高 杰， 袁子晨， 徐爱民

（中国矿业大学a.煤炭资源与安全开采国家重点实验室；b.矿业工程学院；c.安全工程学院，江苏徐州 221116）

0 引 言

地应力是岩体中存在的天然应力，是决定地下工程开挖、设计、稳定性分析的最重要因素之一［1-2］。大量的矿山生产实践证明，生产过程中遇到的诸如巷道围岩失稳破坏、冲击地压危险预测及防治、上覆岩层变形破坏等重大技术研究问题都与地应力有关。因此，地应力及围岩力学参数等基础技术数据对矿山安全生产十分重要［3］。当前地应力的测量方法有多种，如应力恢复法［4］、水压致裂法［5-8］、地球物理法［9-10］、应力解除法［11-12］等。空芯包体应力解除法是目前应用最广泛的方法之一，作为一种比较常规的应力解除方法，其需要先在巷道帮部近水平施工大直径钻孔，然后在大直径钻孔内施工同心小孔，在小孔中粘贴配套的空芯包体应力计，待应力计粘贴完成并凝固后，再进行应力解除工作。但是在复杂的地质条件下，随着测试的深度不断加大，测试钻孔会出现钻孔弯曲变形、孔壁掉渣等意外情况，并且钻孔内及钻孔底部情况不明，容易导致空芯包体应力计定位困难、碰损甚至安装失败，造成资源浪费和效率低下。

本文在原有地应力测试装置的基础上引入钻孔窥视仪，研制出一种可视化安装空芯包体应力计的地应力测试配套装置［13-15］。该装置由φ133 mm 大钻头、φ36 mm小钻头、钻杆转接头、取芯套筒、输送杆、钻孔窥视仪、限位轮等构成，且在山东某煤矿三北采区地应力实测中取得了良好效果。

1 矿区概况

该煤矿位于微山湖东侧，矿区面积为30.45 km2，可采煤储量为3 392.2 万t，核定年产60 万t，目前主采3 下煤层，共划分为4 个采区（31、32、33 和三北采区）。其中三北采区地层走向北东，倾向东，地层倾角平缓，一般3° ～10°，煤层赋存标高－ 630 ～－ 500 m，是本次地应力的测定区域。根据《三北采区三维地震勘探报告》和井下巷探实际揭露情况，未见岩浆岩侵入体，冲刷带主要位于采区外西北部和东南部块段。采区及周边断裂构造较为发育，采区范围内共发育断层21 条，没有褶曲发育，但在采区南部采区边界附近有一处向斜发育。

2 地应力测试

钻孔应力解除法测定是在选取的测点处先在巷道帮部近水平施工出1 个φ133 mm的大钻孔，后在大直径钻孔内钻取φ36 mm 的同心小钻孔，在小孔中粘贴配套的空芯包体应力计（见图1）。待应力计粘结完成并凝固后进行应力解除工作，在解除过程中利用矿山压力监测系统分站记录应变情况。在实验室对解除后的岩芯进行岩石力学性质测试及率定试验，最后通过计算得出地应力分布规律。

图1 空芯包体结构图

2.1 测点选取

测点选取应符合以下要求：①尽量布置在完整的围岩体内；②保证测点位于原岩应力区；③避开地质构造带；④尽量不影响其他工作的正常进行等。根据地应力测试测点选取要求，结合该矿采区布置，共选择两个测点，第1 个测点选于三北辅助轨道巷内，在此测点钻取1 或2 个测试孔；第2 个测点选于探煤巷道2，在此测点钻取1 或2 个测试孔。测试选点标注见图2。

图2 地应力测试选点标注图

2.2 地应力测定

（1）钻孔。先用钻杆转接头接上φ133 mm 平钻头钻取一稍向上倾斜的近水平钻孔，当钻孔至预定深度，将平钻头换为φ133 mm取芯套筒和配套取芯钻头钻取岩样，通过岩样连续性判断达到原岩应力区时，将孔底磨成内圆锥形；然后更换长为370 mm、φ36 mm的小钻头钻取长度35 ～40 cm小孔；小孔形成后，进行冲洗、擦干备用。钻孔施工完成后如图3 所示。

图3 钻孔剖面图

（2）安装。再次对小孔进行清洗干燥，取配制好的环氧胶倒入应力计的空腔，将空芯包体应力计固定在安装了钻孔窥视仪的输送杆体上，用棉签棒固定好柱塞进行包体安装工作。

需要注意的是，利用窥视仪连接杆及定向器将空芯包体应力计递送至孔底并安装，安装过程中连接杆只能向前推送，不能后拉（防止空芯包体脱落），递送过程中不得旋转钻杆，当空芯包体前端到达大孔底部即将进入小孔时，须通过钻孔窥视仪观看小孔方位，通过顺时针缓慢旋转输送杆确保对位准确后，慢慢将空芯包体计左右旋转进入小孔。安装情况如图4 所示。

图4 空芯包体应力计安装示意图

（3）测量。空芯包体应力计安装15 h 后，环氧胶粘结密实，此时用钻孔窥视仪测量空芯包体应力计中A应变花的角度并让矿上地测人员测量钻孔方位角，用钻孔窥视仪观测输送杆与固定销的连接情况，缓慢向外拉出输送杆，拉出过程中不得旋转以免损坏黏结好的空芯包体应力计。

（4）解除。连接杆取出后即可进行解除工作，接好φ133 mm取芯套筒及配套钻头，拉紧电缆线，启动钻机，将取芯套筒递送至大孔孔底，开始注水钻进，这时应变仪读数会有所轻微变化，待读数稳定后（约15 min），再开始进尺读数。若为自动读数，可选取读数时间间隔为10 s。待读数不随进尺变化时（解除深度为500 mm左右），停止套芯，取出包裹空芯包体应力计的岩芯带回实验室实验。应力解除示意图如图5所示。

图5 应力解除示意图

3 地应力测试结果与分析

3.1 岩石力学性质及围岩率定试验

（1）对取回的钻孔岩心或靠近取芯地点的岩芯进行岩石力学性质测试。计算岩芯的弹性模量E 和泊松比ν。1 ～3 号孔单轴抗压变形试验结果见表1。

表1 单轴抗压变形试验结果

（2）对包裹着空芯包体应力计的岩芯进行率定实验。率定实验步骤为：将带岩芯的空心包体放入率定仪的套筒中；连接空心包体与应变采集仪；对液压油泵进行加压至1 MPa后，待应变仪读数稳定后，记录应变仪上数据；再加压至3 ～5 MPa 后，将应变仪上数据导出，绘出应力-应变曲线和轴向应变-周向应变曲线，求出岩芯和空芯包体的总体弹性模量和泊松比。因取样时2 号孔、3 号孔岩芯相对完整，故仅对2 号、3 号取出的岩芯进行率定试验。2 号、3 号孔测试围岩率定试验结果见表2。

表2 围岩率定试验结果

因率定试验结果与单轴抗压变形试验结果相差小于10%，故可将岩石单轴抗压试验测得的E 和ν作为地应力测试试验原始数据用以计算。

3.2 测试采区的地应力分布规律

通过钻孔时记录的钻孔方位和倾角以及空芯包体应力计方位参数（见表3），结合在现场地应力测试时所取得的应变仪数据，可导出钻孔的应变-解除进尺的曲线，再通过围压率定试验求得的E和ν，最后利用地应力数据处理dos 软件系统，即可算得测定区域三北采区1 ～3 号钻孔的地应力测试结果。

表3 钻孔及空芯包体应力计方位参数

（1）1 号孔地应力测试结果。1 号测孔解除深度42 cm，所取岩芯通过实验室试验得出其弹性模量E和泊松比ν分别为4.12 GPa 和0.27。结合岩芯解除过程中的数据，根据KJ327-F 矿山压力监测系统分站所得到的12 个通道的应变值，绘制出钻孔应变-解除进尺曲线图，如图6 所示。

图6 1号孔钻孔应变-解除进尺曲线图

将1 号钻孔数据、所取得的空芯包体与岩芯的整体性质数据、应变值数据输入到已经编好的地应力数据处理系统中。最后可以得到1 号钻孔处所测得的地应力大小和方向数据，如表4 所示。根据1 号测孔实测的主应力分布绘制网络图，如图7 所示。

表4 1 号测孔主应力大小和方向

图7 1号孔实测的主应力分布网络图

（2）2 号孔地应力测试结果。2 号测孔解除深度33 cm，所取岩芯通过实验室试验得出E 和ν 分别为3.7 GPa 和0.24。结合岩芯解除过程中的数据，根据KJ327-F矿山压力监测系统分站所得到的12 个通道的应变值绘制钻孔应变-解除进尺曲线图，如图8 所示。将2 号孔钻孔数据、所取得的包体与岩芯的整体性质数据、应变值数据输入到已经编好的地应力数据处理系统中。最后可以得到2 号孔钻孔处所测得的地应力大小和方向数据如表5 所示。根据2 号测孔实测的主应力分布绘制网络图如图9 所示。

图8 2号孔钻孔应变-解除进尺曲线图

表5 2 号测孔主应力大小和方向

图9 2号孔实测的主应力分布网络图

（3）3 号孔地应力测试结果。3 号测孔解除深度55 cm，所取岩芯通过实验室试验得出E 和ν 分别为5.2 GPa 和0.28。结合岩芯解除过程中的数据，根据KJ327-F矿山压力监测系统分站所得到的12 个通道的应变值绘制钻孔应变-解除进尺曲线图，如图10 所示。将3 号孔钻孔数据、所取得的包体与岩芯的整体性质数据、应变值数据输入到已经编好的地应力数据处理系统中。最后可以得到3 号孔钻孔处所测得的地应力大小和方向数据如表6 所示。根据3 号测孔实测的主应力分布绘制网络图如图11 所示。

图10 3号孔钻孔应变-解除进尺曲线图

图11 3号孔实测的主应力分布网络图

表6 3 号测孔主应力大小和方向

4 结 论

（1）通过在采区所测轨道巷进行应力解除，并对解除岩体进行率定试验，得出测试孔岩体的弹性模量均值为4.5 MPa，泊松比均值为0.26，所测采区最大主应力为垂直应力，应力均值为13.83 MPa，方向角为N32.65°E ～N42.54° E，最大水平应力均值为11.43 MPa，方向角为N127.73°E ～N141.64°E，最小水平主应力均值为5.77 MPa，方向角N218.07° E ～N231.90°E。

（2）所测采区最大主应力为垂直应力，中间主应力和最小主应力均为水平应力，采区侧压系数均值为0.83，最大垂直应力与最大水平应力值相差不大，这与该采区属于中等埋深有关，采区内最大水平应力与最小水平应力的比值为1.98，其造成岩体内剪应力较大，超过岩体的抗剪强度时，岩体将发生断裂，不利于巷道围岩控制。

（3）该采区轨道巷3 个测试孔岩体的弹性模量均值为5.01 MPa，泊松比为0.28，内摩擦角为29.97°，内聚为4.42 MPa。

结论是根据所选3 个测点进行的，若测点不同，测试方法不同，则结论会稍有差异。应用自行研制的钻孔窥视仪及其辅助设备，配套空芯包体应力计来测量煤矿地应力时，由于设备的改进和钻孔窥视仪的加入，使安装过程可视化，提高了安装效率及成功率。