兩種地應(yīng)力測(cè)量方法及其結(jié)果對(duì)比和分析

王再舉 鄧 昕

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001)

1 工程概況

朱集煤礦位于安徽省淮南市潘集區(qū)賀疃鄉(xiāng)境內(nèi)，井田中心距淮南市洞山38 km。周圍是地勢(shì)平坦的田地，無障礙物，主井、副井、風(fēng)井和矸石井均在同一工業(yè)區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)可采煤層12層，主要煤種為氣煤和1/3焦煤，是化工、動(dòng)力和煉焦用煤。

2 測(cè)點(diǎn)布置

地應(yīng)力測(cè)量是一項(xiàng)認(rèn)真、細(xì)致的工作，任何工作環(huán)節(jié)的失誤都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來誤差，其中地應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)布置非常的重要，測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)遵守下列原則：

1)一般要遠(yuǎn)離斷層，避開巖石破碎帶、斷裂發(fā)育帶，盡可能布置在連續(xù)的巖體中;

2)地質(zhì)具有代表性的區(qū)域;

3)避開巷道和采場的彎、拐、叉、頂部等應(yīng)力集中區(qū)［1］。

依據(jù)以上布置原則，為了掌握朱集礦區(qū)的地應(yīng)力分布情況，把地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)選擇在朱集西礦-962 m東翼回風(fēng)大巷3號(hào)中進(jìn)行，用應(yīng)力解除法測(cè)量了兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并且測(cè)試點(diǎn)1和2的位置是對(duì)稱的，選用的鉆孔方位角為187°，傾角為3.9°，鉆孔深度為8.6 m。而對(duì)于平行鉆孔——套筒致裂法選用了4個(gè)測(cè)試位置(見圖1)，分別是測(cè)點(diǎn)A，B，C和D。每個(gè)測(cè)試位置布置3個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為30 mm，孔深2.5 m，傾角為9°，鉆孔Ⅰ、鉆孔Ⅱ和鉆孔Ⅲ的距離為2 m，鉆孔Ⅱ和鉆孔Ⅲ中心連線為60 mm且與水平方向的夾角為45°，測(cè)量位置對(duì)稱布置，把鉆孔Ⅰ作為單孔的套筒致裂試驗(yàn)測(cè)試鉆孔使用，而鉆孔Ⅱ和Ⅲ作為一對(duì)控制致裂試驗(yàn)測(cè)試鉆孔使用。

圖1 測(cè)點(diǎn)的布置

3 兩種測(cè)試方法所用儀器的主要部分介紹

應(yīng)力解除法采用的是KX-81型空心包體三軸應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)中主要的組成部分是12個(gè)電阻應(yīng)變片并且平均分成了三組(每組有4個(gè)應(yīng)變片)，相隔120°沿著筒內(nèi)圓周進(jìn)行粘貼，應(yīng)變花位置圖和結(jié)構(gòu)圖如圖2，圖3所示。而對(duì)于平行鉆孔——套筒致裂測(cè)試系統(tǒng)是由手動(dòng)油泵、高壓油管、數(shù)字壓力表和套筒應(yīng)力計(jì)組成的。

圖2 應(yīng)變花位置圖（A，B，C為三組應(yīng)變片）

圖3 KX-81型空心包體三軸應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

4 測(cè)試步驟

4.1 套孔應(yīng)力解除法測(cè)試步驟

1)采用PS2-XY150型工程地質(zhì)鉆打鉆，鉆孔直徑為130 mm，方位角為187°，其傾角為3.9°，深度為8.6 m;

2)在空心包體應(yīng)力計(jì)圓筒內(nèi)裝滿粘結(jié)劑，然后將柱塞插入內(nèi)腔并用牙簽將其固定，推動(dòng)安裝桿使牙簽剪斷并且使粘結(jié)劑流入應(yīng)力計(jì)與測(cè)量孔孔壁之間的間隙里，粘結(jié)劑經(jīng)12 h固化后，記下應(yīng)力計(jì)的偏角;

3)將電纜線分別對(duì)應(yīng)接在應(yīng)力儀相應(yīng)的接線位置上，調(diào)試各測(cè)點(diǎn)，使其為零;

4)在施工的過程中，每鉆2 cm測(cè)試一次應(yīng)變，直到應(yīng)力解除，停止測(cè)試;

5)取出巖芯。本次測(cè)量2個(gè)測(cè)試點(diǎn)并且均獲得了比較完整的數(shù)據(jù)。

4.2 套筒致裂法測(cè)試步驟

1)用鉆機(jī)按照要求鉆3個(gè)測(cè)試鉆孔，將安裝好的應(yīng)力計(jì)放入鉆孔Ⅰ，達(dá)到要求的測(cè)試深度;

2)手動(dòng)油泵給套筒應(yīng)力計(jì)加壓，并記下當(dāng)巖體出現(xiàn)響聲而破裂時(shí)油壓表的讀數(shù)，即為最終的破壞壓力值;

3)觀察取出的應(yīng)力計(jì)上印有的裂紋方向，以便確定主應(yīng)力的方向;

4)再增加一路油管，然后裝上套筒應(yīng)力計(jì)，并將兩個(gè)套筒應(yīng)力計(jì)按要求的測(cè)試深度同時(shí)放入鉆孔Ⅱ和Ⅲ中，重復(fù)2)的工作，記錄最終的破壞壓力值;

5)將前后兩次測(cè)得的破裂壓力值和巖石試件的抗拉強(qiáng)度T分別代入公式求解，從而得到最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。

5 兩種方法的測(cè)試結(jié)果

5.1 應(yīng)力解除法測(cè)試結(jié)果

用數(shù)據(jù)線把應(yīng)力儀和計(jì)算機(jī)連接，根據(jù)數(shù)據(jù)用Excel表格繪制應(yīng)力解除曲線，也就是各應(yīng)變片隨套孔解除深度曲線，由于測(cè)試方法相同，我們只對(duì)測(cè)試點(diǎn)1做應(yīng)力解除分析(見圖4)。

圖4 測(cè)試點(diǎn)1應(yīng)力解除曲線

根據(jù)巖芯的率定實(shí)驗(yàn)，利用巖石的彈性模量E和泊松比U修正后的計(jì)算公式，計(jì)算公式如下：

其中，εθ，εz分別為周向應(yīng)變值和軸向應(yīng)變值;R，r分別為空心包體的外徑和內(nèi)徑。K1值的求法可詳見參考文獻(xiàn)［4］，得到的彈性模量和泊松比的值參見表1。

表1 鉆孔巖芯的彈性模量E和泊松比U

根據(jù)最終應(yīng)變值以及巖石的彈性模量和泊松比，運(yùn)用空心包體求解程序，便可求出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分量大小，見表2。

表2 地應(yīng)力的大小、方向和傾角

5.2 套筒致裂法測(cè)量結(jié)果

把破裂壓力值代入單孔套筒致裂結(jié)果公式(1)和平行鉆孔套筒致裂結(jié)果公式(2)中，計(jì)算得出最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值見表3，其中，fx，fy和fb為應(yīng)力集中常數(shù)，計(jì)算公式分別見式(3)，式(4)和式(5)。

式中：a——鉆孔半徑;

L——鉆孔間距;

T——抗拉強(qiáng)度是通過現(xiàn)場巖石取樣并且由套筒致裂法測(cè)得的。

表3 套筒致裂法主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

套筒致裂法測(cè)量結(jié)果見表4。

表4 套筒致裂法測(cè)量結(jié)果

6 測(cè)試結(jié)果分析

通過用套孔應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)值研究表明，該區(qū)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均為近水平方向，把中間主應(yīng)力作為垂直應(yīng)力，且最大主應(yīng)力值比垂直應(yīng)力值大得多，這說明了該礦區(qū)水平應(yīng)力較為突出;而對(duì)于套筒致裂法測(cè)得水平方向最大主應(yīng)力值在21.83 MPa～23.55 MPa之間;最小主應(yīng)力值在 15.33 MPa～18.42 MPa之間，測(cè)壓系數(shù)大于1，這也表明了該區(qū)域地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。

7 結(jié)語

用兩種不同的測(cè)試方法對(duì)朱集西礦地應(yīng)力進(jìn)行了分析，其測(cè)試結(jié)果都表明了該區(qū)域地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的。

通過對(duì)兩種方法的對(duì)比可知，套孔應(yīng)力解除法是一種比較經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確的地應(yīng)力測(cè)量方法，該方法充分利用了地下空間，便于操作和施工。而對(duì)于套筒致裂測(cè)試地應(yīng)力屬于直接應(yīng)力測(cè)試方法，是建立在彈性理論基礎(chǔ)上的而沒有考慮巖石材料的塑性特征的一種測(cè)試方法，計(jì)算結(jié)果偏小，并且受到鉆孔深度的限制，其測(cè)試結(jié)果為巷道圍巖應(yīng)力并不能反映出該區(qū)域的地應(yīng)力分布情況，還需進(jìn)一步的研究。

［1］ 蔡美峰，喬 蘭，于 波，等.金川二礦區(qū)深部地應(yīng)力測(cè)量及其分布規(guī)律研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(4)：415.

［2］ 張永坤，程 樺，蔡海兵.潘北礦地應(yīng)力測(cè)量及其結(jié)果分析［J］.中州煤炭，2012(3)：15-16.

［3］ 陸士良，王悅漢.軟巖巷道支架壁厚充填與圍巖關(guān)系的研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(2)：180-182.

［4］ 侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(3)：342-344.

［5］ 程 帥，榮傳新，孫東霞，等.深部礦井地應(yīng)力套筒致裂法測(cè) 試技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(12)：51-52.