楊仁樹，陳 駿，薛華俊，陳 程，王文博

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

人們認(rèn)識(shí)地應(yīng)力已經(jīng)有百年的歷史。從世界范圍看，地應(yīng)力的研究涵蓋了地質(zhì)、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(zhì)學(xué)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(yīng)力的概念。地應(yīng)力作為影響地表及地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素之一，越來越受到科學(xué)界和工程界的重視。大量工程實(shí)踐表明，地質(zhì)災(zāi)害與地應(yīng)力狀態(tài)有著密切關(guān)系，研究地質(zhì)災(zāi)害首先從地應(yīng)力入手已經(jīng)成為工程界的共識(shí)。相較而言，煤礦地應(yīng)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(kuò)大和向深部發(fā)展，一些由地應(yīng)力引起的煤礦災(zāi)害令人反思。以固有力學(xué)公式計(jì)算得到的地應(yīng)力資料已經(jīng)無法滿足實(shí)際的需要，嚴(yán)重制約了技術(shù)的發(fā)展提高[1]。因此，近年來以煤礦為基礎(chǔ)的地應(yīng)力測(cè)試得以大力推廣實(shí)施，在取得了一定成果的同時(shí)，由于地應(yīng)力測(cè)試隊(duì)伍技術(shù)水平參差不齊，在方法和操作上沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，形成了我國(guó)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)多但不成體系，嘗試多但成功率不高的現(xiàn)狀。通過對(duì)多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)測(cè)，本文對(duì)影響應(yīng)力解除法測(cè)量煤礦地應(yīng)力精度的幾個(gè)因素進(jìn)行了分析研究，如測(cè)點(diǎn)布置，鉆孔過程，成孔條件等。這不僅有助于提高對(duì)應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力的理性認(rèn)識(shí)，而且對(duì)今后發(fā)展更完善的地應(yīng)力測(cè)試方法具有一定的指導(dǎo)作用。

1 應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力的原理

原巖應(yīng)力測(cè)量就是確定擬開挖巖體及其周圍區(qū)域未受擾動(dòng)的巖體的三維地應(yīng)力狀態(tài)。為了進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，通常需要預(yù)先開挖一些硐室以便人和設(shè)備進(jìn)入測(cè)點(diǎn)，然而只要硐室一開，硐室周圍巖體中的應(yīng)力狀態(tài)就受到了擾動(dòng)。為了克服這個(gè)問題，我們?cè)陧鲜冶砻嫦驇r體中打小孔，直至原巖應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力測(cè)量是在小孔中進(jìn)行的。在目前國(guó)內(nèi)常用的地應(yīng)力測(cè)量方法中，水壓致裂法，壓磁應(yīng)力解除法，空心包體應(yīng)力解除法均屬此類。[2]

應(yīng)力解除法的基本原理就是，當(dāng)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(huì)發(fā)生膨脹變形，測(cè)量出應(yīng)力解除后的此塊巖石的三維膨脹變形，并通過現(xiàn)場(chǎng)彈模率定確定其彈性模量，則由線性虎克定律即可計(jì)算出應(yīng)力解除前巖體中應(yīng)力的大小和方向。簡(jiǎn)單的說，應(yīng)力解除法就是在巖石中先打一個(gè)測(cè)量鉆孔，將應(yīng)力傳感器安裝在測(cè)孔中并觀測(cè)讀數(shù)，然后在測(cè)量孔外同心套鉆鉆取巖芯，使巖芯與圍巖脫離，巖芯上的應(yīng)力因解除而恢復(fù)，根據(jù)應(yīng)力解除前后儀器所測(cè)得的差值，即可計(jì)算出應(yīng)力的大小和方向。[3]

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

圖1 空心包體應(yīng)力解除法的測(cè)量步驟

2 應(yīng)力解除法的新發(fā)展

2.1 深孔空心包體地應(yīng)力測(cè)量?jī)x

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所[9]發(fā)明了用于深孔地應(yīng)力測(cè)量的深孔空心包體地應(yīng)力測(cè)量?jī)x，解決了傳統(tǒng)應(yīng)力解除儀器只適用于淺孔的問題。該種儀器是將應(yīng)變儀、應(yīng)力計(jì)、電子羅盤、壓力傳感器、溫度計(jì)等集成于一體的無電纜微型探頭，可用于深孔地應(yīng)力解除測(cè)量，克服了以往深孔應(yīng)力解除法中因?qū)Ь€引起的困難。實(shí)際應(yīng)用于上海市浦東地震監(jiān)測(cè)中心張江觀測(cè)孔，并獲得成功。

2.2 鉆孔局部壁面應(yīng)力解除法(BWSRM)

中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所與上海交通大學(xué)[10]提出了一種新的三維地應(yīng)力測(cè)量方法：鉆孔局部壁面應(yīng)力解除法。BWSRM 是利用側(cè)壁取芯技術(shù)，在測(cè)點(diǎn)附近幾個(gè)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(yīng)力測(cè)井機(jī)器人。并在錦屏水電站科研試驗(yàn)硐成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量。

3 影響煤礦地應(yīng)力測(cè)量精度的因素

3.1 選擇測(cè)點(diǎn)的影響分析

煤礦井下條件復(fù)雜，在不影響礦井生產(chǎn)建設(shè)和原巖應(yīng)力數(shù)據(jù)不受干擾前提下，選擇一條適合進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量的巷道很不容易。

首先，滿足基本的測(cè)點(diǎn)布置條件，如：保證測(cè)點(diǎn)處于原巖應(yīng)力狀態(tài)未受擾動(dòng)地區(qū)；測(cè)點(diǎn)應(yīng)避開巖石破碎帶，斷裂發(fā)育帶；測(cè)點(diǎn)應(yīng)符合礦區(qū)整體規(guī)劃，對(duì)巷道布置有指導(dǎo)作用。[4]

其次,布置測(cè)點(diǎn)前，應(yīng)了解礦區(qū)規(guī)劃圖，掌握測(cè)點(diǎn)所在地理位置的地表構(gòu)造；詳查煤層柱狀圖，優(yōu)先選擇巖石巷道進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)對(duì)測(cè)試巷道實(shí)際情況充分掌握后，即便巷道為煤巷、半煤巖巷，在進(jìn)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(cè)點(diǎn)應(yīng)能保證整個(gè)測(cè)試過程的連續(xù)性。一般情況下，完成一個(gè)測(cè)孔的地應(yīng)力測(cè)量(按測(cè)試兩次計(jì)算)，需要4～5天時(shí)間。在此期間，應(yīng)保證鉆機(jī)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(dòng)應(yīng)不少于100m距離，且有良好的排水走電途徑，符合工程實(shí)際。

3.2 鉆孔過程的影響分析

鉆孔過程包括兩個(gè)部分：測(cè)量前的打鉆過程和測(cè)量時(shí)的取芯過程。

應(yīng)力解除法較之水壓致裂法，其優(yōu)點(diǎn)在于只需要鉆一個(gè)孔就可以知道該點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。特別對(duì)煤礦而言，應(yīng)用應(yīng)力解除法進(jìn)行測(cè)量省時(shí)省力，且能提供最準(zhǔn)確的原巖應(yīng)力數(shù)據(jù)。這就要求在打眼的過程中，有更高效率、低誤差的技術(shù)過程輔助測(cè)量。選用鉆機(jī)時(shí)，一般的探水及瓦斯鉆機(jī)均可使用，最好為立軸式巖芯鉆機(jī)。開始鉆孔前，應(yīng)計(jì)算導(dǎo)孔仰角和方位角，準(zhǔn)確定位鉆機(jī)并安設(shè)。開始鉆孔后，鉆機(jī)角度不能發(fā)生變化，應(yīng)保持到全部測(cè)量過程結(jié)束。

鉆直徑為36mm的安裝孔時(shí)，應(yīng)使用錐形鉆頭來保證大小鉆孔同心。鉆機(jī)速度應(yīng)盡可能放慢，以得到較好巖芯。小孔鉆完后，最好空出適當(dāng)時(shí)間使小孔干燥適合安裝應(yīng)力計(jì)。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(zhì)量不高，安裝應(yīng)力計(jì)時(shí)容易卡住。另外，必須準(zhǔn)確掌握鉆孔深度，包括大鉆孔，小鉆孔各段長(zhǎng)度。了解鉆孔數(shù)據(jù)并通過探孔工序仔細(xì)測(cè)量核對(duì)，待數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤后再進(jìn)行安裝，否則容易導(dǎo)致失敗。

測(cè)量過程中，鉆頭運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力測(cè)量精度的影響可以根據(jù)相關(guān)的數(shù)值模擬[5-6]得到：打鉆初期鉆孔周圍y向位移較大，呈現(xiàn)明顯的環(huán)狀分布，遠(yuǎn)離鉆孔處受到的擾動(dòng)較小。隨著打鉆的進(jìn)行，y向位移呈現(xiàn)明顯的垂向?qū)訝罘植记抑饾u衰減。并得出，打鉆速度越快，產(chǎn)生的最大峰值應(yīng)力越大，衰減越快。因而，打鉆速度是影響地應(yīng)力測(cè)量精度的敏感因素。

3.3 小孔成型的影響分析

第一：應(yīng)力解除法要求套芯鉆孔和測(cè)量孔有嚴(yán)格的同軸度。在實(shí)際施工中，套芯鉆孔和測(cè)量孔存在或多或少的偏心問題。鉆孔偏心會(huì)對(duì)圍巖率定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。因而，估算因鉆孔偏心引起的誤差對(duì)測(cè)量地應(yīng)力有著顯著的精度影響。

鉆孔出現(xiàn)偏心現(xiàn)象后，其內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)將發(fā)生明顯的變化，根據(jù)程惠紅、邵兆剛[5]的數(shù)值模擬表明，當(dāng)鉆孔出現(xiàn)偏心時(shí)，無論應(yīng)力的分布狀態(tài)還是應(yīng)力大小與同心鉆孔相比均發(fā)生了明顯的改變。

第二：當(dāng)小孔成孔質(zhì)量不高時(shí)，會(huì)存在較大裂隙。因此空心包體應(yīng)力計(jì)與鉆孔間的膠結(jié)問題是應(yīng)力解除法成功與否的關(guān)鍵所在。通過對(duì)因膠結(jié)質(zhì)量失敗的地應(yīng)力測(cè)量分析得出：①小孔所處地理?xiàng)l件直接影響并反應(yīng)了所測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力狀態(tài)，觀察小孔巖芯狀態(tài)是解決問題的最簡(jiǎn)單方法。②嚴(yán)格按照小孔規(guī)格鉆孔，打鉆過程應(yīng)規(guī)范而有條理。③空心包體安裝過程應(yīng)按照鉆孔長(zhǎng)度精確送入。當(dāng)使用鉆機(jī)推進(jìn)時(shí)，應(yīng)低速緩慢推進(jìn)，包體碰觸小孔孔底時(shí)，鉆機(jī)有輕微阻滯感。繼續(xù)推進(jìn)至鉆桿繃直，無法前進(jìn)，即安裝成功。也可通過確定進(jìn)尺長(zhǎng)度來完成安裝。

3.4 巖石力學(xué)性質(zhì)的影響分析

不僅應(yīng)力解除法，幾乎所有的地應(yīng)力測(cè)量方法，都需對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)作一定的了解。即便處于同一地區(qū)，不同巖性的原巖應(yīng)力也不會(huì)相同。處于不同巖石力學(xué)性質(zhì)下的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)值模擬分析[6]顯示，巖石的彈性模量、屈服強(qiáng)度、邊界應(yīng)力對(duì)地應(yīng)力精度的影響較為顯著。其結(jié)果同樣可由長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)秭歸測(cè)孔的頁(yè)巖段測(cè)值對(duì)比分析得出。如不同測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力數(shù)值比較分析應(yīng)建立在相關(guān)的巖性分析矯正和同一深度的基礎(chǔ)上，否則是沒有實(shí)際意義的。

4 張集煤礦實(shí)驗(yàn)巷道地應(yīng)力實(shí)測(cè)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(gòu)造，地層走向呈不完整的弧形轉(zhuǎn)折。西段地層走向在北西75°左右，中段急轉(zhuǎn)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(chǎng)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?yàn)橹鞯恼龜鄬?，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(zhuǎn)?？傮w上，斷層圍繞著背斜的轉(zhuǎn)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(zhì)；在變位特征上，該組正斷層大多向南傾斜，呈現(xiàn)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(gòu)造有關(guān)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(yīng)力測(cè)量

為了確定淮南張集煤礦某試驗(yàn)巷道地應(yīng)力狀態(tài)，采用空心包體測(cè)量方法分別在一灰疏水巷六號(hào)，七號(hào)鉆場(chǎng)兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。測(cè)點(diǎn)均布置在巷道幫部，鉆孔深度為12m，上傾5°，測(cè)量所采用應(yīng)力計(jì)為澳大利亞CSIRO型應(yīng)力計(jì)的改進(jìn)型。

4.3 測(cè)量結(jié)果

本次測(cè)量旨在指導(dǎo)試驗(yàn)巷道走向及支護(hù)布置，對(duì)所布測(cè)點(diǎn)共測(cè)得兩組有效數(shù)據(jù)。因井下條件復(fù)雜，測(cè)點(diǎn)測(cè)試失敗后均進(jìn)行重新掏眼，至測(cè)得成功數(shù)據(jù)(圖2、圖3)為止。測(cè)量結(jié)果見表1。

圖2 六號(hào)鉆場(chǎng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力解除曲線

圖3 七號(hào)鉆場(chǎng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力解除曲線

表1 測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

測(cè)點(diǎn)深度/m主應(yīng)力大小/MPa方位角/(°)傾角/(°)一灰疏水巷六號(hào)鉆場(chǎng)-536σ137.10104.02.08σ223.899.89-63.29σ313.92195.0826.63一灰疏水巷七號(hào)鉆場(chǎng)-566σ131.33112.5-4.55σ224.4611.88-72.78σ314.43203.3-9.71

4.4 測(cè)量結(jié)果分析

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

所測(cè)得最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W～SE向，且遠(yuǎn)大于中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。說明該巷道所在區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。本次測(cè)量各個(gè)主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力的現(xiàn)象。豎向應(yīng)力略大于單位面積上覆巖層的重量。

根據(jù)一灰疏水巷布置，巷道走向近乎垂直于最大水平主應(yīng)力方向，應(yīng)加強(qiáng)巷道頂?shù)装宸€(wěn)定性的監(jiān)控。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)側(cè)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(jié)語(yǔ)

通過研究測(cè)點(diǎn)布置、鉆孔過程、小孔成型、巖石力學(xué)性質(zhì)等因素對(duì)應(yīng)力解除法測(cè)量煤礦地應(yīng)力精度影響，在張集煤礦一灰疏水巷進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的影響。張集煤礦一灰疏水巷六號(hào)鉆場(chǎng)，所測(cè)得最大主應(yīng)力為37.10MPa，方位角為104.0°；在七號(hào)鉆場(chǎng)，所測(cè)得最大主應(yīng)力為31.33MPa，方位角為112.5°，對(duì)實(shí)驗(yàn)巷道的支護(hù)布置起到了指導(dǎo)作用，減輕了巷道支護(hù)難度，加快了巷道掘進(jìn)速度。

在煤礦，應(yīng)用比較廣泛的地應(yīng)力測(cè)量方法是空心包體應(yīng)力解除法和水壓致裂法。在應(yīng)力解除法方面，我國(guó)多個(gè)單位和部門均組織了地應(yīng)力測(cè)量隊(duì)伍，極大的補(bǔ)充了多范圍，多水平的地應(yīng)力數(shù)據(jù)。然而，由于煤礦井下環(huán)境的特殊性，對(duì)測(cè)量?jī)x器與設(shè)備的技術(shù)性能與可靠性提出了很高要求。新的測(cè)量方法及較差環(huán)境下測(cè)量地應(yīng)力也有待研究。本文論述旨在為應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量研究提供參考價(jià)值，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，更好的為實(shí)際工程建設(shè)服務(wù)。

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