楊仁樹，陳 駿，薛華俊，陳 程，王文博

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

人們認識地應力已經有百年的歷史。從世界范圍看，地應力的研究涵蓋了地質、地震、礦山、冶金、石油和建筑等行業(yè)和部門。自1912年瑞典地質學家海姆(A.Heim)在隧道施工中，通過觀察和分析，首次提出了地應力的概念。地應力作為影響地表及地下結構穩(wěn)定性的重要因素之一，越來越受到科學界和工程界的重視。大量工程實踐表明，地質災害與地應力狀態(tài)有著密切關系，研究地質災害首先從地應力入手已經成為工程界的共識。相較而言，煤礦地應力發(fā)展稍落后于其他行業(yè)。但隨著采礦規(guī)模的不斷擴大和向深部發(fā)展，一些由地應力引起的煤礦災害令人反思。以固有力學公式計算得到的地應力資料已經無法滿足實際的需要，嚴重制約了技術的發(fā)展提高[1]。因此，近年來以煤礦為基礎的地應力測試得以大力推廣實施，在取得了一定成果的同時，由于地應力測試隊伍技術水平參差不齊，在方法和操作上沒有統(tǒng)一的認識，形成了我國地應力測點多但不成體系，嘗試多但成功率不高的現狀。通過對多個礦區(qū)進行地應力實測，本文對影響應力解除法測量煤礦地應力精度的幾個因素進行了分析研究，如測點布置，鉆孔過程，成孔條件等。這不僅有助于提高對應力解除法測量地應力的理性認識，而且對今后發(fā)展更完善的地應力測試方法具有一定的指導作用。

1 應力解除法測量地應力的原理

原巖應力測量就是確定擬開挖巖體及其周圍區(qū)域未受擾動的巖體的三維地應力狀態(tài)。為了進行地應力測量，通常需要預先開挖一些硐室以便人和設備進入測點，然而只要硐室一開，硐室周圍巖體中的應力狀態(tài)就受到了擾動。為了克服這個問題，我們在硐室表面向巖體中打小孔，直至原巖應力區(qū)，地應力測量是在小孔中進行的。在目前國內常用的地應力測量方法中，水壓致裂法，壓磁應力解除法，空心包體應力解除法均屬此類。[2]

應力解除法的基本原理就是，當一塊巖石從受力作用的巖體中取出后，由于其巖石的彈性會發(fā)生膨脹變形，測量出應力解除后的此塊巖石的三維膨脹變形，并通過現場彈模率定確定其彈性模量，則由線性虎克定律即可計算出應力解除前巖體中應力的大小和方向。簡單的說，應力解除法就是在巖石中先打一個測量鉆孔，將應力傳感器安裝在測孔中并觀測讀數，然后在測量孔外同心套鉆鉆取巖芯，使巖芯與圍巖脫離，巖芯上的應力因解除而恢復，根據應力解除前后儀器所測得的差值，即可計算出應力的大小和方向。[3]

在地應力測量的方法中，空心包體應力解除法是發(fā)展時間較長，技術上比較成熟的一種地應力測量方法。空心包體應力解除法是把測量元件電阻絲應變片粘貼在預制的環(huán)氧樹脂薄筒上，外包一層環(huán)氧樹脂層制成應變計，在實際測量時，在用環(huán)氧樹脂粘接劑作為應變計和鉆孔巖壁之間的充填劑。[1-3]這種方法方便快捷，測試成功率較高。空心包體應力解除法的測量步驟如圖1所示。

圖1 空心包體應力解除法的測量步驟

2 應力解除法的新發(fā)展

2.1 深孔空心包體地應力測量儀

中國地質科學院地質力學研究所[9]發(fā)明了用于深孔地應力測量的深孔空心包體地應力測量儀，解決了傳統(tǒng)應力解除儀器只適用于淺孔的問題。該種儀器是將應變儀、應力計、電子羅盤、壓力傳感器、溫度計等集成于一體的無電纜微型探頭，可用于深孔地應力解除測量，克服了以往深孔應力解除法中因導線引起的困難。實際應用于上海市浦東地震監(jiān)測中心張江觀測孔，并獲得成功。

2.2 鉆孔局部壁面應力解除法(BWSRM)

中國科學院武漢巖土力學研究所與上海交通大學[10]提出了一種新的三維地應力測量方法：鉆孔局部壁面應力解除法。BWSRM 是利用側壁取芯技術，在測點附近幾個局部壁面上直接鉆取圓柱狀巖芯，使其與周圍巖體完全分離取代了沿鉆孔軸向套取巖芯的傳統(tǒng)方法?；诖朔N方法研制出了地應力測井機器人。并在錦屏水電站科研試驗硐成功進行了現場地應力測量。

3 影響煤礦地應力測量精度的因素

3.1 選擇測點的影響分析

煤礦井下條件復雜，在不影響礦井生產建設和原巖應力數據不受干擾前提下，選擇一條適合進行地應力測量的巷道很不容易。

首先，滿足基本的測點布置條件，如：保證測點處于原巖應力狀態(tài)未受擾動地區(qū)；測點應避開巖石破碎帶，斷裂發(fā)育帶；測點應符合礦區(qū)整體規(guī)劃，對巷道布置有指導作用。[4]

其次,布置測點前，應了解礦區(qū)規(guī)劃圖，掌握測點所在地理位置的地表構造；詳查煤層柱狀圖，優(yōu)先選擇巖石巷道進行測試。當對測試巷道實際情況充分掌握后，即便巷道為煤巷、半煤巖巷，在進行15～20m的鉆孔深度后，套筒取出的仍可能為完整的巖芯。

最后，所選測點應能保證整個測試過程的連續(xù)性。一般情況下，完成一個測孔的地應力測量(按測試兩次計算)，需要4～5天時間。在此期間，應保證鉆機不改變方位和角度，鉆孔完成后需盡快完成包體安裝，防止塌孔或變形。另外，距離迎頭及其他可能存在的擾動應不少于100m距離，且有良好的排水走電途徑，符合工程實際。

3.2 鉆孔過程的影響分析

鉆孔過程包括兩個部分：測量前的打鉆過程和測量時的取芯過程。

應力解除法較之水壓致裂法，其優(yōu)點在于只需要鉆一個孔就可以知道該點的三維應力狀態(tài)。特別對煤礦而言，應用應力解除法進行測量省時省力，且能提供最準確的原巖應力數據。這就要求在打眼的過程中，有更高效率、低誤差的技術過程輔助測量。選用鉆機時，一般的探水及瓦斯鉆機均可使用，最好為立軸式巖芯鉆機。開始鉆孔前，應計算導孔仰角和方位角，準確定位鉆機并安設。開始鉆孔后，鉆機角度不能發(fā)生變化，應保持到全部測量過程結束。

鉆直徑為36mm的安裝孔時，應使用錐形鉆頭來保證大小鉆孔同心。鉆機速度應盡可能放慢，以得到較好巖芯。小孔鉆完后，最好空出適當時間使小孔干燥適合安裝應力計。大小孔打好后，要觀察孔底巖性及完整度。煤或泥巖類的容易破碎的巖性成孔質量不高，安裝應力計時容易卡住。另外，必須準確掌握鉆孔深度，包括大鉆孔，小鉆孔各段長度。了解鉆孔數據并通過探孔工序仔細測量核對，待數據準確無誤后再進行安裝，否則容易導致失敗。

測量過程中，鉆頭運動對地應力測量精度的影響可以根據相關的數值模擬[5-6]得到：打鉆初期鉆孔周圍y向位移較大，呈現明顯的環(huán)狀分布，遠離鉆孔處受到的擾動較小。隨著打鉆的進行，y向位移呈現明顯的垂向層狀分布且逐漸衰減。并得出，打鉆速度越快，產生的最大峰值應力越大，衰減越快。因而，打鉆速度是影響地應力測量精度的敏感因素。

3.3 小孔成型的影響分析

第一：應力解除法要求套芯鉆孔和測量孔有嚴格的同軸度。在實際施工中，套芯鉆孔和測量孔存在或多或少的偏心問題。鉆孔偏心會對圍巖率定實驗產生嚴重的偏差。因而，估算因鉆孔偏心引起的誤差對測量地應力有著顯著的精度影響。

鉆孔出現偏心現象后，其內部應力分布狀態(tài)將發(fā)生明顯的變化，根據程惠紅、邵兆剛[5]的數值模擬表明，當鉆孔出現偏心時，無論應力的分布狀態(tài)還是應力大小與同心鉆孔相比均發(fā)生了明顯的改變。

第二：當小孔成孔質量不高時，會存在較大裂隙。因此空心包體應力計與鉆孔間的膠結問題是應力解除法成功與否的關鍵所在。通過對因膠結質量失敗的地應力測量分析得出：①小孔所處地理條件直接影響并反應了所測點地應力狀態(tài)，觀察小孔巖芯狀態(tài)是解決問題的最簡單方法。②嚴格按照小孔規(guī)格鉆孔，打鉆過程應規(guī)范而有條理。③空心包體安裝過程應按照鉆孔長度精確送入。當使用鉆機推進時，應低速緩慢推進，包體碰觸小孔孔底時，鉆機有輕微阻滯感。繼續(xù)推進至鉆桿繃直，無法前進，即安裝成功。也可通過確定進尺長度來完成安裝。

3.4 巖石力學性質的影響分析

不僅應力解除法，幾乎所有的地應力測量方法，都需對巖石力學性質作一定的了解。即便處于同一地區(qū)，不同巖性的原巖應力也不會相同。處于不同巖石力學性質下的地應力測量數值模擬分析[6]顯示，巖石的彈性模量、屈服強度、邊界應力對地應力精度的影響較為顯著。其結果同樣可由長江三峽庫區(qū)秭歸測孔的頁巖段測值對比分析得出。如不同測點地應力數值比較分析應建立在相關的巖性分析矯正和同一深度的基礎上，否則是沒有實際意義的。

4 張集煤礦實驗巷道地應力實測分析

4.1 礦區(qū)概況

張集礦位于謝橋向斜北翼，地處陳橋背斜的東南傾伏端，總體形態(tài)為呈扇形展布的單斜構造，地層走向呈不完整的弧形轉折。西段地層走向在北西75°左右，中段急轉東西，北東方向，至北段大致向正北延伸。地層傾角平緩穩(wěn)定，中央石門以西為10°左右，以東2～5°，工業(yè)場地以南至向斜軸一般為15°，局部30°，并有明顯的波狀起伏。

礦井北部邊緣及煤礦主體是一組以北西向為主的正斷層，北部邊緣斷層走向大致平行于陳橋背斜軸，呈樹枝狀發(fā)育。往南，斷層走向逐漸向南偏轉?？傮w上，斷層圍繞著背斜的轉折端，組成了放射狀的斷裂系統(tǒng)，顯示出背斜在褶皺隆起過程中的張裂性質；在變位特征上，該組正斷層大多向南傾斜，呈現出由北向南逐漸下降的階梯式組合。

礦井南緣向斜的深處，是與推覆構造有關的一組逆沖或反沖斷層，平面上，它們大體平行于謝橋向斜軸和阜鳳斷層伸展，是推覆斷裂的分枝，垂向上，呈波狀及鏟式形態(tài)，深延并匯入主推覆面。

4.2 地應力測量

為了確定淮南張集煤礦某試驗巷道地應力狀態(tài)，采用空心包體測量方法分別在一灰疏水巷六號，七號鉆場兩個點進行地應力測量。測點均布置在巷道幫部，鉆孔深度為12m，上傾5°，測量所采用應力計為澳大利亞CSIRO型應力計的改進型。

4.3 測量結果

本次測量旨在指導試驗巷道走向及支護布置，對所布測點共測得兩組有效數據。因井下條件復雜，測點測試失敗后均進行重新掏眼，至測得成功數據(圖2、圖3)為止。測量結果見表1。

圖2 六號鉆場測點應力解除曲線

圖3 七號鉆場測點應力解除曲線

表1 測點主應力計算結果

測點深度/m主應力大小/MPa方位角/(°)傾角/(°)一灰疏水巷六號鉆場-536σ137.10104.02.08σ223.899.89-63.29σ313.92195.0826.63一灰疏水巷七號鉆場-566σ131.33112.5-4.55σ224.4611.88-72.78σ314.43203.3-9.71

4.4 測量結果分析

在張集煤礦一灰疏水巷六號鉆場，所測得最大主應力為37.10MPa，方位角為104.0°，最大主應力與水平面的夾角為2.08°；在七號鉆場，所測得最大主應力為31.33MPa，方位角為112.5°，最大主應力與水平面的夾角為-4.55°。

所測得最大水平主應力方向為NW～SE向，且遠大于中間主應力和最小主應力。說明該巷道所在區(qū)域地應力場是以水平構造應力為主導。本次測量各個主應力均為壓應力，沒有出現拉應力的現象。豎向應力略大于單位面積上覆巖層的重量。

根據一灰疏水巷布置，巷道走向近乎垂直于最大水平主應力方向，應加強巷道頂底板穩(wěn)定性的監(jiān)控。巷道支護設計應側重于提高巷道開挖后早期頂板的穩(wěn)定性，控制圍巖的早期過大變形。

5 結語

通過研究測點布置、鉆孔過程、小孔成型、巖石力學性質等因素對應力解除法測量煤礦地應力精度影響，在張集煤礦一灰疏水巷進行了地應力測試，測試結果滿足地應力測試結果的影響。張集煤礦一灰疏水巷六號鉆場，所測得最大主應力為37.10MPa，方位角為104.0°；在七號鉆場，所測得最大主應力為31.33MPa，方位角為112.5°，對實驗巷道的支護布置起到了指導作用，減輕了巷道支護難度，加快了巷道掘進速度。

在煤礦，應用比較廣泛的地應力測量方法是空心包體應力解除法和水壓致裂法。在應力解除法方面，我國多個單位和部門均組織了地應力測量隊伍，極大的補充了多范圍，多水平的地應力數據。然而，由于煤礦井下環(huán)境的特殊性，對測量儀器與設備的技術性能與可靠性提出了很高要求。新的測量方法及較差環(huán)境下測量地應力也有待研究。本文論述旨在為應力解除法地應力測量研究提供參考價值，提高數據質量，更好的為實際工程建設服務。

[1] 蔡美峰． 地應力測量原理與技術[M]． 北京: 科學出版社， 2000．

[2] 張重遠, 吳滿路, 陳群策，等. 地應力測量方法綜述[J]. 河南理工大學學報：自然科學版, 2012(3):305-309.

[3] 倪興華. 地應力研究與應用[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社, 2006.

[4] 譚成軒, 孫葉, 王連捷. 地應力測量值得注意的若干問題[J]. 地質力學學報, 2003，9(3):275-280.

[5] 邵兆剛, 孟憲剛. 鉆孔偏心—套芯法地應力測量中的一個不可忽視的問題[J]. 地質與勘探,2003,39(5):91-94.

[6] 孫禮健，鉆孔過程對地應力測量精度影響的數值模擬研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2009.

[7] 景鋒, 盛謙，張勇慧，等. 我國原位地應力測量與地應力場分析研究進展[J]. 巖土力學, 2011，32(S2):51-58.

[8] 石永生, 張宏偉, 郭守泉, 等. 空芯包體測量方法的應用及巷道穩(wěn)定性分析[J]. 煤炭科學技術, 2006(2):90-92.

[9] 白金朋, 彭華等. 深孔空心包體法地應力測量儀及其應用實例[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(5): 902-908.

[10] 葛修潤, 侯明勛. 三維地應力 BWSRM 測量新方法及其測井機器人在重大工程中的應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2011, 30(11): 2161-2180.

[11] 康紅普, 吳志剛，高富強，等. 煤礦井下地質構造對地應力分布的影響[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(S1): 2674-2680.