深部巖體地應力測試分析研究

李季LI Ji；段燕偉DUAN Yan-wei

（①黑龍江龍煤雞西礦業有限責任公司，雞西 158100；②黑龍江科技大學，哈爾濱 150022）

0 引言

原巖應力是指未受工程擾動的原始應力狀態，是由于自重和周圍構造產生的，其應力狀態對區域巖體結構的穩定性起著至關重要的作用，是影響地下工程巖體穩定性的主要來源和根本途徑，是制約煤礦進入深部開采的瓶頸[1]。通過對原巖應力的測量和分析可以對圍巖的穩定性進行分類，從而采取相應的措施加固圍巖的穩定性，進而從安全性和科學性兩方面實現地下工程的設計和實施[2]。關于深部地應力分布規律，國內學者開展了大量的研究。賀永勝[3]等從理論上探討了高地應力的判別標準，并總結了國內外地應力測量方法，介紹了最新深部地應力測試技術以及發展趨勢。張君鵬[4]利用解除應力法，測試了某金屬礦的原巖應力及其分布規律。趙星光等[5]通過深部地應力測試，為地下實驗室選址提供了邊界條件基礎。趙景輝等[6]通過對煤儲層地應力的測試和分類分析，為煤層氣的開采提供理論支撐。基于此，本文以東榮二礦為背景，采用應力解除法，獲取地應力分布情況，為圍巖穩定性控制提供了數據基礎。因此，獲得圍巖地應力分布狀態對深部巷道圍巖穩定性控制研究具有重要意義。

1 地應力測試方法及原理

1.1 測試方法

隨著科技的進步發展，人們對地應力的認識有所深化，測量技術和設備也相應的有所提高，但是限于巖體本身的非均質及地殼運動的復雜性，目前除了以現場實測的手段外，還沒有辦法通過建立模型來還原地應力分布狀態。現場實測手段根據其測量原理可分為三大類：

地質測繪法：根據區域地質構造特征和井下鉆孔破壞狀況等信息，通過相關計算來確定應力方向。該方法可以分為：鉆孔破壞信息、地質構造信息、井下應力測繪。

地球物理法：通過測量巖體中的電阻率、波速特征及聲發射等物理量的變化情況為依據的。該方法可以分為：波速法、X射線法、聲發射法。

巖石力學法：通過測得在原巖應力下巖體的應力應變來測得地應力。該方法又可以分為應力恢復法、應力接觸法、水壓致裂法。其中水壓致裂法和應力解除法經常被應用在煤礦工程中。而又因為水壓致裂法存在成本高、效率低、工程量大等問題，鑒于上述現場問題，故此次采用應力解除法。

1.2 測量原理

地應力是指地下巖體內部未受工程擾動的原始應力，是由自重應力和地殼構造運動產生的構造應力組成，并積存在巖體內部，又稱為原巖應力，其大小和方向與時間和其空間位置有關。其中構造應力場對工程影響起主要作用，按地應力形成和活動年代可以大致分為地質歷史時期的殘存地應力和現今地應力。

應力解除法，是通過測量巖體在解除過程中的變形實現的，根據解除應力過程中的變形量推導巖體初始應力狀態。首先獲得大直徑鉆孔，利用同心鉆孔技術，在大鉆孔基礎上獲得一定深度的同心小鉆孔；其次，在小鉆孔中安裝位移傳感器，獲得此時的應變數據；最后，利用同心套鉆將巖芯從巖體中分離套取，記錄分離過程中的應變變化。在巖芯與圍巖分離的過程中，圍巖約束解除，應力得到釋放，圍巖逐漸恢復原始狀態。測量應力計分布在垂直于鉆孔平面的三個方向，這三個方向交匯到一點，從而獲得該點的三維應力狀態[7]。

在分析三維應力測量的過程中，結合彈塑性理論分析鉆孔的變形，并滿足以下假設[7]：

①保證巖石是完整的、非滲透性的；

②巖石呈現彈性且各向同性。

設圍巖為無限大巖體，在圍巖上打一鉆孔，則鉆孔的影響區域如圖1（a）所示，在正應變εz=c的條件下，巖體中的應力為[7]：

圖1 無限大巖體鉆孔應力坐標系及應力

式中：εr、εθ、εz為正應變，E為彈性模量，γrθ、γrz、γzθ為剪應變，v為泊松比[7]。

鉆孔坐標系o-x′y′z′，可由式（13）-（17）得出，坐標系中x′為水平，y′與鉆孔軸平行，應力計讀數與地應力之間的關系為：

地應力與應變計讀數的關系表達式為（19）~（23）。實際上K1與K2很接近，若取K1=K2=K12，則：

式中，Kii為校正系數，i=1，2，3；v代表泊松比；E為巖石的彈性模量。εθ、εα、ε45°、ε-45°為環向、軸向和與孔軸成±45°的應變計的讀數，θ為應變計與x軸的夾角[7]。

事實上，應變片與巖石的膠結，造成一定的距離誤差，該誤差與巖石、環氧樹脂的彈性模量及應變計與巖石表面的距離大小有關，系數取值見表1。

表1系數K1、K2、K3、K4值

表中Er－巖石的彈性模量；rs－應變片的徑向位置；Ep－環氧樹脂的彈性模量。

地應力測量設備如圖2。

圖2 測量設備

表3東榮二礦各測點主應力計算結果

2 現場操作過程及測點位置

2.1 操作過程

本次地應力測試選用空心包體應變計。其優點為應變計可以很好地膠結在巖石表面上，同時膠結劑可以沿著孔壁的裂縫進入到巖體深部，從而提高了圍巖的整體性，進而更易獲取完整巖芯[8]。現場測量步驟具體如下：①在選定地點巖體上鉆直徑為130mm的大直徑鉆孔，為了便于水流出，鉆孔角度向上傾1~3度。為了避免周圍工程擾動影響，孔深長度一般為巷道跨度的3倍以上。②將孔底打磨平后，再用錐形鉆頭將孔底打出一個錐形形狀，在換小鉆頭，從孔底打一個同心小孔。③將空心包體應變計送到小孔后，調節應變片在鉆孔中的方向，達到理想位置后，將膠體擠出，使應變計與小孔充分接觸，并記下應力計的偏角。④大概在20h后，環氧樹脂固化，換大直徑鉆頭開始進行應力解除。

2.2 測點位置選取

東榮二礦南二下采區位于井田中、下部，北起F65斷層，南至F2斷層，東為南二下延采區（-700m），西為-900m標高；地面標高+67m，埋深約668m~987m。采區走向長約1.35km，傾斜東西寬平均約1.200km，面積1.62km2。本采區相鄰采區為：中一上采區、南二上采區及南二下延采區。

中一上采區位于本采區的北部，東起F10斷層、西至F51斷層及各煤層-500m等高線，南到F65和F9斷層、北至各煤層露頭，采區平均走向長度2.0km，傾斜寬0.7km，采區含有14、16、17、18、20、24號6個可采煤層，14、16、17、18四層已全部回采結束，現20號、24號層正回采，剩余24層0面未采。南二上及南二下延采區位于本采區的東南部，與本采區相聯，北起F72斷層，南至F71斷層，東為南二上采區（-500m水平），西為-700m標高，為南二上采區的-500m至-700m的延深采區。南二上及南二下延采區可采煤層為16、17、18煤層，現16號煤層、17號煤層、18號煤層已全部回采完畢，采區已結束并注水，現積水標高在-620m左右。根據現場勘查，在東榮二礦安排3個地應力測點，測點鉆孔參數表見表2。

表2測點鉆孔參數表

3 結果分析

測試結束后，將各應變片采集的數據導入計算機中，并繪出每組應變值-深度變化曲線，通過曲線來判斷測量結果是否受到其它外在因素的影響[9]。如果曲線變化規律明顯，未出現數據丟失現象，則說明應應變計工作狀態良好。當深度未達到指定位置時，各應變值通常較小，甚至為負值，這是由于應力轉移引起的。隨著鉆孔深度的增大，應變值逐漸增大，甚至發生突增現象，而應變值最終都為正值。當鉆頭通過測量位置時，出現最大應變值；鉆頭通過測量斷面后，應變值開始逐漸平穩，最終出現某一穩定值，該值作為計算地應力的基礎數據[10-11]。

根據東榮二礦三個測點測得的應變數據、巖石力學參數及鉆孔的幾何參數，可以得出各個測點的地應力分量及大小和方向，測量結果見表3。

由東榮二礦各測點主應力測量結果可以看出：①三個測點中σmax最大為37.25MPa，最小為30.96MPa；σmid最大為19.38MPa，最小為15.15MPa；σmin中最大為18.36MPa，最小為14.57MPa。②從3個測點測得的數據中，最大主應力中傾角最小的是1#測點，只有-2.54°，幾乎是水平的；另外2個位于9°以下，也是非常接近于水平的，故最大主應力位于近水平方向。③三個測點中最大水平主應力的走向，平均為146.31°，近似于北西~南東向，基本與區域構造應力場最大主應力的方向一致。

4 結論

①用套孔應力解除法和空心包體應變計測得東榮二礦3個不同標高測點的地應力數據得出，三個測點的最大水平應力最大值為37.25MPa，最小為30.96MPa；最小水平主應力最大值為19.38MPa，最小值為15.15MPa；垂直應力最大值為18.36MPa，最小值為14.57MPa。說明東榮二礦地應力場在量值上屬于中等偏高地應力場。②最大水平主應力的走向，平均為146.31°，近似于北西-南東向，基本與區域構造應力場最大主應力的方向一致。巷道兩幫受垂直應力影響較大，頂底板受水平應力影響較大。