1、第四章 区域稳定性工程地质研究,所谓区域稳定性是指工程建设区在内、外动力(以内动力主)的综合作用下，现今地壳及其表层的相对稳定程度。工程地质人员研究区域稳定性的目的在于了解区域地应力状态工程地基、场址或地下工程，尽量布置在相对稳定地区(或稳定地块)，避开现今活动构造带。区域稳定性工程地质研究的主要内容包括：区域地应力场、活断层的分布和地震活动情况。 第一节 区域地应力场的工程地质研究一、地应力的概念地应力是指地壳岩体中，在末受人为扰动的天然状态下所具有的内应力，亦称现代应力或原始地皮力，岩石力学中称原岩应力。大量研究表明：地应力为三向不答压的空间应力场，其三个主应力的方向和大小是随所在工程区的
2、平面位置、深度、地层层位的不同而变化，甚至随时间也有细微变化，严格地说它是一个非稳定应力场。由于地应力受地形、构造和岩石物理力学性质诸方而因素的影响，这给地应力的研究带来巨大困难。从目前技术条件而言，歇查明一个矿区不同位置、不同深度、不同层位地应力状态的细微变化，耗资颇巨，却并非必要。对于煤矿地下工程设计人员来说，最重要的还是了解矿区宏观地应力特征。,为了研究一个地区的地应力宏观特征，人们不得不把在漫长的地质历史时期逐渐形成的地应力简化、概括为三个方向近乎互相垂直的主应力。按其成围，可划分为自重应力 构 造应力 和侧限应力 (图41)。,1自重应力自重应力是在重力场的作用下，由岩土体自重而产生
3、的内应力 。例如，在地壳中,深度为H米处的垂直应力 可由下试计算: 式中 岩土体重度，kN ；H深度，m。 如地层由土层和岩层组成，应分别用土体和岩体重废计算后再利用叠加的方法处理。2构造应力在地应力的组成中，水平或近水平方向又有最大水平主应力和最小水平主应力之分。最大水乎主应力往往能使地层产生榴皱、断裂等各种构造形抵所以人们通常称巴为构造应力 .构造应力大的地区,水平方向最大主应力 大于自重应力 。,3侧限应力在自重应力 和构造应力 作用下，由于泊松效应，在水乎轴y方向将产生变形。由于岩体小单元体的周围均有物质(岩体)充填，所以y轴方向的变形不会出现。在地应力的组成中，水平方向最小主应力 就
4、是限制y铀方向变形的力，所以称它为侧限应力。侧限应力的大小，在不同的条件下可通过计其获得。,3侧限应力(1)在区域应力处于拉张条件下，或构造应力很小的地区，其铅宜应力为最大主应力,等于上覆岩体的自置。当地下岩体为各向同性的线弹性体时，可由广义虎克定律导出 式中 水平应力系数或侧压力系数， ;泊松比。 岩石的伯松比一般为 0.150.35, =0.180.54。 当 时，在岩体内部必然产生巨大的剪应力，岩体内的剪应力将超过岩体的抗剪强度，岩体处于一种隐蔽破裂状态(有人称为“潜塑性状态”、 “潜塑状态”等)，这时泊松比 可达0.5，,为1的极限状态，即 静水压力状态。瑞士学者海姆(Haim)在18
5、78年首先提出，在上覆岩体自重应力作用下，地下岩体经过漫长地质时期的蠕变结果，可造成各向等压(即静水压力)状态，或称海姆静水压力状态。经近期大量研究表明地壳深部软弱破碎岩体是处于静水压力状态，而坚硬岩体中处于各向不等压状态。海姆把静水压力状态看成现代地应力场的普遍规律是不全面的。应当特别强调，在自然界的物质中，泊松比的最大极限位为0.5。但在有些岩石力学制试报告中曾出现过伯松比大于0.5的情况，在计其机调参过程中也有把泊松比无限制加大，甚至超过0.5的做法，这都是错误的。,(2)构造应力大的地区，在地下岩体为各向同性的线弹性体条件下，侧应力值为: 1980年陈宗基教授苗提出封闭应力的概念。 认
6、为，岩石是非均匀介风其颗粒大小、力学性质及热传导系数等均不相同。地壳中的岩石在压力和温度的影肉下，岩石中各种晶体将产生变形。由于晶体与晶体之间存在有一定的摩摄力，在变形过程中局部将受到阻碍，引起应力积聚。在岩石中有部分应力被药存苔，并处于平衡状态，这部分应力称为纪闭应力。 在煤系地层中泥岩、页岩占有很大比重，岩性软弱、强度很低，所以其封闭应力居极次要地位，工程上可不考虑。,二、区域应力场的宏观类型1大地应力场型大地静力场型是指组成地应力的三个主应力中最大主匝力为自重应力的地区。区域池应力场与地壳运动有着密切关系。有些地区位于运动地块的后方，处于拉张应力场中，在拉张应力作用下，全区不断下沉，呈现
7、大地静力场型特点。全区下沉的重要地质标志，是沉积了比较厚的第四纪沉积物。马尔柯夫在前苏联境内进行了20余年的地应力制量工作，他最后得出一条重要结论：近期处于不断下降的地区，最大主应力为垂直方向，无一例外。我国安徽省潘集矿区冲积层厚为200一300 m，1987年中国矿业大学工程地质教研室应用应力解除法，在潘集二号井530m水平进行了地应力制量工作，实制结果表明最大主应力为垂直方向，完全符合上述规律。所以潘集矿区为典型的大地静力场型，不存在高构造应力。在许多大地静力场型地区经地应力实例结果，其垂直方向的最大主应力有时会略大干计算值( )。这是因为地应力制量必须选择在石英砂岩或石灰岩等坚硬的岩层中
8、进行，在软硬相问的岩体中硬岩层有应力集中现象，所以实制垂直应力有时会赂大干计算值。,2大地动力场型某些地区位于运动地块的前方，处于构造挤压应力场中，在区域播压应力场作用下，全区不断上升。全区上升的重要标志是河流下切、基岩裸露，形成高山深谷景观，常有河流冲积物(加河卵石)高悬于山坡之上的现象。所谓大地动力场型是指构造应力大的地区，组成地应力的三个主应力中最大主应力在水平方向。我国典型的大地动力场型矿区有辽宁省的北票矿区和湖南省的牛马司矿区。经地应力实制，两矿区最大主应力均为水平方向。3.等压应力场型(静水压力场型)煤矿是开拓在含煤沉积建造中的大规模地下工程。含煤沉积建造的最大特点是含有许多煤层和
9、大量的泥岩、页岩、砂贝岩互层等软弱岩体，这种岩体不仅宏观结构面发育，如把软岩加工成岩石薄片在显微留下观察，且微观结构面也极发育；其抗剪强度极他加之漫长的地质年代这一时间因素和大大小小的地震活动，煤系软弱破碎岩体的抗剪强度几乎接近于零；通过多种方法均可证明，这种岩体中王个主应力的大小近于相等。,1) 理论计算证明 据许多学者的研究，漳尔应力圆能够客观地反映软届岩体和土体中的应力变化。图42表示两个方向的主应力分别为 和 岩体中的剪应力: 所以 一 = ,煤系地层中，软弱破碎岩体的抗剪强度近于零( 0)。由此可见，只有当 =0时(即处于钟水压力状态)，才能满足 =0的条件.,2)地应力实制结果证明
10、 德国曹尔大学曹拇尔(Rummel)教授利用水压致裂法在世界各地进行了大量的地应力制量工作，结果表明，即使是在构造应力很大的地区，软弱碎岩体地段原岩应力也表现为静水压力状态。图43中表明，在300一500m之间有构造应力大的特征，在深度为100m、200m、300m和500 m四个点上，各方向地应力大体一致。,3)矿压实制结果证明 1981年限南矿务局新庄孜煤矿，在四水平软岩试验巷道4号制点，支护与围岩之间安装35块ZY20型压力枕，实制结果表明(表41)，试验初期巷道顶部没有压力，而两帮压力大，从1982年2月13日至4月19日历时65天，随着时间的推移，、和 各点压力逐渐趋于均匀分布，说明
11、软弱破碎岩体具明显的流变性。岩体流动变形的结果，使岩体内部的应力不断得到调整，总的趋势是向静水压力状态发展。,三、煤矿区现代地应力场的研究方法现代地应力是影响地下工程围岩变形、破坏的主要因素。因此在围岩稳定分析中，正确地认识现代地应力场的特征至关重要。在煤田和煤矿中，如何研究现代地应力场，众说纷芸、分歧很大。有人重视研究构造形迹中的压性结构面和x共朗剪节理，并以此推断是否存在构造应力和现代地应力场中最大水平主应力方向，认为最大水平主应力方向垂直于背斜轴、向斜轴和逆断层，或者把x共钝剪节理锐角平分线作为现代最大主应力方向，这是研究古构造应力场的方险古构造应力场和现代地应力场一般并不一致，也有人在
12、煤矿巷适中制员大量裂隙，并利用玫瑰花图确定最大主应力方向，这种做法不要，因为巷道中所见裂隙有些是原牛构造裂隙也有巷道开挖过程中因岩体破坏而出现大量的次生裂隙；还有人认为断层多的地方就是现代构造应力集中的地方，巷道破坏严重时也一定是与构造随力相关等等。大量事实表明，把复杂的现代地亦力场的研究简化为上述简单模式，往往会得出不符合实际情况的错误结论。,现代地应力场的正确研究途径应是区域构造演化研究与矿区构造分折相结合、理论分析与定迢制且相结合、井下观察与室内试验相结合，综合运用多种手段、多种方法，才能比较客观地揭示个矿区的现代地应力场的特征。这些多种方法、多种手段归纳为：理论分析方法、地质分析方法、
13、井下观察与试验方法，以及实验方法。1理论分析方法现代地应力场与现代地壳运动有着密切关系。图(44)表示一个运动地块与地应力场的关系。当矿区位于运动地坎的前方时，将受到强大的挤压力，表现出构造应力大的特点，当矿区位于运动地块的后方时，处于拉张状态，构造应力小， 自重应力为最大主应力。由此可知，理论分析方法就是根据地壳运动规律，确定矿区地应力状态的方法。,地壳运动机理是地学领域的一个基本理论问题。在工程地质领域市，它是研究区域稳定性、地皮力场的基础。经过十余年的时间，探讨了陆壳运动机理、规律、陆壳运动趋势等问题，取得了有价值的成果。 下面简介如下:我国是以大陆为主体的国家，地域宽广，地质构造现象极
14、为丰富，许多典型地块的运动趋势极为清楚。例如，在洛阳地块、江西九岭山地区、云南丽江创川地区等，先后搜集到大且的典型运动地块的地质、构造和地理物理资料，经过反复分折对比，得出规律：密度大的地块有向极点运动的趋势，密度小的地块有向赤道方向运动的趋势；从布格重力异常图中可以看出，茄格重力等值线正值越高，地块的密度越大，布格重力值越低则地块的密度越小；基性、超基性岩体大量出现，造成地块的密度增大，大规模的酸性岩浆活动的地区：足小密度地块具有的特点。之后，又用理论分祈、数学力学方法均证明了地球表面密度增加的地块向极力增大，密度减小的地块离极力增加。由于在证明过程中利用了“等势面”、“最小能量极值原理”、
15、“密度平衡椭球体”等概念，所以这种新的观点称为“密度平衡椭球体”理论。,现以淮南矿务局路案矿区现代地应力场预制过程为例，说明理论分析确定地应力状态的方法。潘巢矿区。特别是潘集二号外，巷道仍然破坏极为严重，引起了全国煤矿工程界的关注，留召开多次现场会议讨论研究，多次迎汉支护方式，巷道仍然失稳严重。在这种情况下，利用理论分析的方法，对此区进行了地应力状态的分析研究。1)收集研究区布格重力异常因 国家制绘总同1980年曾编结1:2500000全国布格重力异常图，全国绝大部分地区在此图上有反映(图45)，各省地矿局物探队也编有本省区的布格重力异常图。此图是研究现代地应力场的重要依据。2)确定远动地块的
16、运动趋势 由图(45)明显看出，罗田岳西霍山一带有一个明显的负异常区，面积大、布格互力值低(达79.1mGaI)。大面积负异常区表明，该区与其周围邻区相比。具有大面积密度小的特点，从而有内走道方向运动的趋势。3)确定研究区地应力状态 根据“密度平衡满球体”理论，罗田罗西山一带为一大面积负异常区，有向南(赤道)运动的趋势，而潘集矿区位于运动地块的后方，处于缓惧拉仲状戳，由此可知潘集一霍山地区最大主应力为垂直方向( )，最小主应力为南北向，中间主应力为东西向。1986年8月公布了这一研究成果，1987年9月在潘集二号井530m水平进行地地应力测量验证工作实制结果为，最大主应力近垂直方向，为16.4
17、MPa朗中间主贝力近东西方向，为13.4MPa朗最小主应力近南北方向，为7.21MPa。此结果与预制结果完全致，说明该区属于大地静力场型、构造应力小的矿区，巷造田岩破坏严重的主要原冈是堵体软涡所致。,2地质分析方法在一定的地应力条件下，会产生相对应的地质构造现象。或者说，一定的地质构造现象，它必然与确定的地应力场相对应。通常地应力场不能被人们用内服观察到，而地质构造现象应却易于观察和易于认识。地质分析方法就是分桥地质构造与地应力的相关关系，把无形的事物变为有形的对象去研究，再通过有形的事物获取“无形” (地应力扬)的资料。关于构造现象与地应力场的关系，某些规律早已被人们所认识。例如，田曲构造和
18、逆断层的形成，就是拓垂直榴皱轴方向挤压应力场作用的结果，而正断层则是在拉张应力条件下形成的。但在研究现代地应力场的过程中，简单套用上述原则还不够。因此在研究地应力场时，首先应分清古构造应力场和现代地应力场。一般来说，利用老地层中的节理、榴皱轴、逆断层等地质现象，可以确定古构造应力场。方构造应力场与现代地应力场有时一致、有时不一致，但不一致的情况较多。,所以必须掌握一套正确的研究方法，现介绍如下；1)研究区域构造形态和构造分期 这项工作主要的目的是搞活一个地区地应力场的演变历史，最后一期地皮力场的特点代表了现代地灾力场。其工作方法是：先收集一个地区或矿区的地质图(包括大、小比例尺图)，构造分期配
19、套，明确几期构造，根据构造相互切割关系，找出本区最后一期构造特点和地应力场构造特征。需要指出，一个地区最后一期构造，显示了现代地应力场的特征。现以淮南潘集矿区为例，简述构造分期及确定现代地应力场的过程。潘集矿区主要地质构造特征是：构造线的展布大体上呈东西向延伸;大型格皱有谢桥古沟向斜、陈桥播集背斜、尚塘耿村集向斜、朱集唐集背剁，大型逆断层有舜耕山断层、阜风断层，正断层有寿县老人仓断层、山王集断层，以及许多小型近东西延伸的正断层(图46)。,根据构造形成的力学机制，潘集矿区的构造应分屑两种不同的应力场：按压应力场形成一系列褶曲和逆断层，拉张作用形成一系列正断层。在潘集二号井-330m水乎构造图中
20、，两组构造相互切割关系明显，从图47中明显看出正断层切割了背斜轴，可以确定背斜、其它裕曲和逆断层形成在先，而正断层形成在后。所以潘果地区宏观地应力场的演化过程是应先有一个按压应力场，之后又出现拉张应力场。,本区发生核绞的最新地层为三叠系，缺失三叠系，因此技压徊皱作用发生在三叠纪，即印文期。当时，舜饼山以南的地块缓慢向北运动，在强大的按压应力作用下形成了一系列向斜、背斜和逆断层。在燕山期，商城、露山(参见图45)以南的大别山区，发生了大面积酸性岩浆活动，并有一个密度变小的过程，所以大别山地块缓馒地向南运动，淮南涵集地区处于运动地块的后方，在拉张应力作用下形成一系列拉张正断层，且这种应力状态一直延
21、续至今。2) 确定地块区域性升降的宏观特征 在强大的构造应力作用下，地壳逐渐上升隆起。上升区近代沉积物完全被列蚀，并具有高山、峡谷的地貌景观;而缓慢下降区是与披张应力场相联系，处于不断下降的地区，往往接受巨厚的第四纪沉积物，地势较乎埋。这一结论，已通过国内外大量的地应力制量资料得到证实。3井下观察与试验方法矿井巷道围岩的破坏和位移与岩体的强度和地应力状态有着密切关系。如果从理论上和试验上把两者内在规律摘清，便可通过对力：下巷道围岩的破坏和位移规律的观察，得到现代地应力状态的可靠信息。 1)强度验算方法 从理论上证明，大地静力场型矿区中巷道开挖后最大围岩应力一般为23倍的 。用3 与岩石强度相比
22、较，便可了解矿区的地应力状态。如前苏联培什培戈里斯科矿区，巷道理深仅100一200 m，巷道围岩岩石单轴抗压强度高达150一200MPa。,在这种情况下，如果只有上贸岩体重力场的作用，就不会出现岩休破坏现象，然而该矿却发生丁岩爆。前苏联学者多尔恰尼诺夫认为： “可以肯定地壳中构造应力场的存在”。许多事实表明，构造应力大的矿区，有两个突出特点；其一，巷道破坏发生在整体性好的岩体小，这是因为整体性好的弹性体最容易集中较高的构造成力，因而出现破坏严重的现象；其二，浅部破坏严重，而往深部破坏程度有所减弱。这是因为构造应力与自重应力比值是随深度增加而减小，超到深处构造应力和自重应力越趋于接近，等压状态对
23、巷道围岩稳定性提供了有利条件。2)巷道围岩变形规律 我国在巷道围岩的研究中，实制丁大量的围岩变形数据，有人利用这些数据，对矿区最大主应力方向进行丁推断。例如，当观制的结果为水平方向的位移量当观制的结果为水平方向的位移量大于垂直方向的位移旦，便得出结论：“水平方向的地应力大于垂直方向的地应力，或称构造应力大的矿区”。通过并下大量的观察、室内试验和理论上的研究发现，巷道围岩变形与最大主应力之间存在着复杂的多种关系，人们必须深入细致地研究具体的：程地质条件，才能正确地认识巷道围岩变形与最大主应力的关系。在研究巷道围岩变形与最大主应力的矢系过程中，应特别注意以下几点：,(1)巷道围岩变形且最大的方向，
24、不一定是最大主应力的方向。这是因为经过泥巴加压试验利用一块立方形泥巴，中间搁一圆洞模拟巷道，然后在水平方向加压(图48。)，方形泥巴在加压方向缩短，垂直加压方向伸长，圆洞樱慢变成椭圆形(图48)后，可发现三个明显特点：左右两夹板的距离逐渐移近，垂直于加压方向圆洞变长，,大量物质(泥巴)在垂直方向产生塑性流动。如果煤矿巷道变形也是同样的机理，必然出现地面隆起、巷道水平方向变小、垂直方向增大等现象，但实际情况并非如此。,(2)巷道围岩大变形(5cm)的本质为围岩扩容(碎胀)变形。在进行岩石力学性质试验时发现，软岩和硬岩的体应变曲线分属两种不同类型，如以正应力。为纵坐标，以体应变( )为携坐标绘制体
25、应变曲线时，则曲线表明，开始时随着正应力。的增加，软岩、硬岩都表现为体积缩小( 为负值)。当缩小到一定程度时，硬岩发生突然破坏，但无明显扩陈而软岩不同，当体积缩小到一定程度后再加压时，出现体积增大，这是因为岩石内部出现了大旦裂隙。这种变形过程称为扩容，或称碎胀变形。岩石在三轴条件下，也会产生同样结果(图49)。,通过试验可知，岩石体积扩容的规律是扩展方向垂宜于最大主应力方向。认识这一规律至关重要，可使人们正确的分析巷道围岩变形与最大主应力之间的关系。煤矿巷道开挖后，巷道围岩随即出现应力重分布现象，围岩表面切向应力增加，可增大到原岩应力的23倍，径向应力则减小为零。巷道岩壁受力情况，基本相当于三
26、轴试验情况，其中切向应力为 径向应力 巷道水平延伸方向相当于 。当 超过岩石的强度时，岩石出现肿胀变形。在巷道中出现明显变形的地区，均屑此类机制。通过上述分析，可总结出如下规律：在近圆形巷道中，当为均质围岩条件下，碎胀变形量最大的方向与最大主应力方向相垂直，在大地豁力场型矿区,水平方向肿胀位移量最大。(3)在煤系地层中，石灰岩和坚硬的石英砂岩可按曾成弹性介质。在弹性介质中，利用弹性力学公式可计算出巷道周边压力分布情况(图410)。弹性变形的变形量与正应力成正比。当 1时，p p，在P方向上径向位移量大，即弹性变形最大的方向与最大主应力方向一致，这一规律与碎胀变形相反。这种弹性变形有两个明显特点
27、：弹性交形量很小，一般不超过5cm，巷道一旦开挖成巷，弹性变形随即完成。,(4)煤系地层沉积结构面极为发育，它对巷道围岩变形量有重要影响。在静水压力条件下，当岩层产状近水平时，其垂直方向变形量大(图411a)，当层理垂直时，其水平方向变形量大(图411b)。 (5)尖桃形破坏是田破巷道重要的破坏型式之一，它已引起许多研究者的重视。有人认为，这种破坏是构造区力作用所致。笔者曾在潘策二号井、榔河三号井进行过大量的实际,观察，详细地调查过巷道尖桃形破坏的原因，结果表明，在砌殖过程中，破体的底部、侧墙与围岩之间容易充填密实，但殖顶与其上部围岩之间空隙很大，却很难充填密实。老只用木棍、木棒文撑，或用松散
28、碎石充填实际上殖顶和围岩并末接触(图412a)，形成整个殖体中员薄瑰的环节，一旦巷道围岩产生位移变形和对殖体挤压时，殖体很快向其最薄弱的部位冲击，造成巷道尖跳形破坏（图412b)。由此可知，引用这种现象推制现代地应力场很不恰当。,(6)巷道破坏是否具有方向性，这是判断构造应力是否存在的重要标志。当巷道延伸方向与构造应力方向垂直对，巷道破坏严重;当构造应力方向与巷道延伸方向一致时，其稳定性较好。在应用这一原则时，要注意一定选择工程地质条件相近的巷道进行比较。即穿层巷道与穿层巷道相比较，或者不同方向的顺层巷道之间进行比较，而不能把穿层巷道(石门)与顺层巷道进行比较。所谓工程地质条件相似，是指巷道的
29、埋深、围岩岩性、层理发育情况及产状等相似。 (7)对剪切破坏带的观察，是判断最大主应力方向的重要工作。在潘集二号并进行巷道调查的过程中，发现西冀石门出现大型剪切破坏带，功切裂缝出现在腰线以下，剪切面与水平而夹角约 延伸距离达60余米。之后，在其它煤矿也发现同样现象。为了探讨这种剪切破坏产生的机理，在室内进行了模拟试验。试验结果表,明，在剪切破坏带中， 剪切面与最大主应力方向成锐角相交。根据实制潘集二号井剪切破坏面与水平面成 左右，表明最大主应力在垂直方向(属大地静力场型矿区)。 综合上述分析，依据井下观察到大旦的围岩位移和破坏现象，可以得到现代地应力场的可靠信息。但同时必须考虑岩体结构面的彤响
30、、人为因系的影响、岩体性质的影响等，否则容易得出错误的结论。4地应力实制方法在地应力实制前，应对全区地应力状态进行系统研究，其中包括理论分析、地质分析和井下观察等。当确定工程区域大地静力场型时，一般不进行地应力实到工作。这是因为岩体中的地应力状态比较清楚：软弱破碎岩体中为等压状态；硬岩中最大主应力在垂直方向( )，中间主应力和最小主应力较接近可按侧限应力计算大小。在大地动力场型矿区，由于硬岩往往集中较高的构造应力，所以应在硬岩中进行地应力制量。 我国的地应力到员工作是在李四光教授的倡导下，于60年代初期开展起来，目前已在地震、地质、冶金、煤炭、石油和水利部门得到广泛应用。地应力到量方法很多。按
31、到量原理，可分为直接制量和间接城量两大类。直接制量是通过到量岩石的变形、破坏来直接确定地应力;间接到量是通过制量岩石的物性变化来确定介,质的受力状态。按制量内容上，可分为绝对值制量与相对值制量两种。相对值制量是指制量固定点应力状态随时间变化情况，这对预报地震具有重要的监酗作用，所以在地震部门经常被采用，如自由孔式制量方法。自由孔式制量又可分为孔壁位移型(图413a)、孔壁应变型(图413b)和孔底应变型(图413c)。制量所用传感元件多为应变片、应变丝。地应力绝对值制量是通过岩石变形与破坏的量制，直接获得地应力大小和方向资料，这对研究地下工程的稳定性具有重要意义。下面重点介绍经常采用的府力解除
32、法相水压致型法。1)应力解除法 又称套芯法。它是将贴有应变片的传感器(空间三轴应变计探头)，通过钻孔发入原岩应力区，并使探头与岩体贴结成为一个签体，然后用大钻头套芯解除围岩应力，岩芯产生弹性恢复变形过程中带动探头传感器工作。岩体在地层中受到的压力越大，其恢复变形越大，以此计算原岩应力大小。由于这种方法在井下巷道中实到方便，所以在煤炭系统应用比较广泛。中国矿业大学工程地质教研室等单位，多次运用这种方法进行实制工作。制量步骤如下：(1)选择合适的制量位置。制点注意选弹在坚硬完整的岩体中，如块状石灰岩、坚硬的石英砂岩等。当硬岩层的厚度较大时，则应选弹在岩层的中间部位，其应力状态文具代表性。(2)井下
33、钻孔深度要达到原岩应力区。在岩体中，由于巷道的开挖，在巷道周围岩体中出现应力集中现象，其影响范围约为巷道断面跨度的1.52.5倍(或半径的35倍)，因此要求钻头埋设在,应力集中影响范围以外(图414)。应力解除孔口径 ，并采用金刚石钻头钻进。为了保持孔内清洁、无积水，钻孔倾角上仰5。左右为宜。钻至巷道影响图时停钻，井将孔底磨乎。继续钻一孔径为36mm的小孔，孔深1m左右。然后，用清水冲孔和丙酮洗孔。 (3)安装探头(应变计)。应变计内有三组应变花，每组应变花由4片应变片组成(图415)。安装过程中，先把加热的环氧树脂注入探头的空腔内，用纫铅丝固定，连接安装扦、定向仪和探头，并插入孔内。到孔底后
34、用力加压、剪断铅丝，空腔内的环氟树脂被挤出，把探头与岩体粘结在一起，48h后粘结牢固。 (4)探头粘牢后，进行定向并卸下安装扦、定向仪，将探头的电线从钻头和钻杆中间垃出并接在应变仪上。注水35min，待应变仪读数穆定后开始用 大钻头钻进，进行应力解除，并记录0cm、3cm、6cm、36cm时的应变仪各挡读数。钻进越过探头位置效基米后，将简状岩芯自根部扭断，连同岩芯内的探头一起从孔底提出孔外。上述过程称为应力解除。 (5)围压串定。其目的是检查各应变片工作是否正常，并求得岩石的弹性模量和泊松比(亦可利用钻孔中的岩芯加工成岩样在压力机上制定)。串定过程是将内合应变计的岩芯放入围压串定仪内，在加压和
35、减压过程中记录应变计的读数。,(6)绘制应力解除曲线。根据应力解除时记录下的应变值，以解除深度为福坐标，应变值为纵坐标，绘成曲线(图416)。从图上可以看出，各应变片的应变值随着应力解除深度的变化，最后确定稳定的应变值。 (7)根据所得的各个应变值、弹性模量、拍松比、钻孔方位角,以及A组应变花的位置来计算主应力大小和方向。由于计算公式比较复杂用计算机计算既迅速又简便。 2)水压致裂法 1947年，美国为了从旧油井中二次采油，采用高压水将岩石压裂的方法。60年代，开始利用这一方法进行地应力绝对值制量，并在理论上和室内试验方面有了很大进展。70年代以来，包括我国在内的许多国家，广泛开展了水压致裂制
36、量工作，获得了许多重要资料。这种方法最大的特点是在钻孔中进行，可在任一深度实田。1977年，美国成斯康星大学的海姆森发表了他在北美洲5.lkm深的钻孔中制得的地应力资料。水压致裂法就是通过钻孔向地下某深度处压液，用高压将孔壁压裂，然后根据破裂压力、关闭压力和破裂面的方位计算和确定岩体内各主应力的大小和方向。水压致裂法的设备及工作原理见图417。为了阐明水压致裂法的原理，首先要了解水乎应力场中孔壁切向应力分布情况。假定岩体是均质弹性体，表示区域最大主应力 表示区域量小主应力 （图418a)，根据弹性理论可知，,周边上切向应力最高的部位为B点，量低为A点。因此，压液后必定从A点开始破裂，孔壁两边裂
37、暖的水平连线就是量大主应力方向。根据弹性力学理论，A点的切向应力(图418b)为 式中 一岩体内原有的空田水压力。 压液后孔壁达到破裂时的压力，称破坏压力(图4l 8c)。孔壁刚刚 达到破裂时周边各点的切向应力均为 且 如果孔壁岩石不透水，压液过程中A点的破裂条件为:所以 式中 一岩体的抗拉强度。,孔壁被压裂后，压力急剧下降。如果继续压入液体，破裂固将向外扩展，其发展趋势田岩体内最小主应力 的方位不同而有以下两种情况：第一种情况，当 为水平时，垂直破裂固将沿其原来方向继续发展。关掉压力泵后，孔内压力随之降低。如果围岩不透水，压力衰减速串发生变化的拐点(图419中 )就是与岩体内垂直于破裂面的主
38、应力 达到乎衡的水压力。通常称为关闭压力， 用 表示 。即,式中 区域最小水平主应力。 第二种情况，当 为垂直自置应力 时，最初产生的垂直裂瞪将向水乎方向发展。如果围岩不透水，关掉压力泵后可出现两次压力衰减速串发生突变的扔点，即两个关闭压力。第一关闭压力 是与垂直最初破裂面上的最小水平主应力 达到乎衡时的水压力；第二关闭压力 是与垂直水乎破裂面上的区域主应力 达到平衡时的水压力。,根据制得 或 值，利用式(43)和式(44)求出 然后由式(42)可代入下式，求得区域最大水平主应力 即在计算 时，需要有岩体抗拉强度 值，考虑到由实验室制得的岩石抗拉强度 值与实际差别较大，并具很大的分散性，影响计
39、算精度，所以布雷德赫特(Bredehocft，1976)等人提出，制定裂缝再开口压力Pr，即裂缝闭合后再重新加压，使裂缝再度张开时的压力(图419)。在这种情况下， =0，然后按下式计算 即,故有下列关系式:,(4-4),(4-5),(4-6),(4-7),岩体中的孔隙水压力 一般等于钻孔中水柱静水压力。当围岩透水时，应考虑渗透作用的影响(计算方法从略)，在实际工作小，应选择无裂隙不透水完整的孔段进行实制。水压致裂法实制步骤如下： (1)水压致裂法的钻孔，在实制段要求采用金刚石钻头钻进，以保证孔壁光滑完整。钻孔施工后，根据钻孔岩芯、钻孔电视选择岩体完整的孔段实制。选好制量孔段后，用印痕封闲器(
40、压印掐克)放置于待制孔段，并施加几兆赖压力，用以了解孔壁是否存在旧有裂隙。(2)在现场对液压系统进行密封性能检查。 (3)用钻杆(或用绳索与高压胶管联合使用)将封隔器置于待制孔段 (4)压裂液可用水或其它液体，如采用粘度为 Pa.s吨的压裂液，其渗透性可以忽略。加压过程中，安绥径而均匀，压力突然下降时，记录破裂压力Pc(图419)。 (5)短时间内继续加压，然后关闭压力泵，注意观制和记录关闭压力 。 (6)关闭压力泵打开通气阀，消除孔中压力，伎裂缝雹新闭合，然后关闭通气阀，厘新加压，使裂缝再开口，并记录再开口压力Pr。为了准确制得Pr值，上述过程可重复几次。(7)制完上述特征压力值后，提出封闻
41、器，将带有罗盘的压印拍克放入压裂段。向压印,拍克加压约1h，孔壁裂续的痕迹就刻印在胶膜上。由于使用罗盘定向，所以裂续的方向(即最大水平主应力 方向)便可推确制得。水压致裂法适于钻孔中进行，所以在煤田勘探阶段研究矿区地应力场时是一种较好的方法。它是直接制量方法，无需了解和制定岩石的弹性模量，甚至连岩石的抗拉强度 也可用水压曲线分析求得。但该方法有一定的缺点，在理论上和技术上还不够完善(如孔欧水压力怎样确定、如何用于各向异性的岩体等)，酗量结果的招度还不很高( 值误会估计约为25， 的误差约在10以内)，水力压裂车等野外试验装奋笨重、成本高，这些问题有待解决。四、影响地应力的因素及主要规律地壳浅部
42、岩体中地应力状态极其复杂起良左安有以下几个方面： 1岩石力学性质对地应力的影响岩体中的地应力是在漫长的地质历史中由于能量的积累与释放而产生。从能量的积累观点来说，岩体中应力的上限必然受岩体强度的限制。如果岩体强度很低，在高地应力作用F就会产生破裂，并出现应力释放和应力重新调整的现氛在高强度的岩体中，可以聚集很高的应力而不破裂。杰格尔(J.c.Jaege r)曾提出地应力与岩石抗压强度成正比的概念；于学菌等人则认为，如果以弹性模量E为主要因素来探索二者的关系，则更具有重要意义，根据李光姻、白世伟的统计资料认为，当Z分别为2xMPa和100xMPa时，地应力分别为3MPa及30MPa，即,窟相差5
43、0倍，应力相差10倍。所以，在相同的地质构造环境中，弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累，且地震和岩爆容易发生在这些部位。塑性岩体容易产生变形和破坏，不利于应力的积累。2断层对地应力的影响断层对地应力场的影响存在两种观点。一种观点认为，断层带是构造应力集中的地段，因为位于断层带的巷道失稳严重、煤和瓦斯经常发生突出；第二种观点认为，断层带是低水平应力区，因为聚集构造应力必须有坚硬、完整的岩体，而断层带为岩体破碎带，是释放地应力的地段。两种观点经过长时间的争论，随着地应力制量成果大量发表，己得出结论。加高莉青等人根据许多制量成果认为：地完隆起带是高水平应力区，沉降带是低水平应力区，断层带附近水平应
44、力最低(图420)。 由此可知，在煤矿断层带附近所出现的巷道严重失稳、煤和瓦斯突出等现象，是由于断层破坏了岩体和媒体的完签性，致使其力学性质大大降低，在自重应力作用下而造成的结果. 3地形对地应力的影响地形对地应力状态的影响较大，因此应充分考虑这一因素。如在深切的狭并中进行地应力制量时，往往得出很高的水平应力，在这种情况下，必须考虑高大的山体对狭谷中的泊松效应的影响，决不能把实制到的水平应力一律认为是构造应力。,目前，国内外许多学者采用有限单元法和实制方法，获得了许多重要研究成果。例如，于学蹈等人利用有限无法计算，发现某一水平面上的地应力分布状态与地表形状不相符合，出现较陡的山体中部垂直应力
45、小于两侧的现象(图421a)；不同水平面上水平应力则出现如图421b所示的规律。1977年，台镕格在臭地利弗尔博山谷和米尔巴益河床下实地制定,了地应力，结果表明，由于受到高大山体的影响，最大主应力偏向山体一方，并与山坡接近平行(图422)。E弗克等人，在印度尼西亚克拉塔发电站地下雨室中系统地研究了地形对地应力的影肉。他在同一个地点，不仅进行了实酗，面且采用不同泊松比进行了有限元计算。,研究结果表明，当泊松比 0.45时，计算结果与实制极相近，实酗最大主应力方向与地表斜坡近于平行（图423)；同时还表明，自然界岩体的泊松比要比岩石明显大，岩石的泊松比多数为0.2一0.3，面岩体为0.45才接近实
46、际情况。4现代地充运动对地应力的影响一个运动的地块在向前运动时，必然推动挤压前方的地壳，被推挤的地壳除产生根高的水平构造应力外，还伴有地壳缓促上升隆起现象。如，我国的甘肃龙首山隆起带的金川矿区、四川二滩地区、湖北黄陵背斜区、欧洲的阿尔卑斯中部隆起区、前苏联的科技半岛隆起区，均酗得很高的水平构造应力。运动地块的后方，必然处于拉伸状态，具有较低的水平应力和地壳缓促下沉并接受现代沉积的特征。如我国的滇西水平、山西地堑系、河北唐山、彼目的莱酋地堑等下降区，均酗得较低的水平应力，最大主应力为自重应力。因此在判段现代地块运动的趋势时，应采用密度平衡椭球体理论，它是一种有效的方法。 此外，影响地应力的还有温
47、度、时间、风化剥蚀作用等因素。由于它们对地下工程影肉较小，这里不再讨论。需要强调指出，在研究地应力场的过程中，必须综合考虑各种主要因素，才能得出一个地区现代地应力场的正确概念。随着世界各国地应力酗量工作的开展和研究成果不段发表，还会使人们的认识不段深化、更新，甚至新的结论与传统的观点可能完全不同。例如，地震活动与地应力场的关系问题，经过对地震活动比较强烈的招目莱苗地堑、我目的海城(7.3级)、龙陵(7.4级)和唐山(7.8级)等地震区的地应力制量表明，在强震区的震中附近地壳线部存在低水平应力特征(25MPa)，而欧洲的阿尔卑斯山脉普遍存在高的水平应力，有些地区甚至高于35MPa，但未发生地震。
48、,五、地应力研究的工程意义1地应力对地下工程断面形状的影响地下工程的断面形状是设计工作考虑的重要问题之一。设计工程断面形状时，要考虑实用和围岩稳定性等两个因素。如果岩体强度高、稳定性好，主要考虑闲空实用问题，断面采用直田半圆拱、三心拱或马蹄形拱均玑在岩体强度较低、稳定性较差的条件下，陆面形状必须与地应力状态相适应(指地下闻室围岩应力接近均匀分布)。为了达到这一目的，对不同的池应力状态应设计不同的断面形状。例如，岩体软弱破碎、地应力处十静水压力状态时，工程最佳断面为圆油最大主应力为自重应力时，工程最佳断面为长轴垂直的椭圆肠构造应力大的矿区，最佳断面形状为长抽水平延伸的椭圆形。椭圆的长袖方向应与最大主应力方向相一致。有时为了改善地下雨室围岩的稳定性，甚至要设计许多辽东而不对称的断面形状。最典型的实例是1959年绍勒提供的弗尔伯陶埃公路隧洞的断面。他为了适应最大主皮力方向，招隧洞的断面设计成带尖的椭圆形(图424)。我国许多煤矿地下工程，也应根据地应力状态，设计最佳断而形状，避免造成人力、财力的巨大浪费。 2地应力对巷道延伸万间的影明根据理论计算、室内试验和现场实际观察，已得出一致的结论：巷道水平延伸方向平行于最大主应力方向时，要比垂直时稳定得多。,
