1 前言

地應(yīng)力是引起采礦工程圍巖、支護變形和破壞、產(chǎn)生礦井動力現(xiàn)象的根本作用力，在諸多影響采礦工程穩(wěn)定性的因素中，地應(yīng)力是最主要和最根本的因素之一，由于地應(yīng)力成因的非規(guī)律性和復(fù)雜性，因此目前還很難用數(shù)學(xué)和力學(xué)的理論公式進行表達，實測是地應(yīng)力研究的主要方法。準確的地應(yīng)力資料是確定工程巖體力學(xué)屬性，進行圍巖穩(wěn)定性分析和計算、礦井動力現(xiàn)象區(qū)域預(yù)測，實現(xiàn)采礦決策和設(shè)計科學(xué)化的必要前提條件。

為此，兗礦集團于1999年與澳大利亞SCT公司合資成立了濟南澳科礦山工程技術(shù)有限公司（山東安科礦山支護技術(shù)有限公司前身）。成套引進澳方在礦山開采方面的新技術(shù)，跟蹤國際發(fā)展水平，集技術(shù)服務(wù)、產(chǎn)品生產(chǎn)于一體。特別是在原巖應(yīng)力測量以及次生應(yīng)力實測與監(jiān)測方面，通過多年的發(fā)展已積累了豐富的經(jīng)驗，走在全國煤礦應(yīng)力測量技術(shù)的前列，是我國少數(shù)能夠進行地應(yīng)力測試的單位之一。

2 地應(yīng)力測量技術(shù)

2.1 應(yīng)力解除法

應(yīng)力解除法通常應(yīng)用于礦山、隧道等地下工程的應(yīng)力測量，其優(yōu)點是測量精度較高，安裝操作比較簡便，該方法靠一個單孔即可測得巖體三維應(yīng)力狀態(tài)，實測效率高，對于井下深部地應(yīng)力測量具有其它測量方法所無法比擬的獨特優(yōu)勢。目前該方法已廣泛應(yīng)用于礦山、水電及隧道等地下工程的研究中。

應(yīng)力解除法的基本原理就是，巖石由原三維受力狀態(tài)被應(yīng)力解除后由于其彈性會發(fā)生膨脹變形，測量出應(yīng)力解除后的此塊巖石的三維膨脹變形，并通過現(xiàn)場彈模率定確定其彈性模量，則由線性虎克定律即可計算出應(yīng)力解除前巖體中應(yīng)力的大小和方向。具體地講這一方法就是在巖石中先打一個測量鉆孔，將應(yīng)力傳感器安裝在測孔中并觀測讀數(shù)，然后在測量孔外同心套鉆鉆取巖心，使巖心與圍巖脫離，巖心上的應(yīng)力因解除而恢復(fù)，根據(jù)應(yīng)力解除前后儀器所測得的差值，即可計算出應(yīng)力的大小和方向，地應(yīng)力測量儀器和設(shè)備見圖1。

地應(yīng)力測量方法是在巖體中根據(jù)工程目的施工一定深度的鉆孔在完整巖體中將應(yīng)力傳感器牢固的安裝在鉆孔中，然后打鉆套取巖芯實施應(yīng)力解除，并在解除的過程中測量由于應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的應(yīng)變。地應(yīng)力測量過程見圖2。

（1）導(dǎo)孔

按照測點布置設(shè)計方案在選定地應(yīng)力測量地點施工地應(yīng)力實測鉆孔。根據(jù)設(shè)計方案預(yù)定的傾角和深度垂直于巷道幫部施工一個直徑為110mm的導(dǎo)孔。

（2）應(yīng)力傳感器安裝孔

在導(dǎo)孔深度到達理想巖性之后，就可以鉆取應(yīng)力傳感器安裝孔了。在鉆取應(yīng)力傳感器安裝孔之前，需要在導(dǎo)孔的底部，同心位置鉆取應(yīng)力傳感器安裝孔，其深度視應(yīng)力計的長度及巖芯完整情況而定。

（3）安裝應(yīng)力傳感器

根據(jù)安裝孔中取出巖心情況，選取巖面結(jié)構(gòu)較好的一段，根據(jù)這一段位置截取應(yīng)力傳感器調(diào)節(jié)桿長度，使應(yīng)變片位置位于這一段巖心處。使用專用安裝桿將應(yīng)力計安裝至預(yù)定位置。

（4）應(yīng)力解除

安裝應(yīng)力傳感器第二天實施應(yīng)力解除，應(yīng)力解除過程中，鉆進速度要慢，以較全面讀取各應(yīng)變片的讀數(shù)。直至安裝有應(yīng)力傳感器的巖心斷裂或者應(yīng)變片的讀數(shù)不再隨著鉆進變化，便可以取出巖心。

（5）彈模率定

取出巖芯后應(yīng)需要將其置入彈模率定儀中進行彈模率定試驗，以確定巖石的彈性模量和泊松比參數(shù)。巖心中的HI應(yīng)力計巖心內(nèi)壁所受的應(yīng)變，巖石的彈性模量可以根據(jù)可視為各向同性的彈性體的巖石周向應(yīng)變量求出。泊松比可以根據(jù)軸向應(yīng)變量與周向應(yīng)變量的比值得出。

（6）得出結(jié)果

巖石應(yīng)力計算采用專用Stress程序，對應(yīng)力解除數(shù)據(jù)和彈模率定數(shù)據(jù)進行計算差值和繪制變化趨勢，并在合適范圍內(nèi)計算應(yīng)力分量之間最優(yōu)化統(tǒng)計結(jié)果，包括方差、主應(yīng)力、方向信息，依此可以為最終結(jié)果優(yōu)選做參考。

3 地應(yīng)力測量案例

3.1 地應(yīng)力測點布置參數(shù)

淮南礦區(qū)潘三礦埋藏深、圍巖松軟破碎，巷道失穩(wěn)造成的頂板事故、底板突水、煤-瓦斯事故等災(zāi)害日趨突出，嚴重威脅礦井安全高效生產(chǎn)。這些動力災(zāi)害事故的發(fā)生與高應(yīng)力作用有著內(nèi)在的聯(lián)系。在潘三礦西三采區(qū)和東翼采區(qū)開展地應(yīng)力測量工作，為應(yīng)力分析、支護設(shè)計數(shù)值模擬等工作提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)潘三煤礦西三采區(qū)1672（1）運順瓦斯治理巷和東翼采區(qū)2121（1）工作面運順瓦斯治理巷采掘狀況和地質(zhì)條件，具體分布位置見圖4和圖5。

地應(yīng)力實測施工參數(shù)見表1。

表1 地應(yīng)力實測施工參數(shù)一覽表

3.2 地應(yīng)力場實測結(jié)果

地應(yīng)力傳感器粘結(jié)膠固化24小時后，對包含有HI應(yīng)力傳感器的巖體進行了套芯應(yīng)力解除，應(yīng)力解除巖心見圖6。

根據(jù)應(yīng)力解除數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，見圖7至11，應(yīng)用專用數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理，計算結(jié)果見下表2。

表2 原巖應(yīng)力實測結(jié)果

         圖8 XS-2測點應(yīng)力測量曲線

            圖10 DY-2測點應(yīng)  力測量曲線

3.3 地應(yīng)力實測結(jié)果分析

由于地應(yīng)力測點地質(zhì)環(huán)境的差異，每個測點的測量結(jié)果表現(xiàn)了其測點圍巖力學(xué)性質(zhì)條件下地應(yīng)力場狀態(tài)信息。為了對比和分析不同圍巖構(gòu)造條件下地應(yīng)力場狀態(tài)差異性，對測量數(shù)據(jù)進行計算分析和當量化處理，根據(jù)當量化轉(zhuǎn)換結(jié)果，將地應(yīng)力場中最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力各分量的實測值與當量值以及垂直應(yīng)力進行匯總，并將各主應(yīng)力傾角轉(zhuǎn)換為向下，結(jié)果見表3。

表3 地應(yīng)力場各分量測量結(jié)果匯總表

綜合分析潘三煤礦地應(yīng)力場分布特點，可以總結(jié)出以下結(jié)論。

1、西三采區(qū)地應(yīng)力場分布狀態(tài)：

（1）地應(yīng)力場中主應(yīng)力б1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向為近南北向，量值平均為27.24MPa。根據(jù)西三采區(qū)XS-1和XS-2地應(yīng)力測量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量б1的傾角均小于15°，接近水平方向；方位平均為169.7°，接近于南北向，見圖12。

（2）地應(yīng)力場中主應(yīng)力б3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向為近東西向，量值平均為17.27MPa。根據(jù)西三采區(qū)XS-1和XS-2地應(yīng)力實測結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量б3的傾角均小于15°，可視為水平方向；方位平均為79.0°，接近于東西向，與主應(yīng)力б1在方位上呈正交關(guān)系，見圖12。

（3）地應(yīng)力場中間主應(yīng)力б2的傾角較大，均超過70°，接近于垂直方向，且量值與實測垂直應(yīng)力бv接近，見圖13。

2、東翼采區(qū)地應(yīng)力場分布狀態(tài)：

（1）地應(yīng)力場中主應(yīng)力б1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向為近南北向，量值平均為25.76MPa。根據(jù)東翼采區(qū)DY-1、DY-2和DY-3地應(yīng)力測量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量б1的傾角均小于15°，接近水平方向；方位平均為351.1°，接近于南北向，見圖14。

（2）地應(yīng)力場中主應(yīng)力б3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向為近東西向，量值平均為15.65MPa。根據(jù)東翼采區(qū)DY-1、DY-2和DY-3地應(yīng)力測量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量б3的傾角均小于15°，可視為水平方向；方位平均為82.0°，接近于東西向，與主應(yīng)力б1在方位上呈正交關(guān)系，見圖14。

（3）地應(yīng)力場中間主應(yīng)力б2的傾角較大，均超過60°，接近于垂直方向，且量值與實測垂直應(yīng)力бv接近，見圖15。

3、從地應(yīng)力實測結(jié)果和當量化結(jié)果看，西三采區(qū)和東翼采區(qū)整體地應(yīng)力場方位變化不大，相似性較高，當量化量值上主要受到埋深影響，整體為受煤層傾向的單斜構(gòu)造和橫貫井田的W-背向斜構(gòu)造共同影響的構(gòu)造應(yīng)力場。

綜合西三采區(qū)和東翼采區(qū)五個地應(yīng)力測量結(jié)果和當量化結(jié)果表明，潘三煤礦井田范圍內(nèi)地應(yīng)力場狀態(tài)相對比較穩(wěn)定，整體地應(yīng)力場狀態(tài)為以下特點：

（1）地應(yīng)力場中主應(yīng)力б1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向為近南北向，當量化平均值為25.30MPa。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量б1的傾角均小于15°，接近水平方向；方位在340°～6°之間，平均為350.5°接近于南北向，見圖16。

（2）地應(yīng)力場中主應(yīng)力б3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向為近東西向，量值平均為15.80MPa。根據(jù)地應(yīng)力實測結(jié)果，地應(yīng)力分量б3的傾角均小于15°，可視為水平方向；方位在70°～95°之間，平均為80.8°，接近于東西向，與最大主應(yīng)力б1在方位上呈正交關(guān)系，見圖16。

（3）地應(yīng)力場中間主應(yīng)力б2的傾角較大，均超過60°，接近于垂直方向，見圖16，且量值與實測垂直應(yīng)力бv接近。

4、影響潘三煤礦巷道穩(wěn)定性的主導(dǎo)應(yīng)力是最大水平主應(yīng)力б1，且對巷道掘進左側(cè)具有明顯方向性影響。

對地應(yīng)力實測結(jié)果中最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力及其比值進行匯總，見表4。可以看出：

表4 主應(yīng)力及其比值匯總表

（1）潘三煤礦西三采區(qū)和東翼采區(qū)地應(yīng)力場中水平主應(yīng)力是主導(dǎo)應(yīng)力。最大水平應(yīng)力б1明顯大于垂直應(yīng)力бv，側(cè)壓系數(shù)б1/бv=1.56～1.75，說明水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響要大，水平主應(yīng)力占主導(dǎo)優(yōu)勢地位。

（2）西三采區(qū)和東翼采區(qū)巷道受水平主應(yīng)力方向性影響顯著。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，最大主應(yīng)力б1與最小主應(yīng)力б3的比值系數(shù)K=1.46～1.83，其量值變化較大，且最大主應(yīng)力越高，其對應(yīng)最小主應(yīng)力越小，說明井田內(nèi)地應(yīng)力場對巷道掘進影響具有明顯的方向性。

根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，最大主應(yīng)力б1方位與巷道軸向夾角為34°～73°，平均夾角為55.3°，對巷道掘進影響較大，使得水平應(yīng)力集中體現(xiàn)在巷道掘進方向左側(cè)，特別是2121（1）運順瓦斯治理巷17#鉆場區(qū)域，巷道與最大主應(yīng)力夾角達到73°，水平應(yīng)力集中程度最為顯著。見圖17。

（3）西三采區(qū)整體應(yīng)力水平較東翼采區(qū)略高，這與測點分布深度密切相關(guān)。西三采區(qū)測點埋深超過東翼采區(qū)測點埋深50m以上，在應(yīng)力整體水平上受自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力影響要略高。

（4）潘三煤礦地應(yīng)力場中最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差不大。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差在2MPa之內(nèi)，且除DY-2地應(yīng)力測點外，地應(yīng)力場呈現(xiàn)б1>бv>б3的應(yīng)力關(guān)系。DY-2地應(yīng)力測點可能受斷層構(gòu)造影響，垂直應(yīng)力出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象。