杨仁树，陈 骏，薛华俊，陈 程，王文博

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

人们认识地应力已经有百年的历史。从世界范围看，地应力的研究涵盖了地质、地震、矿山、冶金、石油和建筑等行业和部门。自1912年瑞典地质学家海姆(A.Heim)在隧道施工中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。地应力作为影响地表及地下结构稳定性的重要因素之一，越来越受到科学界和工程界的重视。大量工程实践表明，地质灾害与地应力状态有着密切关系，研究地质灾害首先从地应力入手已经成为工程界的共识。相较而言，煤矿地应力发展稍落后于其他行业。但随着采矿规模的不断扩大和向深部发展，一些由地应力引起的煤矿灾害令人反思。以固有力学公式计算得到的地应力资料已经无法满足实际的需要，严重制约了技术的发展提高[1]。因此，近年来以煤矿为基础的地应力测试得以大力推广实施，在取得了一定成果的同时，由于地应力测试队伍技术水平参差不齐，在方法和操作上没有统一的认识，形成了我国地应力测点多但不成体系，尝试多但成功率不高的现状。通过对多个矿区进行地应力实测，本文对影响应力解除法测量煤矿地应力精度的几个因素进行了分析研究，如测点布置，钻孔过程，成孔条件等。这不仅有助于提高对应力解除法测量地应力的理性认识，而且对今后发展更完善的地应力测试方法具有一定的指导作用。

1 应力解除法测量地应力的原理

原岩应力测量就是确定拟开挖岩体及其周围区域未受扰动的岩体的三维地应力状态。为了进行地应力测量，通常需要预先开挖一些硐室以便人和设备进入测点，然而只要硐室一开，硐室周围岩体中的应力状态就受到了扰动。为了克服这个问题，我们在硐室表面向岩体中打小孔，直至原岩应力区，地应力测量是在小孔中进行的。在目前国内常用的地应力测量方法中，水压致裂法，压磁应力解除法，空心包体应力解除法均属此类。[2]

应力解除法的基本原理就是，当一块岩石从受力作用的岩体中取出后，由于其岩石的弹性会发生膨胀变形，测量出应力解除后的此块岩石的三维膨胀变形，并通过现场弹模率定确定其弹性模量，则由线性虎克定律即可计算出应力解除前岩体中应力的大小和方向。简单的说，应力解除法就是在岩石中先打一个测量钻孔，将应力传感器安装在测孔中并观测读数，然后在测量孔外同心套钻钻取岩芯，使岩芯与围岩脱离，岩芯上的应力因解除而恢复，根据应力解除前后仪器所测得的差值，即可计算出应力的大小和方向。[3]

在地应力测量的方法中，空心包体应力解除法是发展时间较长，技术上比较成熟的一种地应力测量方法。空心包体应力解除法是把测量元件电阻丝应变片粘贴在预制的环氧树脂薄筒上，外包一层环氧树脂层制成应变计，在实际测量时，在用环氧树脂粘接剂作为应变计和钻孔岩壁之间的充填剂。[1-3]这种方法方便快捷，测试成功率较高。空心包体应力解除法的测量步骤如图1所示。

图1 空心包体应力解除法的测量步骤

2 应力解除法的新发展

2.1 深孔空心包体地应力测量仪

中国地质科学院地质力学研究所[9]发明了用于深孔地应力测量的深孔空心包体地应力测量仪，解决了传统应力解除仪器只适用于浅孔的问题。该种仪器是将应变仪、应力计、电子罗盘、压力传感器、温度计等集成于一体的无电缆微型探头，可用于深孔地应力解除测量，克服了以往深孔应力解除法中因导线引起的困难。实际应用于上海市浦东地震监测中心张江观测孔，并获得成功。

2.2 钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)

中国科学院武汉岩土力学研究所与上海交通大学[10]提出了一种新的三维地应力测量方法：钻孔局部壁面应力解除法。BWSRM 是利用侧壁取芯技术，在测点附近几个局部壁面上直接钻取圆柱状岩芯，使其与周围岩体完全分离取代了沿钻孔轴向套取岩芯的传统方法。基于此种方法研制出了地应力测井机器人。并在锦屏水电站科研试验硐成功进行了现场地应力测量。

3 影响煤矿地应力测量精度的因素

3.1 选择测点的影响分析

煤矿井下条件复杂，在不影响矿井生产建设和原岩应力数据不受干扰前提下，选择一条适合进行地应力测量的巷道很不容易。

首先，满足基本的测点布置条件，如：保证测点处于原岩应力状态未受扰动地区；测点应避开岩石破碎带，断裂发育带；测点应符合矿区整体规划，对巷道布置有指导作用。[4]

其次,布置测点前，应了解矿区规划图，掌握测点所在地理位置的地表构造；详查煤层柱状图，优先选择岩石巷道进行测试。当对测试巷道实际情况充分掌握后，即便巷道为煤巷、半煤岩巷，在进行15～20m的钻孔深度后，套筒取出的仍可能为完整的岩芯。

最后，所选测点应能保证整个测试过程的连续性。一般情况下，完成一个测孔的地应力测量(按测试两次计算)，需要4～5天时间。在此期间，应保证钻机不改变方位和角度，钻孔完成后需尽快完成包体安装，防止塌孔或变形。另外，距离迎头及其他可能存在的扰动应不少于100m距离，且有良好的排水走电途径，符合工程实际。

3.2 钻孔过程的影响分析

钻孔过程包括两个部分：测量前的打钻过程和测量时的取芯过程。

应力解除法较之水压致裂法，其优点在于只需要钻一个孔就可以知道该点的三维应力状态。特别对煤矿而言，应用应力解除法进行测量省时省力，且能提供最准确的原岩应力数据。这就要求在打眼的过程中，有更高效率、低误差的技术过程辅助测量。选用钻机时，一般的探水及瓦斯钻机均可使用，最好为立轴式岩芯钻机。开始钻孔前，应计算导孔仰角和方位角，准确定位钻机并安设。开始钻孔后，钻机角度不能发生变化，应保持到全部测量过程结束。

钻直径为36mm的安装孔时，应使用锥形钻头来保证大小钻孔同心。钻机速度应尽可能放慢，以得到较好岩芯。小孔钻完后，最好空出适当时间使小孔干燥适合安装应力计。大小孔打好后，要观察孔底岩性及完整度。煤或泥岩类的容易破碎的岩性成孔质量不高，安装应力计时容易卡住。另外，必须准确掌握钻孔深度，包括大钻孔，小钻孔各段长度。了解钻孔数据并通过探孔工序仔细测量核对，待数据准确无误后再进行安装，否则容易导致失败。

测量过程中，钻头运动对地应力测量精度的影响可以根据相关的数值模拟[5-6]得到：打钻初期钻孔周围y向位移较大，呈现明显的环状分布，远离钻孔处受到的扰动较小。随着打钻的进行，y向位移呈现明显的垂向层状分布且逐渐衰减。并得出，打钻速度越快，产生的最大峰值应力越大，衰减越快。因而，打钻速度是影响地应力测量精度的敏感因素。

3.3 小孔成型的影响分析

第一：应力解除法要求套芯钻孔和测量孔有严格的同轴度。在实际施工中，套芯钻孔和测量孔存在或多或少的偏心问题。钻孔偏心会对围岩率定实验产生严重的偏差。因而，估算因钻孔偏心引起的误差对测量地应力有着显著的精度影响。

钻孔出现偏心现象后，其内部应力分布状态将发生明显的变化，根据程惠红、邵兆刚[5]的数值模拟表明，当钻孔出现偏心时，无论应力的分布状态还是应力大小与同心钻孔相比均发生了明显的改变。

第二：当小孔成孔质量不高时，会存在较大裂隙。因此空心包体应力计与钻孔间的胶结问题是应力解除法成功与否的关键所在。通过对因胶结质量失败的地应力测量分析得出：①小孔所处地理条件直接影响并反应了所测点地应力状态，观察小孔岩芯状态是解决问题的最简单方法。②严格按照小孔规格钻孔，打钻过程应规范而有条理。③空心包体安装过程应按照钻孔长度精确送入。当使用钻机推进时，应低速缓慢推进，包体碰触小孔孔底时，钻机有轻微阻滞感。继续推进至钻杆绷直，无法前进，即安装成功。也可通过确定进尺长度来完成安装。

3.4 岩石力学性质的影响分析

不仅应力解除法，几乎所有的地应力测量方法，都需对岩石力学性质作一定的了解。即便处于同一地区，不同岩性的原岩应力也不会相同。处于不同岩石力学性质下的地应力测量数值模拟分析[6]显示，岩石的弹性模量、屈服强度、边界应力对地应力精度的影响较为显著。其结果同样可由长江三峡库区秭归测孔的页岩段测值对比分析得出。如不同测点地应力数值比较分析应建立在相关的岩性分析矫正和同一深度的基础上，否则是没有实际意义的。

4 张集煤矿实验巷道地应力实测分析

4.1 矿区概况

张集矿位于谢桥向斜北翼，地处陈桥背斜的东南倾伏端，总体形态为呈扇形展布的单斜构造，地层走向呈不完整的弧形转折。西段地层走向在北西75°左右，中段急转东西，北东方向，至北段大致向正北延伸。地层倾角平缓稳定，中央石门以西为10°左右，以东2～5°，工业场地以南至向斜轴一般为15°，局部30°，并有明显的波状起伏。

矿井北部边缘及煤矿主体是一组以北西向为主的正断层，北部边缘断层走向大致平行于陈桥背斜轴，呈树枝状发育。往南，断层走向逐渐向南偏转。总体上，断层围绕着背斜的转折端，组成了放射状的断裂系统，显示出背斜在褶皱隆起过程中的张裂性质；在变位特征上，该组正断层大多向南倾斜，呈现出由北向南逐渐下降的阶梯式组合。

矿井南缘向斜的深处，是与推覆构造有关的一组逆冲或反冲断层，平面上，它们大体平行于谢桥向斜轴和阜凤断层伸展，是推覆断裂的分枝，垂向上，呈波状及铲式形态，深延并汇入主推覆面。

4.2 地应力测量

为了确定淮南张集煤矿某试验巷道地应力状态，采用空心包体测量方法分别在一灰疏水巷六号，七号钻场两个点进行地应力测量。测点均布置在巷道帮部，钻孔深度为12m，上倾5°，测量所采用应力计为澳大利亚CSIRO型应力计的改进型。

4.3 测量结果

本次测量旨在指导试验巷道走向及支护布置，对所布测点共测得两组有效数据。因井下条件复杂，测点测试失败后均进行重新掏眼，至测得成功数据(图2、图3)为止。测量结果见表1。

图2 六号钻场测点应力解除曲线

图3 七号钻场测点应力解除曲线

表1 测点主应力计算结果

测点深度/m主应力大小/MPa方位角/(°)倾角/(°)一灰疏水巷六号钻场-536σ137.10104.02.08σ223.899.89-63.29σ313.92195.0826.63一灰疏水巷七号钻场-566σ131.33112.5-4.55σ224.4611.88-72.78σ314.43203.3-9.71

4.4 测量结果分析

在张集煤矿一灰疏水巷六号钻场，所测得最大主应力为37.10MPa，方位角为104.0°，最大主应力与水平面的夹角为2.08°；在七号钻场，所测得最大主应力为31.33MPa，方位角为112.5°，最大主应力与水平面的夹角为-4.55°。

所测得最大水平主应力方向为NW～SE向，且远大于中间主应力和最小主应力。说明该巷道所在区域地应力场是以水平构造应力为主导。本次测量各个主应力均为压应力，没有出现拉应力的现象。竖向应力略大于单位面积上覆岩层的重量。

根据一灰疏水巷布置，巷道走向近乎垂直于最大水平主应力方向，应加强巷道顶底板稳定性的监控。巷道支护设计应侧重于提高巷道开挖后早期顶板的稳定性，控制围岩的早期过大变形。

5 结语

通过研究测点布置、钻孔过程、小孔成型、岩石力学性质等因素对应力解除法测量煤矿地应力精度影响，在张集煤矿一灰疏水巷进行了地应力测试，测试结果满足地应力测试结果的影响。张集煤矿一灰疏水巷六号钻场，所测得最大主应力为37.10MPa，方位角为104.0°；在七号钻场，所测得最大主应力为31.33MPa，方位角为112.5°，对实验巷道的支护布置起到了指导作用，减轻了巷道支护难度，加快了巷道掘进速度。

在煤矿，应用比较广泛的地应力测量方法是空心包体应力解除法和水压致裂法。在应力解除法方面，我国多个单位和部门均组织了地应力测量队伍，极大的补充了多范围，多水平的地应力数据。然而，由于煤矿井下环境的特殊性，对测量仪器与设备的技术性能与可靠性提出了很高要求。新的测量方法及较差环境下测量地应力也有待研究。本文论述旨在为应力解除法地应力测量研究提供参考价值，提高数据质量，更好的为实际工程建设服务。

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