1、doi: 10. 11799/ce201504028收稿 日 期 : 2015 03 04基金项目 : 国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目资助 ( U1361209); 国家自然科学基金青年基金项目资助 ( 51104162)作者简 介 : 高会春 ( 1966 )， 男 ， 河北易县人 ， 高级工程师 ， 在读博士 ， 冀中能源集团有限责任公司副总工程师 、科技部部长 ， 从事采矿和安全工程研究 ， E mail: gaohc663163. com。引用格式 : 高会春 ， 杨胜利 ， 刘新杰 ， 等 空心包体地应力测试方法与工程应用 J 煤炭工程 ， 2015， 47( 4) : 83
2、85， 89空心包体地应力测试方法与工程应用高会 春 ， 杨 胜利 ， 刘新杰 ， 王兆会( 中国 矿 业大学 ( 北京 ) 资源与安全工程学院 ， 北京 100083)摘 要 : 为分析回采巷道围岩破碎 、变形量 大 、支护困难的原因 ， 采用三维套孔应力解除地应力测试技术和空心包体应变计 ， 对东周窑矿东翼采区进行现场地应力实测和围压率定实验 ， 并详细阐述了空心包体应力解除法测试地应力的原理 、仪器与构造 、测试过程等 。通过对钻孔应力解除测试结果分析 ， 得到以下地应力分布规律 : 该矿水平应力为最大主应力 、中间主应力 ， 垂直应力为最小主应力 ; 水平主应力与垂直主应力之间的平均比
3、值为 1. 4 2. 2， 最大水平主应力方向为北东 南西方向 ， 同南 北方向的夹角约为 10。关键词 : 地应力测试 ; 应力解除法 ; 空心包体 ; 原岩应力中图分类号 : TD311 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 0959( 2015) 04-0083-04Hollow Inclusion In situ Stress Test Method and Engineering ApplicationGAO Hui chun， YANG Sheng li， LIU Xin jie， WANG Zhao hui( School of esources and Safety En
4、gineering， China University of Mining and Technology ( Beijing)， Beijing 100083， China)Abstract: To analyze the reason of broken gateway surrounding rock， large deformation and support difficulty， using in situ stress measurement with 3D trepanning stress release and the hollow inclusion strainomete
5、r， in situ stressmeasurement and confining pressure rate experiment was carried out in the east wing of Dongzhouyao Coal Mine Theprinciple， instrument and structure， and process of the hollow inclusion stress release method were introduced Theresult of borehole stress relief test shows that， the min
6、e horizontal stress is the maximum principal stress， intermediateprincipal stress， the vertical stress is the minimum principal stress; average specific value of the horizontal principal stressand vertical principal stress is within 1. 4 2. 2， the maximum horizontal principal stress is in northeast
7、southwestdirection， with about 10 intersection angle from the south north directionKeywords: in situ stress measurement; stress relief method; hollow inclusion; stress of primary rock岩 体 中 的天然应力通常是由岩体重力 、构造应力 、动水压力和膨胀作用力等组成 1， 也称 原 岩应力 ， 是矿山压力产生的根源 。随着人们对地应力在工程中重要性认识程度的不断提高 ， 地应力研究工作得到了普遍重视 。同时 ，伴着煤
8、矿的开采强度和深度的不断增加 ， 地应力影响也越加严重 。越来越多的煤矿开展地应力测量工作 ， 并应用地应力测量的结果指导矿井设计和支护设计 2。因此 ， 地 应力 测量与研究已成科研人员和工程界最关心的问题之一 。东周窑矿东翼采区 、西翼采区煤炭资源回采过程中 ， 普遍存在巷道围岩破碎 、变形量大 ， 支护困难的现象 。为揭示该矿地应力大小及分布特征 ， 对该矿初始地应力分布特征进行实测 ， 为回采巷道留设与支护提供依据 3 10。1 空心包体应力计结构及测试方法1. 1 空心包体应力计结构空心 包体应力计属 于三维应力测量 ， 早期由澳大利亚ESS 公司生产 CSIO 空心包体应力计 ，
9、主要用于测量岩石和混凝土中的三向应力 。本次测试采用了中科院生产的 KX 81型空心包体式三轴应力计 ， 可以实现对温度变化的补偿 。空心包体应变计其主体结构是用环氧树脂制成的银白色空心圆筒 ， 壁厚 5mm， 内径 25mm， 外径 35mm， 其空腔用来装粘结剂 。应变计中间部位 ， 即直径 35mm 环氧树脂38第 47卷 第 4期煤 炭 工 程COAL ENGINEEINGVol. 47， No. 4筒沿其一周等间距 ( 120) 嵌埋着三组电阻应变化 。每组 应变 花由四个应变片组成 ， 相互间隔 45， 共 12 个应变片 。在应力计的顶部有一个补偿应变片 ， 以消除温度变化对测量
10、结果的影响 。1. 2 数字应变仪及岩心围岩率定试验仪将 取 出 带有测量探头的完整岩芯放进围压率定试验仪中 ， 用油缸对岩心进行施加围压 ， 从而得到压力与仪器读数的关系曲线 。该曲线可用于判断孔中各探头是否处于正常工作状态 ， 有利于综合判定原始资料的可靠性 。现场测试中 ， 采集数据使用 KJ327 F 型矿山压力监测系统分站( 全包体 ) 智能数字应变仪 。1. 3 测点选择与钻孔要求地应 力 测量最重要的是测点选择 ， 要准确测量矿井原岩应力 ， 应遵循以下 4 点 : 一般一个采区至少布置一个原岩应力测点 ; 测点应尽量避开地质结构较复杂和应力集中的地段 ， 如断层 、破碎带 、煤
11、柱附近等 ; 钻孔深度应超出破碎区范围 ， 一般为巷道宽度的 3 5 倍 ; 测点布置应兼顾施工方便和工作人员的安全 。地应力测试需一台地质钻机和必需工具 ， 包括接箍 、取心管 、锥形钻头 、自由钳等 。辅助工具 : 地质罗盘 、万用表 、游标卡尺 、六角扳手等 。钻取大孔时既要保证钻孔的平直度 ， 打小孔时还要保证小孔与大孔的同心度 、孔径偏差 ， 保证成孔质量 。2 东周窑煤矿地应力测量2. 1 井田地 质构造该井 田 地处山西黄土高原向内蒙古高原的过渡地带 ，属晋西北低山丘陵区 ， 为黄土丘陵地貌 ， 地形起伏不大 ，冲沟发育 。地层总体为一缓倾斜的单斜构造 ， 走向 185 190，
12、 倾向 95 100， 倾角 2 10。井田断裂构造有北东向 、近南北向 、北西向三组 ， 共 9 条正断层 ， 其中北东向断裂有 F8、F9、F12、F14、F17; 北西 向 有 F4、F6; 近南北 向 有 F1。2. 2 钻孔 位 置选择根据 地 应力测量所要达到的工程目的 ， 并结合测点选择的原则 ， 在东周窑煤矿采掘平面图上选出南回风巷 、南胶带巷 、2202 回风巷三个位置进行地应力测试 ， 测点布置如图 1 所示 ， 钻孔参数见表 1。图 1 地应力测点布置图表 1 地应力测点钻孔技术参数表测点深 度/m岩性 位置钻 孔 特 征孔深/m方位角 /( )倾角/( )1#500 泥
13、 岩 南 回风巷 13 180 42#500 粗粒砂 岩 南胶带巷 13 217 53#( 1) 500 粗粒砂 岩 2202 回风巷 12. 5 255 43#( 2) 500 粗粒 砂 岩 2202 回风巷 13 255 44#500 砾岩 南 胶带巷 12 280 42. 3 应力解除法地应力操作步骤由于 每 个钻孔的测试过程基本上都是相同的 ， 本文仅以南回风巷附近 1#测点的实测过程为例 ， 着重阐述该测点的测 量 的详细步骤 。首先 ， 将 750 型地质钻机架设在南回风巷的 1#测点 硐 室内 ， 钻机安设好后 ， 分别用倾斜仪和罗盘测试出导孔的仰角和方位角 。用钻机向垂直巷道延
14、伸方向钻进应力解除孔 ， 钻孔深度以巷道塑性区范围为准 。深度原则是应力计安装点应不受巷开挖的次生应力的影响 ，确定大孔深度为 11m; 钻孔上倾 3 5， 便于渗水流出并易于清洗钻孔 。钻孔布置结构如图 2 所示 。图 2 地应力测量钻孔布置结构示意图空芯 包 体应变法应力解除过程如图 3 所示 。整个钻孔钻取和数据采集可分 7 个过程 : 打大孔 : 在开始钻导孔时 ， 选用短的岩芯筒 ; 钻完导孔的起始段后 ， 选用长 1. 5m的钻杆和长 1m 的岩芯管 ， 钻头直径 130mm; 将大孔孔底磨平 ; 换锥形钻头做锥形孔底 ; 打小孔 : 用 36mm 的小钻头 ， 打深 300 45
15、0mm 的小孔 ; 为了保证小孔和导孔的同心 ， 钻机的速度应尽可能地放慢 ; 先用酒精浸湿毛巾 ，反复清理岩屑 ， 再换上干毛巾 ， 反复擦洗小孔 ; 安装应力计 : 应力计外壳要保持干净 ， 可用砂纸将其打毛 ， 以增加粗糙度 ， 应力计的活塞应用凡士林或黄油润滑 ， 以防流出的粘结剂粘在上面 ; 现场配制粘结剂 ( A、B 两种液态材料按 1 3 混合搅拌 ) ， 倒入空芯包体的空腔 ， 用铝丝固定两个腔体 ， 然后将应力计安装在安装杆上 ; 缓慢地将其送进大孔 ， 并不断续接安装杆 ， 记下安装杆数和长度 ， 在进入总长度约 11m 时降低推进速度 ; 在距孔底 30cm 左右 ， 要
16、短促地用力猛推使剪力将铝丝销子剪断 ， 保证粘结剂从应力计中挤出来 ; 记录初始数据 : 待应变计安装 24h 后 ， 粘结剂完全固化 ， 将安装杆和定向器小心地从钻孔中拔出 ，用万用表记下定向器所显示的应力计的偏角 ， 并用地质罗盘测量出钻孔的方位和倾角 ; 然后用细铁丝将应力计电缆的端头从岩心筒和钻孔内的钻杆里依次穿过 ， 穿进过程中要拉紧电缆 ( 以防损坏电缆 ) ， 同时用钻机把钻杆和取芯筒48研究 探 讨 煤 炭 工 程 2015 年第 4 期顶住 ， 在 最 后一根安装杆接上之后 ， 要把电缆穿过水辫和钢套 ， 并记录推进的深度 ; 应力解除过程中 ， 桥式应变仪应始终处于开机状态
17、 ， 开始读数前需要预热 2min; 在开钻之前 ， 应力计尚处于干燥状态时 ( 即打开钻机供水阀之前 ) ，读取应变片的第一组数据 ; 然后打开供水阀 ， 应力计周围的岩石变湿后 ， 读取第二组数据 ， 检验应变片与岩体之间是否有漏电现象 ; 套芯地应力解除与应变测试 : 在取岩芯钻进开始阶段 ， 钻取速度每分钟 20 30mm， 保证有足够的时间完成每一次的数据读取和记录 ; 应事先在钻杆上 ( 或在钻机导杆有间隔 10mm 刻度线上 ) 标出小孔的岩芯长度 ，岩芯长度应适中 ; 钻机旋转速度应大约是额定转速的一半或更慢 ， 以保持钻进的稳定 ; 钻机的冲洗水流应最小 ， 过大的水压会影响
18、读数 ; 在取芯的初始阶段 ， 每钻进 20mm 读取一次 1 13 个通道的读数 ， 当取芯进行到距应变片还有 50mm位置时 ， 应减小钻机的推进速度 ， 而读数的频率应增加到每间隔 10mm 或更小读取一次 ; 当岩芯筒钻过应变片所在位置后 ( 一般大于 100mm) ， 应变片读数应该趋于稳定 ， 这时可以加大取芯钻进速度 ; 按套芯解除至一定深度后 ， 应变计读数趋于稳定 ， 待认为读数稳定后 ， 不再解除 。图 3 空芯包体应变法应力解除过程示意图3 应力解除和围岩率定数据分析3. 1 岩芯围压率定实验将岩芯 放进围压率定机中 ， 然后在岩芯上施加围压 ，从而做出压力与仪器读数的关
19、系曲线 。根据围压率定曲线可判断孔中各探头是否处于正常工作状态 ， 以及计算该岩芯的弹性模量和泊松比等 。操作步骤是 : 率定前将率定仪腔体灌满液压油 ， 从排气口排走率定仪中的空气 ， 把岩芯插入率定仪中后使应变片位于率定仪的中间位置 ; 把应力计上的电缆线 ( 不同颜色 13 根 ) 再次与端子接线盒连接起来 ， 在压力为 0MPa 的情况下 ， 读取应力计的两组数据作为应力计的初始读数 ， 3#( 2) 孔率定曲线如图 4 所示 。从 图 4 中 可以看出 ， 与钻孔轴线成相同角度方向的应变值非常接近 ， 并且周向为压缩应变 ， 轴向为拉伸应变 ，斜向为压缩应变 ， 但应变值小于周向应变
20、 。测试发现 ， 在实验中各应变片的工作状态是正常的 ， 现场应力解除结果具有较好的规律性和稳定性 。3. 2 应力解除曲线分析对 4 个测 点 进行钻孔 ， 其中 3#测点先后布置 2 个应变 计 ，图 4 岩芯 率 定曲线分别得到 5 个应力解除曲线 。经分析 ， 确定 3#( 1) 孔和 3#( 2)孔测试结果为有效数据 ， 其中 3#( 1) 孔测试结果如图 5 所 示 。图 5 3#( 1) 孔地应力解除曲线从获得的应力解 除 过程曲线 ， 可以得到以下规律 : 3#( 1) 和 3#( 2) 钻孔 是 在 2202 回风巷同一硐室钻取不同深度的两个应力解除曲线 ， 钻进开始时各应变
21、片的应变量均为零 。随着钻进深度的增加 ， 逐渐接近应变片时 ， 多数应变片处于受压状态 ， 应变值逐渐变小 ， 在图中曲线上应变量为负值 。当解除深度继续增加时 ， 岩心筒钻过应变片所在位置时 ， 应变片的应变值陡然变大 ， 在曲线上应变量由负值变为正值 ， 经历了一个突然释放的过程 。此后 ， 随着解除距离的逐渐增加 ， 各应变片的应变量趋于稳定 。4 地应力测量计算根据 现 场实测应变值 、室内温度标定及围压率定求出的弹性模量和泊松比 ， 可用于计算地应力值 。采用最小二乘法原理 ， 通过地应力计算机程序优化求解出地应力的主应力大小和方向 。由上文分析 ， 确定 3#( 1) 和 3#(
22、 2) 钻孔所测 数据为有效数据 ， 故只对以上两个点钻孔数据进行数据处理分析 ， 计算结果见表 2。表 2 地应力测量结果汇总表钻 孔编 号主应 力主 应力名称大小/MPa方位角/( )倾角/( )垂 向应力 s/MPa123. 6 186 73#( 1) 孔 2 11 67 66 10. 536. 5 93 22116 204 5. 13#( 2) 孔 2 12 52 66 11. 336. 2 112 22( 下转 第 89 页 )582015 年 第 4 期 煤 炭 工 程 研究 探 讨图 8 运输巷侧煤层裂隙及破坏情况实测图实测 结 果表明 : 距工作面相同位置处 ， 回风巷侧煤层裂
23、隙发育程度大于运输巷侧 ， 即距工作面相同位置处 ，回风巷侧煤层渗透性大于运输巷侧 ， 这也是导致回风巷侧煤层瓦斯流量大于运输巷侧煤层瓦斯流量的原因 ; 距工作面较近的煤层破坏严重 ， 裂隙发育程度较大 ， 煤层渗透性较好 ， 随着距工作面距离的增大 ， 煤层损伤较小 ， 裂隙发育程度逐渐降低 ， 煤层渗透性逐渐减小 。4 结 论1) 基于孔隙率的计算方法 和 Kozeny Carman 方程 ，建立了煤层渗透率动态变化模型 ， 理论分析了渗透率动态变化的力学本质 。2) 煤层渗透率和瓦斯流量均具有一致的变化规律 ; 距工作面相同位置处 ， 回风巷侧煤层裂隙发育和破坏程度大于运输巷侧 ， 回风
24、巷侧煤层渗透性大于运输巷侧 。3) 临近工作面 ， 煤层渗透性最大 ， 若对该区域煤层采取针对性的瓦斯治理措施 ， 可有效降低工作面瓦斯浓度 ，为工作面安全高效开采提供保障 。参考文献 : 1 赵阳升 ， 胡 耀青 ， 杨 栋 ， 等 三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律影响的实验研究 J 岩石力学与工程学报 ， 1999， 18( 6): 651 653 2 贺玉龙 ， 杨 立中 围压升降过程中岩体渗透率变化特性的试验研究 J 岩石力学与工程学报 ， 2004， 23 ( 3):415 419 3 邓 泽 ， 康永尚 ， 刘 洪林 ， 等 开发过程中煤储层渗透率动态变化特征 J 煤炭学报
25、， 2009， 34( 7): 947 951 4 彭永伟 ， 齐 庆新 ， 邓志刚 ， 等 考虑尺度效应的煤样渗透率对围压敏感性试验研究 J 煤炭学报 ， 2008， 33( 5):509 513 5 冉启全 ， 李 士伦 流 固耦合油藏数值模拟中物性参数动态模型研究 J 石油勘探与开发 ，1997 ，24 ( 3): 61 65 6 卢 平 ， 沈兆武 ， 朱 贵旺 ， 等 岩样应力应变全过程中的渗透性表征与试验研究 J 中国科学技术大学学报 ，2002， 32( 6): 678 684 7 李培超 ， 孔 祥言 ， 卢德唐 饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型 J 水动力学研究与进展 ，
26、2003， 18 ( 4):419 426 8 ETTINGE I L Swelling stress in the gas coal system as anenergy source in the development of gas bursts J SovietMining Science， 1979， 15( 5): 494 501( 责任 编 辑 张宝优櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗)( 上接 第 85 页 )地应力测试结果表明 : 目前矿区主控地应力为构造应力 ， 最大主应力接近水平方向 ， 三个测点的近水平应力分别约
27、为自重应力 1. 4、2. 1、2. 2 倍 ， 平均为 1. 9 倍的垂直应力 。最大水平主应力方向为北东 南西方向 ， 同南 北方向的夹角约为 10。矿区呈现北东向 、近南北向 、北西向三组断层 ， 复杂的应力环境和采动影响成为回采巷道支护困难的主要原因 。5 结 论1) 地应力测量是一个复杂而系统的 工 作 ， 其对仪器精度和操作精度要求都非常高 ， 测试过程涉及到多个环节和多个步骤 ， 每个环节和步骤的误差都会导致测试结果的误差甚至错误 。2) 实测最大主应力均大于垂向应力 ， 约为垂直应力的1. 4 2. 2 倍 。这说明东周窑矿地应力场是以水平构造应力为主 。最大水平主应力的方位角
28、介于 181 204之间 ， 使矿区呈现北东向 、近南北向 、北西向三组断层 。获得了回采巷道布置的最佳方位图 ， 可指导采区巷道布置 。参考文献 : 1 郭 伟 杰 ， 龚 成 ， 李 晶 地应力测量方法及其需要注意的问题 J 价值工程 ， 2010 ( 25): 136 137 2 康红普 ， 颜 立新 ， 张 剑 汾西矿区地应力测试与分析 J 采矿与安全工程学报 ， 2009， 26( 3): 263 267 3 CHISTIANSSON The latest development for in situ rock stressmeasuring techniques C / /Pro
29、ceedings of the InternationalSymposium on In situ ock Stress Trondheim， Norway: sn， 2006: 3 10 4 蔡美峰 地 应力测量原理和技术 M 北京 : 科学出版社 ， 2000 5 赵德安 ， 陈志敏 ， 蔡小林 ， 等 中国地应力场分布规律统计分 析 J 岩石力学与工程学报 ， 2007， 26 ( 6 ):1265 1271 6 康 红普 ， 姜 铁明 ， 张 晓 ， 等 晋城矿区地应力场研究及应用 J 岩石力学与工程学报 ， 2009， 28( 1) : 1 8 7 康红普 ， 林 健 ， 张 晓 深部矿井地应力测量 方法 研究与应用 J 岩石力学与工程学报 ， 2007， 26( 5): 929 933 8 毕忠伟 ， 丁 德馨 ， 张 明 ， 等 丰山铜矿的地应力测量与分布特征 J 金属矿山 ， 2009( 8): 80 86 9 孙 守增 煤矿开采中的 地应力特点及其应用研究 D 泰安 : 山东科技大学 ， 2003 10 李长洪 ， 张吉良 ， 蔡美峰 ， 等 大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系 J 北京科技大学学报 ， 2008( 2):115 119 ( 责任 编 辑 郭继圣 )982015 年 第 4 期 煤 炭 工 程 研究 探 讨
