杜家村礦地應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)

朱衍利 薛華俊 李 曉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

地應(yīng)力是存在于地殼內(nèi)部未受擾動(dòng)的天然應(yīng)力，主要受重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，其中水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的影響最大。地球無(wú)數(shù)次不同程度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)力場(chǎng)的多次疊加、牽引和改造影響，導(dǎo)致了地層中某一區(qū)域的地應(yīng)力不可能通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算或建模分析直接獲取。采礦工程中，若要研究巖體力學(xué)屬性、上覆巖層的運(yùn)移破壞規(guī)律、圍巖穩(wěn)定性分析與控制等，必須通過(guò)地應(yīng)力測(cè)量真實(shí)的掌握地應(yīng)力狀態(tài)[1-5]。因此，本文為了有利于杜家村礦巷道圍巖控制進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試研究。

1 工程概況

杜家村井田位于寧武向斜的東翼，其基本構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，地層走向北東，傾向北西，傾角一般為30°～35°，最大45°，在井田的東南角發(fā)育有兩條斷裂構(gòu)造，斷裂帶附近可見(jiàn)近直立地層。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有陷落柱和巖漿巖侵入。杜家村正斷層:橫穿井田南部，跨井田東南角，斷層走向北東—南西，斷層面傾向南東，傾角73°。在上村北溝內(nèi)見(jiàn)O2灰?guī)r與P1x黃綠色中粒砂巖，灰黃色砂質(zhì)泥巖接觸。杜家村北溝內(nèi)見(jiàn)Pls2灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖與P2s2紫紅色砂質(zhì)泥巖接觸，斷距約200 m，東西兩端延出井田。在杜家村正斷層北，木頭溝東側(cè)，根據(jù)地層出露情況，在黃土中推測(cè)有一斷距45 m的正斷層，走向北北東，傾向南東東，與杜家村正斷層在區(qū)南界外斜交。

2 測(cè)試原理

地應(yīng)力測(cè)量的目的就是要確定巖體內(nèi)某一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。巖體中一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)可由坐標(biāo)系中的六個(gè)應(yīng)力分量來(lái)表示，如圖1所示，在無(wú)擾動(dòng)情況下，六個(gè)應(yīng)力分量相對(duì)平衡，無(wú)法測(cè)得。只有通過(guò)擾動(dòng)(如打鉆孔)，使原平衡被打破，繼而會(huì)形成新的平衡狀態(tài)，在兩種平衡狀態(tài)之間，通過(guò)傳感器將巖體應(yīng)變和位移的變化數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)巖石的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，建立相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算模型，再根據(jù)觀測(cè)到的應(yīng)變或位移數(shù)據(jù)，就能計(jì)算出測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力的六個(gè)分量或三個(gè)主應(yīng)力的狀態(tài)(大小和方向)。

測(cè)量地應(yīng)力最常用的兩種方法是二維水壓致裂法和單個(gè)孔測(cè)量一點(diǎn)三維應(yīng)力狀態(tài)的套孔應(yīng)力解除法，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)水壓致裂法雖然是一種二維地應(yīng)力測(cè)量方法，但是能夠測(cè)量地殼深部的地應(yīng)力，不是測(cè)量不夠精確。在對(duì)山西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)杜家村礦的地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征的認(rèn)識(shí)，為了對(duì)杜家村煤礦的地應(yīng)力進(jìn)行精確測(cè)量，選用空芯包體套孔應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量方法。

3 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試儀器

本次測(cè)試采用CSIRO型空芯包體應(yīng)變計(jì)，為消除溫度變化可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，在應(yīng)力計(jì)的頂部加設(shè)了一個(gè)補(bǔ)償應(yīng)變片。應(yīng)變儀為KBJ型智能數(shù)字應(yīng)變儀(北京泰瑞金星儀器有限公司研制，測(cè)試精度達(dá)到0.1%)。定位器、測(cè)試泊松比和巖芯彈模的率定器均為中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制，如圖2，圖3所示。

3.2 測(cè)試過(guò)程

本文采用空芯包體(類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂三軸應(yīng)變法)套孔應(yīng)力解除法，主要通過(guò)打鉆孔解除原巖應(yīng)力，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的鉆孔應(yīng)力解除技術(shù)主要有以下幾個(gè)步驟:

1)打大孔:用定向鉆機(jī)向圍巖鉆進(jìn)應(yīng)力解除孔，設(shè)計(jì)孔深12 m，直徑130 mm，保證鉆孔有上傾3°～5°的角度，便于降溫水的流出和清洗鉆孔。

2)做錐形孔底:為保證后面的小孔與大孔同心，在孔深達(dá)到12 m時(shí)換錐形鉆頭做錐形孔底。

3)打小孔:用特制的小鉆頭繼續(xù)向里打φ36 mm，深200 mm的小孔。

4)清潔小孔:先后用風(fēng)管、蘸有酒精的濕毛巾、干毛巾清理小孔，保證包體與小孔巖壁粘結(jié)牢固。

5)安全包體:將裝有粘結(jié)劑的包體固定在定向器上，通過(guò)不斷接長(zhǎng)推桿慢慢地將其送入小孔，送入過(guò)程中注意固定銷(xiāo)的剪斷。

6)拔出定向器，分級(jí)深度(3 cm)鉆進(jìn)解除套芯，記錄數(shù)據(jù)。

3.3 測(cè)試分析

本文主要測(cè)試了三個(gè)鉆孔，其中Ⅰ號(hào)鉆孔，最大主應(yīng)力σ1=6.64 MPa，方位角為 205°，傾角為 1°;Ⅱ號(hào)鉆孔，最大主應(yīng)力 σ1=13.36 MPa，方位角為 184°，傾角為 －28°;最大主應(yīng)力方向近似水平方向，其值約為豎直應(yīng)力的1.04～1.38之間，礦井的地應(yīng)力場(chǎng)是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的;最大主應(yīng)力的走向方位角在184°～205°之間，為北東—南西方向，與杜家村斷層的夾角小于45°，符合規(guī)律。

同時(shí)，本區(qū)位于中國(guó)北部巨型的祁呂賀蘭山字形構(gòu)造系東翼中段的內(nèi)側(cè)，山西地塊中北部，呂梁隆起北段之東翼，來(lái)自北西西(鄂爾多斯地區(qū))方向的壓應(yīng)力，在寧武煤盆地東緣形成一系列逆斷層和褶曲。在寧武煤盆地的東緣，由于受到五臺(tái)古老地塊的抵抗，也形成了逆斷層，這樣就形成了寧武煤盆地南部的構(gòu)造形態(tài)。構(gòu)造線總體方向?yàn)楸北睎|—南南西向。除此之外，在煤盆地軸部，受邊緣構(gòu)造影響較小，還局部保留有與山西陸臺(tái)南北向翅起同時(shí)形成的南北向褶曲的殘留部分。

杜家村煤田位于寧武煤盆地的東緣，以斷裂構(gòu)造為主，褶曲為輔。井田內(nèi)發(fā)育有兩條斷裂構(gòu)造，受斷層影響，最大主應(yīng)力方向與斷層夾角小于45°，符合規(guī)律。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)測(cè)試表明，杜家村煤礦最大主應(yīng)力方向?yàn)榻扑椒较?，其值約為豎直應(yīng)力的1.04～1.38之間，礦井的地應(yīng)力場(chǎng)是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的;2)該礦井田最大主應(yīng)力的走向方位角在184°～205°之間，為北東—南西方向，這與杜家村礦井的地質(zhì)條件相吻合。

[1] 張樂(lè)文，張德永，邱道宏.徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地應(yīng)力場(chǎng)反演中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2012，33(3):799-804.

[2] 付成華，汪衛(wèi)明，陳勝宏.溪洛渡水電站壩區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(11):2305-2312.

[3] 陳 通.應(yīng)用地應(yīng)力測(cè)量進(jìn)行沿空掘巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)[J].錨桿支護(hù)，1998(3):5-8.

[4] 孔凡平.深井高應(yīng)力軟巖巷道破壞機(jī)理及其防治[J].錨桿支護(hù)，2012(2):24-27.

[5] 常 嘉，周業(yè)萍.復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道圍巖分級(jí)BQ修正法的應(yīng)用[J].山西建筑，2012，38(8):186-187.