塊體向北運移的聯合作用力。最大主壓應力方向為北東東，構造應力張量結構以走滑型為主，兼有一定數量的正斷型，正斷型應力結構主要分布在山西和鄂爾多斯周邊地區。礦區內構造主要包括褶皺構造和斷裂構造，礦體的分布形態和賦存空間主要受接觸面構造形態和層間裂隙所控制，礦區巖體呈松軟破碎狀態，穩定性較差。

2 原巖應力場測量方案

2.1 測量原理

空心包體應力計由14個電阻應變片、基底管、注漿管、環氧樹脂筒等構成，將3組應變花沿環氧樹脂筒圓周相隔120°粘貼，然后再用環氧樹脂澆注外層，使電阻應變片嵌在筒壁內（外層厚度約為0.5 mm）。在應力計的頂部有1個補償應變片和1個調零應變片。應力計的外徑為35.5 mm，工作長度為150 mm，可安裝在直徑為36.0～38.0 mm的小鉆孔中。

依照孔壁應變量的計算方法對空心包體應力測量進行計算。孔壁為平面狀態，只有σθ，σ′Z，σθZ3個應力分量，每個電阻應變花的4支應變片所測應變值為εθ，εZ，ε45°，ε-45°，εθ，εZ，ε45°，ε-45°分別是孔壁周向、軸向和與鉆孔軸線成±45°方向的應變值，γθZ為剪切應變值。將σθ，σ′Z，γθZ轉化成原巖應力分量σx，σy，σz，τxy，τyz，τxz的表達式，每組應變花的測量結果可得到4個方程，3組應變花共得到12個方程，其中至少有6個獨立方程，因此可求解出原巖應力的6個分量。

2.2 地應力監測方案

本次測量主要在首采區-230 m中段進行，為避開對現有生產的干擾，綜合考慮現場打鉆條件，結合孔壁完整情況，經現場勘察，選取圍巖較為完整，節理、裂隙不發育的位置作為測試點，測試點位選取在-230 m水平試驗13#S4采場附近，測試點位分別位于13#穿脈巷、14#穿脈巷、采場的巷道北幫（圖1）。

在14#穿脈巷內安裝2臺油囊式鉆孔應力計，13#穿脈內安裝2臺油囊式鉆孔應力計，13#進路口南翼方向安裝1臺包體應力計和1臺油囊應力計，同時安裝應變采集儀。

3 監測數據結果與分析

3.1 圍巖變形特性分析

經前述分析可知，安裝包體傳感器的孔壁圍巖的彈性模量和泊松比是解析地應力的核心指標，需要對應變采集儀接收到的數據進行彈性模量E和泊松比μ計算，進一步求得兩者的取值。由于各測點數據處理分析方法一致，本項目僅展示一處測點處理分析過程。

3.1.1 彈性模量值計算

將現場應變采集儀采集的數據進行處理，繪制成應力-應變曲線如圖2所示。為定量描述應力和應變的關系，將測試曲線進行擬合，擬合方程如圖2所示。根據擬合結果，確定第一點位實測彈性模量值為72.7 GPa，第二點實測彈性模量為70.7 GPa，后續地應力解析中應取平均值71.7 GPa為解析應力彈性模量值。

3.1.2 泊松比值計算

將現場應變采集儀采集的數據進行處理。為定量地描述切向應變和軸向應變的關系，將測試曲線進行擬合，擬合方程如圖3所示。根據擬合結果，確定第一點位的泊松比為0.259 8，第二點位的泊松比為0.294 9，擬合可靠度接近99%，后續應力解析中泊松比應取平均值0.277 3。

3.2 原巖應力解析

依據前述空心包體應變法測試地應力的原理，將現場測試數據進行解析，給定解析基礎參數見表1，由于測點較多，此處僅以14#穿脈上盤泄水硐室為例進行描述。測點位置在14#穿脈上盤泄水硐室成孔，孔深11.6 m，鉆孔直徑為38 mm，橫滾角X為12.23°，仰俯角為上仰12.23°，因受地磁干擾，包體9軸傳感器給定的方位角不可用，根據地勘實測，該方位角為355.47°。

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結合前述彈性模量和泊松比測試結果，將現場地應力測試數據進行解析，得到主應力和應力分量解析結果如表2、表3所示。根據主應力解析結果可知，礦區第一主應力大小為16.61 MPa，方位角為157.74°；第一主應力傾角為1.95°，表明第一主應力方向接近水平方向，說明礦區主要受構造應力影響。第二主應力為12.00 MPa，傾角為29.35°。第三主應力為6.91 MPa，傾角為60.58°。根據水平巖層厚度，按照海姆應力法則計算的凈水應力場接近11.25 MPa，應力理論計算值和現場實測結果基本一致，驗證了空心包體法現場測試地應力的可靠性。

4 結論

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（1）根據圍巖變形特性試驗，得到泊松比的取值為0.2773，彈性模量的取值為71.7 GPa，擬合可靠度接近99%。

（2）第一主應力大小為16.61 MPa，方位角為157.74°，傾角為1.95°，第二主應力12.00 MPa，傾角為29.35°，第三主應力為6.91 MPa，傾角為60.58°，側壓系數較大，水平主應力方向與區域地層延展方向近似平行。

（3）按照海姆應力法則計算凈水應力場接近11.25 MPa，應力規模與實測相符；第一主應力為近水平方向，說明水平方向的構造運動對現場地應力的形成起控制作用。