深部岩体地应力测试分析研究

李季LI Ji；段燕伟DUAN Yan-wei

（①黑龙江龙煤鸡西矿业有限责任公司，鸡西 158100；②黑龙江科技大学，哈尔滨 150022）

0 引言

原岩应力是指未受工程扰动的原始应力状态，是由于自重和周围构造产生的，其应力状态对区域岩体结构的稳定性起着至关重要的作用，是影响地下工程岩体稳定性的主要来源和根本途径，是制约煤矿进入深部开采的瓶颈[1]。通过对原岩应力的测量和分析可以对围岩的稳定性进行分类，从而采取相应的措施加固围岩的稳定性，进而从安全性和科学性两方面实现地下工程的设计和实施[2]。关于深部地应力分布规律，国内学者开展了大量的研究。贺永胜[3]等从理论上探讨了高地应力的判别标准，并总结了国内外地应力测量方法，介绍了最新深部地应力测试技术以及发展趋势。张君鹏[4]利用解除应力法，测试了某金属矿的原岩应力及其分布规律。赵星光等[5]通过深部地应力测试，为地下实验室选址提供了边界条件基础。赵景辉等[6]通过对煤储层地应力的测试和分类分析，为煤层气的开采提供理论支撑。基于此，本文以东荣二矿为背景，采用应力解除法，获取地应力分布情况，为围岩稳定性控制提供了数据基础。因此，获得围岩地应力分布状态对深部巷道围岩稳定性控制研究具有重要意义。

1 地应力测试方法及原理

1.1 测试方法

随着科技的进步发展，人们对地应力的认识有所深化，测量技术和设备也相应的有所提高，但是限于岩体本身的非均质及地壳运动的复杂性，目前除了以现场实测的手段外，还没有办法通过建立模型来还原地应力分布状态。现场实测手段根据其测量原理可分为三大类：

地质测绘法：根据区域地质构造特征和井下钻孔破坏状况等信息，通过相关计算来确定应力方向。该方法可以分为：钻孔破坏信息、地质构造信息、井下应力测绘。

地球物理法：通过测量岩体中的电阻率、波速特征及声发射等物理量的变化情况为依据的。该方法可以分为：波速法、X射线法、声发射法。

岩石力学法：通过测得在原岩应力下岩体的应力应变来测得地应力。该方法又可以分为应力恢复法、应力接触法、水压致裂法。其中水压致裂法和应力解除法经常被应用在煤矿工程中。而又因为水压致裂法存在成本高、效率低、工程量大等问题，鉴于上述现场问题，故此次采用应力解除法。

1.2 测量原理

地应力是指地下岩体内部未受工程扰动的原始应力，是由自重应力和地壳构造运动产生的构造应力组成，并积存在岩体内部，又称为原岩应力，其大小和方向与时间和其空间位置有关。其中构造应力场对工程影响起主要作用，按地应力形成和活动年代可以大致分为地质历史时期的残存地应力和现今地应力。

应力解除法，是通过测量岩体在解除过程中的变形实现的，根据解除应力过程中的变形量推导岩体初始应力状态。首先获得大直径钻孔，利用同心钻孔技术，在大钻孔基础上获得一定深度的同心小钻孔；其次，在小钻孔中安装位移传感器，获得此时的应变数据；最后，利用同心套钻将岩芯从岩体中分离套取，记录分离过程中的应变变化。在岩芯与围岩分离的过程中，围岩约束解除，应力得到释放，围岩逐渐恢复原始状态。测量应力计分布在垂直于钻孔平面的三个方向，这三个方向交汇到一点，从而获得该点的三维应力状态[7]。

在分析三维应力测量的过程中，结合弹塑性理论分析钻孔的变形，并满足以下假设[7]：

①保证岩石是完整的、非渗透性的；

②岩石呈现弹性且各向同性。

设围岩为无限大岩体，在围岩上打一钻孔，则钻孔的影响区域如图1（a）所示，在正应变εz=c的条件下，岩体中的应力为[7]：

图1 无限大岩体钻孔应力坐标系及应力

式中：εr、εθ、εz为正应变，E为弹性模量，γrθ、γrz、γzθ为剪应变，v为泊松比[7]。

钻孔坐标系o-x′y′z′，可由式（13）-（17）得出，坐标系中x′为水平，y′与钻孔轴平行，应力计读数与地应力之间的关系为：

地应力与应变计读数的关系表达式为（19）~（23）。实际上K1与K2很接近，若取K1=K2=K12，则：

式中，Kii为校正系数，i=1，2，3；v代表泊松比；E为岩石的弹性模量。εθ、εα、ε45°、ε-45°为环向、轴向和与孔轴成±45°的应变计的读数，θ为应变计与x轴的夹角[7]。

事实上，应变片与岩石的胶结，造成一定的距离误差，该误差与岩石、环氧树脂的弹性模量及应变计与岩石表面的距离大小有关，系数取值见表1。

表1系数K1、K2、K3、K4值

表中Er－岩石的弹性模量；rs－应变片的径向位置；Ep－环氧树脂的弹性模量。

地应力测量设备如图2。

图2 测量设备

表3东荣二矿各测点主应力计算结果

2 现场操作过程及测点位置

2.1 操作过程

本次地应力测试选用空心包体应变计。其优点为应变计可以很好地胶结在岩石表面上，同时胶结剂可以沿着孔壁的裂缝进入到岩体深部，从而提高了围岩的整体性，进而更易获取完整岩芯[8]。现场测量步骤具体如下：①在选定地点岩体上钻直径为130mm的大直径钻孔，为了便于水流出，钻孔角度向上倾1~3度。为了避免周围工程扰动影响，孔深长度一般为巷道跨度的3倍以上。②将孔底打磨平后，再用锥形钻头将孔底打出一个锥形形状，在换小钻头，从孔底打一个同心小孔。③将空心包体应变计送到小孔后，调节应变片在钻孔中的方向，达到理想位置后，将胶体挤出，使应变计与小孔充分接触，并记下应力计的偏角。④大概在20h后，环氧树脂固化，换大直径钻头开始进行应力解除。

2.2 测点位置选取

东荣二矿南二下采区位于井田中、下部，北起F65断层，南至F2断层，东为南二下延采区（-700m），西为-900m标高；地面标高+67m，埋深约668m~987m。采区走向长约1.35km，倾斜东西宽平均约1.200km，面积1.62km2。本采区相邻采区为：中一上采区、南二上采区及南二下延采区。

中一上采区位于本采区的北部，东起F10断层、西至F51断层及各煤层-500m等高线，南到F65和F9断层、北至各煤层露头，采区平均走向长度2.0km，倾斜宽0.7km，采区含有14、16、17、18、20、24号6个可采煤层，14、16、17、18四层已全部回采结束，现20号、24号层正回采，剩余24层0面未采。南二上及南二下延采区位于本采区的东南部，与本采区相联，北起F72断层，南至F71断层，东为南二上采区（-500m水平），西为-700m标高，为南二上采区的-500m至-700m的延深采区。南二上及南二下延采区可采煤层为16、17、18煤层，现16号煤层、17号煤层、18号煤层已全部回采完毕，采区已结束并注水，现积水标高在-620m左右。根据现场勘查，在东荣二矿安排3个地应力测点，测点钻孔参数表见表2。

表2测点钻孔参数表

3 结果分析

测试结束后，将各应变片采集的数据导入计算机中，并绘出每组应变值-深度变化曲线，通过曲线来判断测量结果是否受到其它外在因素的影响[9]。如果曲线变化规律明显，未出现数据丢失现象，则说明应应变计工作状态良好。当深度未达到指定位置时，各应变值通常较小，甚至为负值，这是由于应力转移引起的。随着钻孔深度的增大，应变值逐渐增大，甚至发生突增现象，而应变值最终都为正值。当钻头通过测量位置时，出现最大应变值；钻头通过测量断面后，应变值开始逐渐平稳，最终出现某一稳定值，该值作为计算地应力的基础数据[10-11]。

根据东荣二矿三个测点测得的应变数据、岩石力学参数及钻孔的几何参数，可以得出各个测点的地应力分量及大小和方向，测量结果见表3。

由东荣二矿各测点主应力测量结果可以看出：①三个测点中σmax最大为37.25MPa，最小为30.96MPa；σmid最大为19.38MPa，最小为15.15MPa；σmin中最大为18.36MPa，最小为14.57MPa。②从3个测点测得的数据中，最大主应力中倾角最小的是1#测点，只有-2.54°，几乎是水平的；另外2个位于9°以下，也是非常接近于水平的，故最大主应力位于近水平方向。③三个测点中最大水平主应力的走向，平均为146.31°，近似于北西~南东向，基本与区域构造应力场最大主应力的方向一致。

4 结论

①用套孔应力解除法和空心包体应变计测得东荣二矿3个不同标高测点的地应力数据得出，三个测点的最大水平应力最大值为37.25MPa，最小为30.96MPa；最小水平主应力最大值为19.38MPa，最小值为15.15MPa；垂直应力最大值为18.36MPa，最小值为14.57MPa。说明东荣二矿地应力场在量值上属于中等偏高地应力场。②最大水平主应力的走向，平均为146.31°，近似于北西-南东向，基本与区域构造应力场最大主应力的方向一致。巷道两帮受垂直应力影响较大，顶底板受水平应力影响较大。