岩石力学实验在地应力测试中的应用

牛志力,孟燕，郑元忠,马晓东,周长祥,舒磊

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部济南矿产资源监督检测中心，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室,山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100；3.济南贝克矿山工程技术服务有限公司，山东 济南 250031)

0 引言

对矿山开采而言，地应力是引起采矿工程围岩与支护变形、破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多影响巷道围岩稳定性的因素中，地应力是最主要和最根本的因素之一[1]。

现有的地应力实测方法很多，但比较常用的方法可以归纳为三类，即应力解除法、水压致裂法、应力恢复法[2]。目前应用较广泛的方法为套芯应力解除法[3]。鲁西南济宁煤田安居煤矿煤层埋深已达980m，开采深度大，地压显现明显，并有进一步发展的趋势。因此，针对开采深度较大的安居煤矿而言，开展地应力实测工作是十分必要的[4]。本文结合安居煤矿地应力测试工程，就岩石力学实验在地应力测试中的应用进行了探讨。

1 应力解除法的基本原理

应力解除法的基本原理是，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，测量出应力解除后此块岩石的三维膨胀变形，并通过试验室岩石力学实验确定其弹性模量、泊松比，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。具体讲，这一方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[5-10]。

2 应力解除法实测的主要过程

在岩体中施工一定深度(扰动区以外)的钻孔，将应力传感器牢固地安装在钻孔中，然后打钻套取岩芯实施应力解除，并在解除的过程中测量由于应力释放而产生的应变[11-12]。

原岩应力测量一般在煤矿井下的巷道中进行，应力钻孔普遍采用在巷道内以一定的仰角向巷道顶板岩体中施工，在完整岩体中安装应力传感器进行应力测量。钻孔施工如图1所示。

图1 应力钻孔施工示意图

在选定地应力测量地点施工导孔及安装孔，在取出的小岩芯完整位置处安装应力传感器。第二天，黏结胶固化24小时后，用取芯钻头套取岩芯实施应力解除，取芯过程中，岩体的应变则由应力计测量出来[13-15]。

3 原岩应力测点布置

安居煤矿原岩应力现场测量工作自2011年5月22日开始，2011年6月15日结束，完成原岩应力测点3个，第1个测点(编号为AJSC-1)位于西翼5#交叉点处，第2个测点(编号为AJSC-2)位于副井井底车场西侧，第3个点(编号为AJSC-3)位于主井井底车场与东部集中大巷交叉点处。

4 原岩应力现场测试

4.1 AJSC-1测点原岩应力实测

2011年5月22日开始在西翼5#交叉点处进行原岩应力的测量，根据现场施工条件及地质条件，确定原岩应力测量钻孔的方位角为270°，钻孔仰角为14°，测点绝对深度为980.0m。应力计的12个应变片随解除距离的应变变化曲线如图2所示。

由图2可以看出，解除开始至解除距离10cm阶段，应变曲线平缓，应变随解除距离的变化幅度很小，说明钻头未推进至应变片位置；当解除距离至10cm后，即接近应变片时，各应变片的应变量突增，应变量由几个微米增加至数百微米，当解除至应变片位置即解除距离达21cm时，应变量达到最大值；当解除通过应变片后，各应变片的应变曲线趋于平缓，解除至25cm后，应变量基本不变，解除至32cm时，应变解除结束。应变解除曲线正常，可作为计算应力的依据。

图2 安居煤矿AJSC-1应力计应力解除曲线

4.2 AJSC-2测点原岩应力实测结果

2011年5月29日开始在副井井底车场西侧进行原岩应力的测量，根据现场施工条件及地质条件，确定原岩应力测量钻孔的方位角为0°，钻孔仰角为17°，测点绝对深度为980m。应力计的12个应变片随解除距离的应变变化曲线如图3所示。

图3 安居煤矿AJSC-2应力解除曲线

由图3可以看出，解除开始至解除距离12cm阶段，应变曲线平缓，应变随解除距离的变化幅度很小，说明钻头未推进至应变片位置；当解除距离至12cm后，即接近应变片时，各应变片的应变量突增，应变量由几个微米增加至数百微米，当解除至应变片位置即解除距离达21cm时，应变量达到最大值；当解除通过应变片后，各应变片的应变曲线趋于平缓，解除至25cm后，应变量基本不变，解除至32cm时，应变解除结束。应变解除曲线正常，可作为计算应力的依据。

4.3 AJSC-3测点原岩应力实测结果

2011年6月5日开始在主井井底车场与东部集中大巷交叉点处进行原岩应力的测量根据现场施工条件及地质条件，确定原岩应力测量钻孔的方位角为205°，钻孔仰角为13°，测点绝对深度为980.0m。应力计的12个应变片随解除距离的应变变化曲线如图4所示。

图4 安居煤矿AJSC-3应力解除曲线

从图4可以看出，解除开始至解除距离10cm阶段，应变曲线平缓，应变随解除距离的变化幅度很小，说明钻头未推进至应变片位置；当解除距离至10cm后，应变量急剧增加，当解除至应变片位置即解除距离达21cm时，应变量增加至最大，随后应变曲线趋于平缓，解除至25cm后，应变量基本不变，解除距离至32cm时，应变解除结束。应变解除曲线正常，可作为计算应力的依据。

5 岩石力学实验

为获得原岩应力实测所需的各种关键的岩石力学参数如弹性模量、泊松比如图5—图7，对本次原岩应力实测采取的岩样送交国土资源部济南矿产资源监督检测中心进行岩石力学试验，检测项目为天然抗压强度、弹性模量和泊松比[16-20]。试验检测结果见表1。

图5 安居煤矿AJSC-1应力—应变曲线

图6 安居煤矿AJSC-2应力—应变曲线

图7 安居煤矿AJSC-3应力—应变曲线

表1 安居煤矿岩石物理力学指标测试结果

6 原岩应力测试结果及分析

安居煤矿采用钻孔套芯应力解除法进行应力测量，原岩应力传感器为空心包体传感器，对应力解除数据、试验室岩石力学实验确定的弹性模量、泊松比及其他有关资料进行了分析计算，计算结果见表2。

表2 安居煤矿原岩应力计算结果

为便于分析，将3个测点的最大主应力、中间主应力和最小主应力的方位角和应力值汇总在立体网格上，如图8所示，最大主应力的方位角集中在117.53°～130.01°，应力值大小在33.19～36.69MPa，而倾角在7.84°～29.45°，说明3个测点最大主应力的倾角均小于±30°，最大主应力均可视为水平应力；最小主应力的方位角集中在222.08°～240.55°，应力值大小在20.91～23.27MPa；中间主应力的方位角集中在26.15°～33.39°，应力值大小在25.88～27.81MPa。

图8 主应力分布立体网格图

原岩应力测量结果表明3个测点最大主应力的倾角均小于±30°，最大主应力均为水平应力，最大水平应力的方向为117.53°～130.01°，最大水平应力大于垂直应力，最大水平应力、最小水平应力、垂直应力以及三者之间的关系列于表3。

表3 安居煤矿原岩应力测量结果

7 主要结论

针对安居煤矿井底车场附近巷道具体地质情况，在井底车场附近巷道布置3个原岩应力测点，采用钻孔套芯应力解除法进行应力测量，对应力解除数据、实验室测得的弹性模量、泊松比及其他有关资料进行了计算和分析，得出安居煤矿井底车场附近原岩应力分布特征：

(1)原岩应力场的最大主应力为水平应力，最大水平应力的大小为33.19～36.69MPa，方向为117.53°～130.01°。

(2)最大水平应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的1.38～1.62倍，对井下岩层的变形破坏方式及矿压显现规律会有明显的影响。

(3)实测的最大水平主应力为最小水平主应力的1.43～1.59倍，水平应力对巷道掘进的影响具有较为明显的方向性。

(4)实测的垂直应力与按照上覆岩层厚度和容重计算的垂直应力基本相近。