杜家村矿地应力测试试验

朱衍利 薛华俊 李 晓

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

0 引言

地应力是存在于地壳内部未受扰动的天然应力，主要受重力作用和构造运动影响，其中水平构造运动对地应力的影响最大。地球无数次不同程度的构造运动过程中，应力场的多次叠加、牵引和改造影响，导致了地层中某一区域的地应力不可能通过数学计算或建模分析直接获取。采矿工程中，若要研究岩体力学属性、上覆岩层的运移破坏规律、围岩稳定性分析与控制等，必须通过地应力测量真实的掌握地应力状态[1-5]。因此，本文为了有利于杜家村矿巷道围岩控制进行了地应力测试研究。

1 工程概况

杜家村井田位于宁武向斜的东翼，其基本构造形态为单斜构造，地层走向北东，倾向北西，倾角一般为30°～35°，最大45°，在井田的东南角发育有两条断裂构造，断裂带附近可见近直立地层。井田内未发现有陷落柱和岩浆岩侵入。杜家村正断层:横穿井田南部，跨井田东南角，断层走向北东—南西，断层面倾向南东，倾角73°。在上村北沟内见O2灰岩与P1x黄绿色中粒砂岩，灰黄色砂质泥岩接触。杜家村北沟内见Pls2灰色泥岩、砂质泥岩与P2s2紫红色砂质泥岩接触，断距约200 m，东西两端延出井田。在杜家村正断层北，木头沟东侧，根据地层出露情况，在黄土中推测有一断距45 m的正断层，走向北北东，倾向南东东，与杜家村正断层在区南界外斜交。

2 测试原理

地应力测量的目的就是要确定岩体内某一点的三维应力状态。岩体中一点的三维应力状态可由坐标系中的六个应力分量来表示，如图1所示，在无扰动情况下，六个应力分量相对平衡，无法测得。只有通过扰动(如打钻孔)，使原平衡被打破，继而会形成新的平衡状态，在两种平衡状态之间，通过传感器将岩体应变和位移的变化数据记录下来，获得测量数据。根据岩石的应力—应变本构关系，建立相应的力学计算模型，再根据观测到的应变或位移数据，就能计算出测点地应力的六个分量或三个主应力的状态(大小和方向)。

测量地应力最常用的两种方法是二维水压致裂法和单个孔测量一点三维应力状态的套孔应力解除法，通过对比发现水压致裂法虽然是一种二维地应力测量方法，但是能够测量地壳深部的地应力，不是测量不够精确。在对山西地区地质构造分布规律研究的基础上，结合对杜家村矿的地质构造规律和区域构造应力场特征的认识，为了对杜家村煤矿的地应力进行精确测量，选用空芯包体套孔应力解除法进行地应力测量方法。

3 测试过程及结果分析

3.1 测试仪器

本次测试采用CSIRO型空芯包体应变计，为消除温度变化可能对测量结果造成的影响，在应力计的顶部加设了一个补偿应变片。应变仪为KBJ型智能数字应变仪(北京泰瑞金星仪器有限公司研制，测试精度达到0.1%)。定位器、测试泊松比和岩芯弹模的率定器均为中国地质科学院地质力学研究所研制，如图2，图3所示。

3.2 测试过程

本文采用空芯包体(类环氧树脂三轴应变法)套孔应力解除法，主要通过打钻孔解除原岩应力，现场设计的钻孔应力解除技术主要有以下几个步骤:

1)打大孔:用定向钻机向围岩钻进应力解除孔，设计孔深12 m，直径130 mm，保证钻孔有上倾3°～5°的角度，便于降温水的流出和清洗钻孔。

2)做锥形孔底:为保证后面的小孔与大孔同心，在孔深达到12 m时换锥形钻头做锥形孔底。

3)打小孔:用特制的小钻头继续向里打φ36 mm，深200 mm的小孔。

4)清洁小孔:先后用风管、蘸有酒精的湿毛巾、干毛巾清理小孔，保证包体与小孔岩壁粘结牢固。

5)安全包体:将装有粘结剂的包体固定在定向器上，通过不断接长推杆慢慢地将其送入小孔，送入过程中注意固定销的剪断。

6)拔出定向器，分级深度(3 cm)钻进解除套芯，记录数据。

3.3 测试分析

本文主要测试了三个钻孔，其中Ⅰ号钻孔，最大主应力σ1=6.64 MPa，方位角为 205°，倾角为 1°;Ⅱ号钻孔，最大主应力 σ1=13.36 MPa，方位角为 184°，倾角为 －28°;最大主应力方向近似水平方向，其值约为竖直应力的1.04～1.38之间，矿井的地应力场是以水平构造应力为主导的;最大主应力的走向方位角在184°～205°之间，为北东—南西方向，与杜家村断层的夹角小于45°，符合规律。

同时，本区位于中国北部巨型的祁吕贺兰山字形构造系东翼中段的内侧，山西地块中北部，吕梁隆起北段之东翼，来自北西西(鄂尔多斯地区)方向的压应力，在宁武煤盆地东缘形成一系列逆断层和褶曲。在宁武煤盆地的东缘，由于受到五台古老地块的抵抗，也形成了逆断层，这样就形成了宁武煤盆地南部的构造形态。构造线总体方向为北北东—南南西向。除此之外，在煤盆地轴部，受边缘构造影响较小，还局部保留有与山西陆台南北向翅起同时形成的南北向褶曲的残留部分。

杜家村煤田位于宁武煤盆地的东缘，以断裂构造为主，褶曲为辅。井田内发育有两条断裂构造，受断层影响，最大主应力方向与断层夹角小于45°，符合规律。

4 结语

1)通过测试表明，杜家村煤矿最大主应力方向为近似水平方向，其值约为竖直应力的1.04～1.38之间，矿井的地应力场是以水平构造应力为主导的;2)该矿井田最大主应力的走向方位角在184°～205°之间，为北东—南西方向，这与杜家村矿井的地质条件相吻合。

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