李季LI Ji；段燕偉DUAN Yan-wei

（①黑龍江龍煤雞西礦業(yè)有限責(zé)任公司，雞西 158100；②黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱 150022）

0 引言

原巖應(yīng)力是指未受工程擾動(dòng)的原始應(yīng)力狀態(tài)，是由于自重和周圍構(gòu)造產(chǎn)生的，其應(yīng)力狀態(tài)對(duì)區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，是影響地下工程巖體穩(wěn)定性的主要來(lái)源和根本途徑，是制約煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采的瓶頸[1]。通過(guò)對(duì)原巖應(yīng)力的測(cè)量和分析可以對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分類，從而采取相應(yīng)的措施加固圍巖的穩(wěn)定性，進(jìn)而從安全性和科學(xué)性兩方面實(shí)現(xiàn)地下工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施[2]。關(guān)于深部地應(yīng)力分布規(guī)律，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。賀永勝[3]等從理論上探討了高地應(yīng)力的判別標(biāo)準(zhǔn)，并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外地應(yīng)力測(cè)量方法，介紹了最新深部地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)以及發(fā)展趨勢(shì)。張君鵬[4]利用解除應(yīng)力法，測(cè)試了某金屬礦的原巖應(yīng)力及其分布規(guī)律。趙星光等[5]通過(guò)深部地應(yīng)力測(cè)試，為地下實(shí)驗(yàn)室選址提供了邊界條件基礎(chǔ)。趙景輝等[6]通過(guò)對(duì)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力的測(cè)試和分類分析，為煤層氣的開(kāi)采提供理論支撐?；诖耍疚囊詵|榮二礦為背景，采用應(yīng)力解除法，獲取地應(yīng)力分布情況，為圍巖穩(wěn)定性控制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，獲得圍巖地應(yīng)力分布狀態(tài)對(duì)深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究具有重要意義。

1 地應(yīng)力測(cè)試方法及原理

1.1 測(cè)試方法

隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，人們對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)有所深化，測(cè)量技術(shù)和設(shè)備也相應(yīng)的有所提高，但是限于巖體本身的非均質(zhì)及地殼運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，目前除了以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段外，還沒(méi)有辦法通過(guò)建立模型來(lái)還原地應(yīng)力分布狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段根據(jù)其測(cè)量原理可分為三大類：

地質(zhì)測(cè)繪法：根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征和井下鉆孔破壞狀況等信息，通過(guò)相關(guān)計(jì)算來(lái)確定應(yīng)力方向。該方法可以分為：鉆孔破壞信息、地質(zhì)構(gòu)造信息、井下應(yīng)力測(cè)繪。

地球物理法：通過(guò)測(cè)量巖體中的電阻率、波速特征及聲發(fā)射等物理量的變化情況為依據(jù)的。該方法可以分為：波速法、X射線法、聲發(fā)射法。

巖石力學(xué)法：通過(guò)測(cè)得在原巖應(yīng)力下巖體的應(yīng)力應(yīng)變來(lái)測(cè)得地應(yīng)力。該方法又可以分為應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力接觸法、水壓致裂法。其中水壓致裂法和應(yīng)力解除法經(jīng)常被應(yīng)用在煤礦工程中。而又因?yàn)樗畨褐铝逊ù嬖诔杀靖?、效率低、工程量大等?wèn)題，鑒于上述現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，故此次采用應(yīng)力解除法。

1.2 測(cè)量原理

地應(yīng)力是指地下巖體內(nèi)部未受工程擾動(dòng)的原始應(yīng)力，是由自重應(yīng)力和地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力組成，并積存在巖體內(nèi)部，又稱為原巖應(yīng)力，其大小和方向與時(shí)間和其空間位置有關(guān)。其中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)工程影響起主要作用，按地應(yīng)力形成和活動(dòng)年代可以大致分為地質(zhì)歷史時(shí)期的殘存地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力。

應(yīng)力解除法，是通過(guò)測(cè)量巖體在解除過(guò)程中的變形實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)解除應(yīng)力過(guò)程中的變形量推導(dǎo)巖體初始應(yīng)力狀態(tài)。首先獲得大直徑鉆孔，利用同心鉆孔技術(shù)，在大鉆孔基礎(chǔ)上獲得一定深度的同心小鉆孔；其次，在小鉆孔中安裝位移傳感器，獲得此時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)；最后，利用同心套鉆將巖芯從巖體中分離套取，記錄分離過(guò)程中的應(yīng)變變化。在巖芯與圍巖分離的過(guò)程中，圍巖約束解除，應(yīng)力得到釋放，圍巖逐漸恢復(fù)原始狀態(tài)。測(cè)量應(yīng)力計(jì)分布在垂直于鉆孔平面的三個(gè)方向，這三個(gè)方向交匯到一點(diǎn)，從而獲得該點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)[7]。

在分析三維應(yīng)力測(cè)量的過(guò)程中，結(jié)合彈塑性理論分析鉆孔的變形，并滿足以下假設(shè)[7]：

①保證巖石是完整的、非滲透性的；

②巖石呈現(xiàn)彈性且各向同性。

設(shè)圍巖為無(wú)限大巖體，在圍巖上打一鉆孔，則鉆孔的影響區(qū)域如圖1（a）所示，在正應(yīng)變?chǔ)舲=c的條件下，巖體中的應(yīng)力為[7]：

圖1 無(wú)限大巖體鉆孔應(yīng)力坐標(biāo)系及應(yīng)力

式中：εr、εθ、εz為正應(yīng)變，E為彈性模量，γrθ、γrz、γzθ為剪應(yīng)變，v為泊松比[7]。

鉆孔坐標(biāo)系o-x′y′z′，可由式（13）-（17）得出，坐標(biāo)系中x′為水平，y′與鉆孔軸平行，應(yīng)力計(jì)讀數(shù)與地應(yīng)力之間的關(guān)系為：

地應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)讀數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為（19）~（23）。實(shí)際上K1與K2很接近，若取K1=K2=K12，則：

式中，Kii為校正系數(shù)，i=1，2，3；v代表泊松比；E為巖石的彈性模量。εθ、εα、ε45°、ε-45°為環(huán)向、軸向和與孔軸成±45°的應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)，θ為應(yīng)變計(jì)與x軸的夾角[7]。

事實(shí)上，應(yīng)變片與巖石的膠結(jié)，造成一定的距離誤差，該誤差與巖石、環(huán)氧樹(shù)脂的彈性模量及應(yīng)變計(jì)與巖石表面的距離大小有關(guān)，系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1系數(shù)K1、K2、K3、K4值

表中Er－巖石的彈性模量；rs－應(yīng)變片的徑向位置；Ep－環(huán)氧樹(shù)脂的彈性模量。

地應(yīng)力測(cè)量設(shè)備如圖2。

圖2 測(cè)量設(shè)備

表3東榮二礦各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程及測(cè)點(diǎn)位置

2.1 操作過(guò)程

本次地應(yīng)力測(cè)試選用空心包體應(yīng)變計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)為應(yīng)變計(jì)可以很好地膠結(jié)在巖石表面上，同時(shí)膠結(jié)劑可以沿著孔壁的裂縫進(jìn)入到巖體深部，從而提高了圍巖的整體性，進(jìn)而更易獲取完整巖芯[8]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量步驟具體如下：①在選定地點(diǎn)巖體上鉆直徑為130mm的大直徑鉆孔，為了便于水流出，鉆孔角度向上傾1~3度。為了避免周圍工程擾動(dòng)影響，孔深長(zhǎng)度一般為巷道跨度的3倍以上。②將孔底打磨平后，再用錐形鉆頭將孔底打出一個(gè)錐形形狀，在換小鉆頭，從孔底打一個(gè)同心小孔。③將空心包體應(yīng)變計(jì)送到小孔后，調(diào)節(jié)應(yīng)變片在鉆孔中的方向，達(dá)到理想位置后，將膠體擠出，使應(yīng)變計(jì)與小孔充分接觸，并記下應(yīng)力計(jì)的偏角。④大概在20h后，環(huán)氧樹(shù)脂固化，換大直徑鉆頭開(kāi)始進(jìn)行應(yīng)力解除。

2.2 測(cè)點(diǎn)位置選取

東榮二礦南二下采區(qū)位于井田中、下部，北起F65斷層，南至F2斷層，東為南二下延采區(qū)（-700m），西為-900m標(biāo)高；地面標(biāo)高+67m，埋深約668m~987m。采區(qū)走向長(zhǎng)約1.35km，傾斜東西寬平均約1.200km，面積1.62km2。本采區(qū)相鄰采區(qū)為：中一上采區(qū)、南二上采區(qū)及南二下延采區(qū)。

中一上采區(qū)位于本采區(qū)的北部，東起F10斷層、西至F51斷層及各煤層-500m等高線，南到F65和F9斷層、北至各煤層露頭，采區(qū)平均走向長(zhǎng)度2.0km，傾斜寬0.7km，采區(qū)含有14、16、17、18、20、24號(hào)6個(gè)可采煤層，14、16、17、18四層已全部回采結(jié)束，現(xiàn)20號(hào)、24號(hào)層正回采，剩余24層0面未采。南二上及南二下延采區(qū)位于本采區(qū)的東南部，與本采區(qū)相聯(lián)，北起F72斷層，南至F71斷層，東為南二上采區(qū)（-500m水平），西為-700m標(biāo)高，為南二上采區(qū)的-500m至-700m的延深采區(qū)。南二上及南二下延采區(qū)可采煤層為16、17、18煤層，現(xiàn)16號(hào)煤層、17號(hào)煤層、18號(hào)煤層已全部回采完畢，采區(qū)已結(jié)束并注水，現(xiàn)積水標(biāo)高在-620m左右。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，在東榮二礦安排3個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)鉆孔參數(shù)表見(jiàn)表2。

表2測(cè)點(diǎn)鉆孔參數(shù)表

3 結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)束后，將各應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，并繪出每組應(yīng)變值-深度變化曲線，通過(guò)曲線來(lái)判斷測(cè)量結(jié)果是否受到其它外在因素的影響[9]。如果曲線變化規(guī)律明顯，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，則說(shuō)明應(yīng)應(yīng)變計(jì)工作狀態(tài)良好。當(dāng)深度未達(dá)到指定位置時(shí)，各應(yīng)變值通常較小，甚至為負(fù)值，這是由于應(yīng)力轉(zhuǎn)移引起的。隨著鉆孔深度的增大，應(yīng)變值逐漸增大，甚至發(fā)生突增現(xiàn)象，而應(yīng)變值最終都為正值。當(dāng)鉆頭通過(guò)測(cè)量位置時(shí)，出現(xiàn)最大應(yīng)變值；鉆頭通過(guò)測(cè)量斷面后，應(yīng)變值開(kāi)始逐漸平穩(wěn)，最終出現(xiàn)某一穩(wěn)定值，該值作為計(jì)算地應(yīng)力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10-11]。

根據(jù)東榮二礦三個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)、巖石力學(xué)參數(shù)及鉆孔的幾何參數(shù)，可以得出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力分量及大小和方向，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

由東榮二礦各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可以看出：①三個(gè)測(cè)點(diǎn)中σmax最大為37.25MPa，最小為30.96MPa；σmid最大為19.38MPa，最小為15.15MPa；σmin中最大為18.36MPa，最小為14.57MPa。②從3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)中，最大主應(yīng)力中傾角最小的是1#測(cè)點(diǎn)，只有-2.54°，幾乎是水平的；另外2個(gè)位于9°以下，也是非常接近于水平的，故最大主應(yīng)力位于近水平方向。③三個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大水平主應(yīng)力的走向，平均為146.31°，近似于北西~南東向，基本與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力的方向一致。

4 結(jié)論

①用套孔應(yīng)力解除法和空心包體應(yīng)變計(jì)測(cè)得東榮二礦3個(gè)不同標(biāo)高測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)得出，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平應(yīng)力最大值為37.25MPa，最小為30.96MPa；最小水平主應(yīng)力最大值為19.38MPa，最小值為15.15MPa；垂直應(yīng)力最大值為18.36MPa，最小值為14.57MPa。說(shuō)明東榮二礦地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等偏高地應(yīng)力場(chǎng)。②最大水平主應(yīng)力的走向，平均為146.31°，近似于北西-南東向，基本與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力的方向一致。巷道兩幫受垂直應(yīng)力影響較大，頂?shù)装迨芩綉?yīng)力影響較大。