煤矿地应力实测

1 前言

地应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多影响采矿工程稳定性的因素中，地应力是最主要和最根本的因素之一，由于地应力成因的非规律性和复杂性，因此目前还很难用数学和力学的理论公式进行表达，实测是地应力研究的主要方法。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算、矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。

为此，兖矿集团于1999年与澳大利亚SCT公司合资成立了济南澳科矿山工程技术有限公司（山东安科矿山支护技术有限公司前身）。成套引进澳方在矿山开采方面的新技术，跟踪国际发展水平，集技术服务、产品生产于一体。特别是在原岩应力测量以及次生应力实测与监测方面，通过多年的发展已积累了丰富的经验，走在全国煤矿应力测量技术的前列，是我国少数能够进行地应力测试的单位之一。

2 地应力测量技术

2.1 应力解除法

应力解除法通常应用于矿山、隧道等地下工程的应力测量，其优点是测量精度较高，安装操作比较简便，该方法靠一个单孔即可测得岩体三维应力状态，实测效率高，对于井下深部地应力测量具有其它测量方法所无法比拟的独特优势。目前该方法已广泛应用于矿山、水电及隧道等地下工程的研究中。

应力解除法的基本原理就是，岩石由原三维受力状态被应力解除后由于其弹性会发生膨胀变形，测量出应力解除后的此块岩石的三维膨胀变形，并通过现场弹模率定确定其弹性模量，则由线性虎克定律即可计算出应力解除前岩体中应力的大小和方向。具体地讲这一方法就是在岩石中先打一个测量钻孔，将应力传感器安装在测孔中并观测读数，然后在测量孔外同心套钻钻取岩心，使岩心与围岩脱离，岩心上的应力因解除而恢复，根据应力解除前后仪器所测得的差值，即可计算出应力的大小和方向，地应力测量仪器和设备见图1。

地应力测量方法是在岩体中根据工程目的施工一定深度的钻孔在完整岩体中将应力传感器牢固的安装在钻孔中，然后打钻套取岩芯实施应力解除，并在解除的过程中测量由于应力释放而产生的应变。地应力测量过程见图2。

（1）导孔

按照测点布置设计方案在选定地应力测量地点施工地应力实测钻孔。根据设计方案预定的倾角和深度垂直于巷道帮部施工一个直径为110mm的导孔。

（2）应力传感器安装孔

在导孔深度到达理想岩性之后，就可以钻取应力传感器安装孔了。在钻取应力传感器安装孔之前，需要在导孔的底部，同心位置钻取应力传感器安装孔，其深度视应力计的长度及岩芯完整情况而定。

（3）安装应力传感器

根据安装孔中取出岩心情况，选取岩面结构较好的一段，根据这一段位置截取应力传感器调节杆长度，使应变片位置位于这一段岩心处。使用专用安装杆将应力计安装至预定位置。

（4）应力解除

安装应力传感器第二天实施应力解除，应力解除过程中，钻进速度要慢，以较全面读取各应变片的读数。直至安装有应力传感器的岩心断裂或者应变片的读数不再随着钻进变化，便可以取出岩心。

（5）弹模率定

取出岩芯后应需要将其置入弹模率定仪中进行弹模率定试验，以确定岩石的弹性模量和泊松比参数。岩心中的HI应力计岩心内壁所受的应变，岩石的弹性模量可以根据可视为各向同性的弹性体的岩石周向应变量求出。泊松比可以根据轴向应变量与周向应变量的比值得出。

（6）得出结果

岩石应力计算采用专用Stress程序，对应力解除数据和弹模率定数据进行计算差值和绘制变化趋势，并在合适范围内计算应力分量之间最优化统计结果，包括方差、主应力、方向信息，依此可以为最终结果优选做参考。

3 地应力测量案例

3.1 地应力测点布置参数

淮南矿区潘三矿埋藏深、围岩松软破碎，巷道失稳造成的顶板事故、底板突水、煤-瓦斯事故等灾害日趋突出，严重威胁矿井安全高效生产。这些动力灾害事故的发生与高应力作用有着内在的联系。在潘三矿西三采区和东翼采区开展地应力测量工作，为应力分析、支护设计数值模拟等工作提供科学依据。

根据潘三煤矿西三采区1672（1）运顺瓦斯治理巷和东翼采区2121（1）工作面运顺瓦斯治理巷采掘状况和地质条件，具体分布位置见图4和图5。

地应力实测施工参数见表1。

表1 地应力实测施工参数一览表

3.2 地应力场实测结果

地应力传感器粘结胶固化24小时后，对包含有HI应力传感器的岩体进行了套芯应力解除，应力解除岩心见图6。

根据应力解除数据监测结果，见图7至11，应用专用数据处理软件对测量数据进行处理，计算结果见下表2。

表2 原岩应力实测结果

         图8 XS-2测点应力测量曲线

            图10 DY-2测点应  力测量曲线

3.3 地应力实测结果分析

由于地应力测点地质环境的差异，每个测点的测量结果表现了其测点围岩力学性质条件下地应力场状态信息。为了对比和分析不同围岩构造条件下地应力场状态差异性，对测量数据进行计算分析和当量化处理，根据当量化转换结果，将地应力场中最大主应力、中间主应力、最小主应力各分量的实测值与当量值以及垂直应力进行汇总，并将各主应力倾角转换为向下，结果见表3。

表3 地应力场各分量测量结果汇总表

综合分析潘三煤矿地应力场分布特点，可以总结出以下结论。

1、西三采区地应力场分布状态：

（1）地应力场中主应力б1为最大水平主应力，优势方向为近南北向，量值平均为27.24MPa。根据西三采区XS-1和XS-2地应力测量结果，地应力主应力分量б1的倾角均小于15°，接近水平方向；方位平均为169.7°，接近于南北向，见图12。

（2）地应力场中主应力б3为最小水平主应力，优势方向为近东西向，量值平均为17.27MPa。根据西三采区XS-1和XS-2地应力实测结果，地应力主应力分量б3的倾角均小于15°，可视为水平方向；方位平均为79.0°，接近于东西向，与主应力б1在方位上呈正交关系，见图12。

（3）地应力场中间主应力б2的倾角较大，均超过70°，接近于垂直方向，且量值与实测垂直应力бv接近，见图13。

2、东翼采区地应力场分布状态：

（1）地应力场中主应力б1为最大水平主应力，优势方向为近南北向，量值平均为25.76MPa。根据东翼采区DY-1、DY-2和DY-3地应力测量结果，地应力主应力分量б1的倾角均小于15°，接近水平方向；方位平均为351.1°，接近于南北向，见图14。

（2）地应力场中主应力б3为最小水平主应力，优势方向为近东西向，量值平均为15.65MPa。根据东翼采区DY-1、DY-2和DY-3地应力测量结果，地应力主应力分量б3的倾角均小于15°，可视为水平方向；方位平均为82.0°，接近于东西向，与主应力б1在方位上呈正交关系，见图14。

（3）地应力场中间主应力б2的倾角较大，均超过60°，接近于垂直方向，且量值与实测垂直应力бv接近，见图15。

3、从地应力实测结果和当量化结果看，西三采区和东翼采区整体地应力场方位变化不大，相似性较高，当量化量值上主要受到埋深影响，整体为受煤层倾向的单斜构造和横贯井田的W-背向斜构造共同影响的构造应力场。

综合西三采区和东翼采区五个地应力测量结果和当量化结果表明，潘三煤矿井田范围内地应力场状态相对比较稳定，整体地应力场状态为以下特点：

（1）地应力场中主应力б1为最大水平主应力，优势方向为近南北向，当量化平均值为25.30MPa。根据地应力测量结果，地应力主应力分量б1的倾角均小于15°，接近水平方向；方位在340°～6°之间，平均为350.5°接近于南北向，见图16。

（2）地应力场中主应力б3为最小水平主应力，优势方向为近东西向，量值平均为15.80MPa。根据地应力实测结果，地应力分量б3的倾角均小于15°，可视为水平方向；方位在70°～95°之间，平均为80.8°，接近于东西向，与最大主应力б1在方位上呈正交关系，见图16。

（3）地应力场中间主应力б2的倾角较大，均超过60°，接近于垂直方向，见图16，且量值与实测垂直应力бv接近。

4、影响潘三煤矿巷道稳定性的主导应力是最大水平主应力б1，且对巷道掘进左侧具有明显方向性影响。

对地应力实测结果中最大主应力、最小主应力、垂直应力及其比值进行汇总，见表4。可以看出：

表4 主应力及其比值汇总表

（1）潘三煤矿西三采区和东翼采区地应力场中水平主应力是主导应力。最大水平应力б1明显大于垂直应力бv，侧压系数б1/бv=1.56～1.75，说明水平应力比垂直应力对巷道稳定性的影响要大，水平主应力占主导优势地位。

（2）西三采区和东翼采区巷道受水平主应力方向性影响显著。根据地应力测量结果，最大主应力б1与最小主应力б3的比值系数K=1.46～1.83，其量值变化较大，且最大主应力越高，其对应最小主应力越小，说明井田内地应力场对巷道掘进影响具有明显的方向性。

根据地应力测量结果，最大主应力б1方位与巷道轴向夹角为34°～73°，平均夹角为55.3°，对巷道掘进影响较大，使得水平应力集中体现在巷道掘进方向左侧，特别是2121（1）运顺瓦斯治理巷17#钻场区域，巷道与最大主应力夹角达到73°，水平应力集中程度最为显著。见图17。

（3）西三采区整体应力水平较东翼采区略高，这与测点分布深度密切相关。西三采区测点埋深超过东翼采区测点埋深50m以上，在应力整体水平上受自重应力和构造应力影响要略高。

（4）潘三煤矿地应力场中最小主应力与垂直应力相差不大。根据地应力测量结果，最小主应力与垂直应力相差在2MPa之内，且除DY-2地应力测点外，地应力场呈现б1>бv>б3的应力关系。DY-2地应力测点可能受断层构造影响，垂直应力出现明显降低现象。