巖石力學實驗在地應力測試中的應用

牛志力,孟燕，鄭元忠,馬曉東,周長祥,舒磊

(1.山東省地質科學研究院，國土資源部濟南礦產資源監督檢測中心，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100；3.濟南貝克礦山工程技術服務有限公司，山東 濟南 250031)

0 引言

對礦山開采而言，地應力是引起采礦工程圍巖與支護變形、破壞、產生礦井動力現象的根本作用力，在諸多影響巷道圍巖穩定性的因素中，地應力是最主要和最根本的因素之一[1]。

現有的地應力實測方法很多，但比較常用的方法可以歸納為三類，即應力解除法、水壓致裂法、應力恢復法[2]。目前應用較廣泛的方法為套芯應力解除法[3]。魯西南濟寧煤田安居煤礦煤層埋深已達980m，開采深度大，地壓顯現明顯，并有進一步發展的趨勢。因此，針對開采深度較大的安居煤礦而言，開展地應力實測工作是十分必要的[4]。本文結合安居煤礦地應力測試工程，就巖石力學實驗在地應力測試中的應用進行了探討。

1 應力解除法的基本原理

應力解除法的基本原理是，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生膨脹變形，測量出應力解除后此塊巖石的三維膨脹變形，并通過試驗室巖石力學實驗確定其彈性模量、泊松比，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。具體講，這一方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[5-10]。

2 應力解除法實測的主要過程

在巖體中施工一定深度(擾動區以外)的鉆孔，將應力傳感器牢固地安裝在鉆孔中，然后打鉆套取巖芯實施應力解除，并在解除的過程中測量由于應力釋放而產生的應變[11-12]。

原巖應力測量一般在煤礦井下的巷道中進行，應力鉆孔普遍采用在巷道內以一定的仰角向巷道頂板巖體中施工，在完整巖體中安裝應力傳感器進行應力測量。鉆孔施工如圖1所示。

圖1 應力鉆孔施工示意圖

在選定地應力測量地點施工導孔及安裝孔，在取出的小巖芯完整位置處安裝應力傳感器。第二天，黏結膠固化24小時后，用取芯鉆頭套取巖芯實施應力解除，取芯過程中，巖體的應變則由應力計測量出來[13-15]。

3 原巖應力測點布置

安居煤礦原巖應力現場測量工作自2011年5月22日開始，2011年6月15日結束，完成原巖應力測點3個，第1個測點(編號為AJSC-1)位于西翼5#交叉點處，第2個測點(編號為AJSC-2)位于副井井底車場西側，第3個點(編號為AJSC-3)位于主井井底車場與東部集中大巷交叉點處。

4 原巖應力現場測試

4.1 AJSC-1測點原巖應力實測

2011年5月22日開始在西翼5#交叉點處進行原巖應力的測量，根據現場施工條件及地質條件，確定原巖應力測量鉆孔的方位角為270°，鉆孔仰角為14°，測點絕對深度為980.0m。應力計的12個應變片隨解除距離的應變變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，解除開始至解除距離10cm階段，應變曲線平緩，應變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進至應變片位置；當解除距離至10cm后，即接近應變片時，各應變片的應變量突增，應變量由幾個微米增加至數百微米，當解除至應變片位置即解除距離達21cm時，應變量達到最大值；當解除通過應變片后，各應變片的應變曲線趨于平緩，解除至25cm后，應變量基本不變，解除至32cm時，應變解除結束。應變解除曲線正常，可作為計算應力的依據。

圖2 安居煤礦AJSC-1應力計應力解除曲線

4.2 AJSC-2測點原巖應力實測結果

2011年5月29日開始在副井井底車場西側進行原巖應力的測量，根據現場施工條件及地質條件，確定原巖應力測量鉆孔的方位角為0°，鉆孔仰角為17°，測點絕對深度為980m。應力計的12個應變片隨解除距離的應變變化曲線如圖3所示。

圖3 安居煤礦AJSC-2應力解除曲線

由圖3可以看出，解除開始至解除距離12cm階段，應變曲線平緩，應變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進至應變片位置；當解除距離至12cm后，即接近應變片時，各應變片的應變量突增，應變量由幾個微米增加至數百微米，當解除至應變片位置即解除距離達21cm時，應變量達到最大值；當解除通過應變片后，各應變片的應變曲線趨于平緩，解除至25cm后，應變量基本不變，解除至32cm時，應變解除結束。應變解除曲線正常，可作為計算應力的依據。

4.3 AJSC-3測點原巖應力實測結果

2011年6月5日開始在主井井底車場與東部集中大巷交叉點處進行原巖應力的測量根據現場施工條件及地質條件，確定原巖應力測量鉆孔的方位角為205°，鉆孔仰角為13°，測點絕對深度為980.0m。應力計的12個應變片隨解除距離的應變變化曲線如圖4所示。

圖4 安居煤礦AJSC-3應力解除曲線

從圖4可以看出，解除開始至解除距離10cm階段，應變曲線平緩，應變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進至應變片位置；當解除距離至10cm后，應變量急劇增加，當解除至應變片位置即解除距離達21cm時，應變量增加至最大，隨后應變曲線趨于平緩，解除至25cm后，應變量基本不變，解除距離至32cm時，應變解除結束。應變解除曲線正常，可作為計算應力的依據。

5 巖石力學實驗

為獲得原巖應力實測所需的各種關鍵的巖石力學參數如彈性模量、泊松比如圖5—圖7，對本次原巖應力實測采取的巖樣送交國土資源部濟南礦產資源監督檢測中心進行巖石力學試驗，檢測項目為天然抗壓強度、彈性模量和泊松比[16-20]。試驗檢測結果見表1。

圖5 安居煤礦AJSC-1應力—應變曲線

圖6 安居煤礦AJSC-2應力—應變曲線

圖7 安居煤礦AJSC-3應力—應變曲線

表1 安居煤礦巖石物理力學指標測試結果

6 原巖應力測試結果及分析

安居煤礦采用鉆孔套芯應力解除法進行應力測量，原巖應力傳感器為空心包體傳感器，對應力解除數據、試驗室巖石力學實驗確定的彈性模量、泊松比及其他有關資料進行了分析計算，計算結果見表2。

表2 安居煤礦原巖應力計算結果

為便于分析，將3個測點的最大主應力、中間主應力和最小主應力的方位角和應力值匯總在立體網格上，如圖8所示，最大主應力的方位角集中在117.53°～130.01°，應力值大小在33.19～36.69MPa，而傾角在7.84°～29.45°，說明3個測點最大主應力的傾角均小于±30°，最大主應力均可視為水平應力；最小主應力的方位角集中在222.08°～240.55°，應力值大小在20.91～23.27MPa；中間主應力的方位角集中在26.15°～33.39°，應力值大小在25.88～27.81MPa。

圖8 主應力分布立體網格圖

原巖應力測量結果表明3個測點最大主應力的傾角均小于±30°，最大主應力均為水平應力，最大水平應力的方向為117.53°～130.01°，最大水平應力大于垂直應力，最大水平應力、最小水平應力、垂直應力以及三者之間的關系列于表3。

表3 安居煤礦原巖應力測量結果

7 主要結論

針對安居煤礦井底車場附近巷道具體地質情況，在井底車場附近巷道布置3個原巖應力測點，采用鉆孔套芯應力解除法進行應力測量，對應力解除數據、實驗室測得的彈性模量、泊松比及其他有關資料進行了計算和分析，得出安居煤礦井底車場附近原巖應力分布特征：

(1)原巖應力場的最大主應力為水平應力，最大水平應力的大小為33.19～36.69MPa，方向為117.53°～130.01°。

(2)最大水平應力大于垂直應力，最大水平主應力為垂直應力的1.38～1.62倍，對井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現規律會有明顯的影響。

(3)實測的最大水平主應力為最小水平主應力的1.43～1.59倍，水平應力對巷道掘進的影響具有較為明顯的方向性。

(4)實測的垂直應力與按照上覆巖層厚度和容重計算的垂直應力基本相近。