巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)在地應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)用

牛志力,孟燕，鄭元忠,馬曉東,周長(zhǎng)祥,舒磊

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國(guó)土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，國(guó)土資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100；3.濟(jì)南貝克礦山工程技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

0 引言

對(duì)礦山開采而言，地應(yīng)力是引起采礦工程圍巖與支護(hù)變形、破壞、產(chǎn)生礦井動(dòng)力現(xiàn)象的根本作用力，在諸多影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素中，地應(yīng)力是最主要和最根本的因素之一[1]。

現(xiàn)有的地應(yīng)力實(shí)測(cè)方法很多，但比較常用的方法可以歸納為三類，即應(yīng)力解除法、水壓致裂法、應(yīng)力恢復(fù)法[2]。目前應(yīng)用較廣泛的方法為套芯應(yīng)力解除法[3]。魯西南濟(jì)寧煤田安居煤礦煤層埋深已達(dá)980m，開采深度大，地壓顯現(xiàn)明顯，并有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。因此，針對(duì)開采深度較大的安居煤礦而言，開展地應(yīng)力實(shí)測(cè)工作是十分必要的[4]。本文結(jié)合安居煤礦地應(yīng)力測(cè)試工程，就巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)在地應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 應(yīng)力解除法的基本原理

應(yīng)力解除法的基本原理是，當(dāng)一塊巖石從受力作用的巖體中取出后，由于其巖石的彈性會(huì)發(fā)生膨脹變形，測(cè)量出應(yīng)力解除后此塊巖石的三維膨脹變形，并通過試驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定其彈性模量、泊松比，則由線性虎克定律即可計(jì)算出應(yīng)力解除前巖體中應(yīng)力的大小和方向。具體講，這一方法就是在巖石中先打一個(gè)測(cè)量鉆孔，將應(yīng)力傳感器安裝在測(cè)孔中并觀測(cè)讀數(shù)，然后在測(cè)量孔外同心套鉆鉆取巖芯，使巖芯與圍巖脫離，巖芯上的應(yīng)力因解除而恢復(fù)，根據(jù)應(yīng)力解除前后儀器所測(cè)得的差值，即可計(jì)算出應(yīng)力的大小和方向[5-10]。

2 應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)的主要過程

在巖體中施工一定深度(擾動(dòng)區(qū)以外)的鉆孔，將應(yīng)力傳感器牢固地安裝在鉆孔中，然后打鉆套取巖芯實(shí)施應(yīng)力解除，并在解除的過程中測(cè)量由于應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的應(yīng)變[11-12]。

原巖應(yīng)力測(cè)量一般在煤礦井下的巷道中進(jìn)行，應(yīng)力鉆孔普遍采用在巷道內(nèi)以一定的仰角向巷道頂板巖體中施工，在完整巖體中安裝應(yīng)力傳感器進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。鉆孔施工如圖1所示。

圖1 應(yīng)力鉆孔施工示意圖

在選定地應(yīng)力測(cè)量地點(diǎn)施工導(dǎo)孔及安裝孔，在取出的小巖芯完整位置處安裝應(yīng)力傳感器。第二天，黏結(jié)膠固化24小時(shí)后，用取芯鉆頭套取巖芯實(shí)施應(yīng)力解除，取芯過程中，巖體的應(yīng)變則由應(yīng)力計(jì)測(cè)量出來[13-15]。

3 原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

安居煤礦原巖應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作自2011年5月22日開始，2011年6月15日結(jié)束，完成原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)3個(gè)，第1個(gè)測(cè)點(diǎn)(編號(hào)為AJSC-1)位于西翼5#交叉點(diǎn)處，第2個(gè)測(cè)點(diǎn)(編號(hào)為AJSC-2)位于副井井底車場(chǎng)西側(cè)，第3個(gè)點(diǎn)(編號(hào)為AJSC-3)位于主井井底車場(chǎng)與東部集中大巷交叉點(diǎn)處。

4 原巖應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 AJSC-1測(cè)點(diǎn)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)

2011年5月22日開始在西翼5#交叉點(diǎn)處進(jìn)行原巖應(yīng)力的測(cè)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及地質(zhì)條件，確定原巖應(yīng)力測(cè)量鉆孔的方位角為270°，鉆孔仰角為14°，測(cè)點(diǎn)絕對(duì)深度為980.0m。應(yīng)力計(jì)的12個(gè)應(yīng)變片隨解除距離的應(yīng)變變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，解除開始至解除距離10cm階段，應(yīng)變曲線平緩，應(yīng)變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進(jìn)至應(yīng)變片位置；當(dāng)解除距離至10cm后，即接近應(yīng)變片時(shí)，各應(yīng)變片的應(yīng)變量突增，應(yīng)變量由幾個(gè)微米增加至數(shù)百微米，當(dāng)解除至應(yīng)變片位置即解除距離達(dá)21cm時(shí)，應(yīng)變量達(dá)到最大值；當(dāng)解除通過應(yīng)變片后，各應(yīng)變片的應(yīng)變曲線趨于平緩，解除至25cm后，應(yīng)變量基本不變，解除至32cm時(shí)，應(yīng)變解除結(jié)束。應(yīng)變解除曲線正常，可作為計(jì)算應(yīng)力的依據(jù)。

圖2 安居煤礦AJSC-1應(yīng)力計(jì)應(yīng)力解除曲線

4.2 AJSC-2測(cè)點(diǎn)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

2011年5月29日開始在副井井底車場(chǎng)西側(cè)進(jìn)行原巖應(yīng)力的測(cè)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及地質(zhì)條件，確定原巖應(yīng)力測(cè)量鉆孔的方位角為0°，鉆孔仰角為17°，測(cè)點(diǎn)絕對(duì)深度為980m。應(yīng)力計(jì)的12個(gè)應(yīng)變片隨解除距離的應(yīng)變變化曲線如圖3所示。

圖3 安居煤礦AJSC-2應(yīng)力解除曲線

由圖3可以看出，解除開始至解除距離12cm階段，應(yīng)變曲線平緩，應(yīng)變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進(jìn)至應(yīng)變片位置；當(dāng)解除距離至12cm后，即接近應(yīng)變片時(shí)，各應(yīng)變片的應(yīng)變量突增，應(yīng)變量由幾個(gè)微米增加至數(shù)百微米，當(dāng)解除至應(yīng)變片位置即解除距離達(dá)21cm時(shí)，應(yīng)變量達(dá)到最大值；當(dāng)解除通過應(yīng)變片后，各應(yīng)變片的應(yīng)變曲線趨于平緩，解除至25cm后，應(yīng)變量基本不變，解除至32cm時(shí)，應(yīng)變解除結(jié)束。應(yīng)變解除曲線正常，可作為計(jì)算應(yīng)力的依據(jù)。

4.3 AJSC-3測(cè)點(diǎn)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

2011年6月5日開始在主井井底車場(chǎng)與東部集中大巷交叉點(diǎn)處進(jìn)行原巖應(yīng)力的測(cè)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及地質(zhì)條件，確定原巖應(yīng)力測(cè)量鉆孔的方位角為205°，鉆孔仰角為13°，測(cè)點(diǎn)絕對(duì)深度為980.0m。應(yīng)力計(jì)的12個(gè)應(yīng)變片隨解除距離的應(yīng)變變化曲線如圖4所示。

圖4 安居煤礦AJSC-3應(yīng)力解除曲線

從圖4可以看出，解除開始至解除距離10cm階段，應(yīng)變曲線平緩，應(yīng)變隨解除距離的變化幅度很小，說明鉆頭未推進(jìn)至應(yīng)變片位置；當(dāng)解除距離至10cm后，應(yīng)變量急劇增加，當(dāng)解除至應(yīng)變片位置即解除距離達(dá)21cm時(shí)，應(yīng)變量增加至最大，隨后應(yīng)變曲線趨于平緩，解除至25cm后，應(yīng)變量基本不變，解除距離至32cm時(shí)，應(yīng)變解除結(jié)束。應(yīng)變解除曲線正常，可作為計(jì)算應(yīng)力的依據(jù)。

5 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為獲得原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)所需的各種關(guān)鍵的巖石力學(xué)參數(shù)如彈性模量、泊松比如圖5—圖7，對(duì)本次原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)采取的巖樣送交國(guó)土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，檢測(cè)項(xiàng)目為天然抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比[16-20]。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表1。

圖5 安居煤礦AJSC-1應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖6 安居煤礦AJSC-2應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖7 安居煤礦AJSC-3應(yīng)力—應(yīng)變曲線

表1 安居煤礦巖石物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

6 原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析

安居煤礦采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，原巖應(yīng)力傳感器為空心包體傳感器，對(duì)應(yīng)力解除數(shù)據(jù)、試驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定的彈性模量、泊松比及其他有關(guān)資料進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 安居煤礦原巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

為便于分析，將3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的方位角和應(yīng)力值匯總在立體網(wǎng)格上，如圖8所示，最大主應(yīng)力的方位角集中在117.53°～130.01°，應(yīng)力值大小在33.19～36.69MPa，而傾角在7.84°～29.45°，說明3個(gè)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力的傾角均小于±30°，最大主應(yīng)力均可視為水平應(yīng)力；最小主應(yīng)力的方位角集中在222.08°～240.55°，應(yīng)力值大小在20.91～23.27MPa；中間主應(yīng)力的方位角集中在26.15°～33.39°，應(yīng)力值大小在25.88～27.81MPa。

圖8 主應(yīng)力分布立體網(wǎng)格圖

原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明3個(gè)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力的傾角均小于±30°，最大主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，最大水平應(yīng)力的方向?yàn)?17.53°～130.01°，最大水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力以及三者之間的關(guān)系列于表3。

表3 安居煤礦原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

7 主要結(jié)論

針對(duì)安居煤礦井底車場(chǎng)附近巷道具體地質(zhì)情況，在井底車場(chǎng)附近巷道布置3個(gè)原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，對(duì)應(yīng)力解除數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的彈性模量、泊松比及其他有關(guān)資料進(jìn)行了計(jì)算和分析，得出安居煤礦井底車場(chǎng)附近原巖應(yīng)力分布特征：

(1)原巖應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，最大水平應(yīng)力的大小為33.19～36.69MPa，方向?yàn)?17.53°～130.01°。

(2)最大水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.38～1.62倍，對(duì)井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會(huì)有明顯的影響。

(3)實(shí)測(cè)的最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.43～1.59倍，水平應(yīng)力對(duì)巷道掘進(jìn)的影響具有較為明顯的方向性。

(4)實(shí)測(cè)的垂直應(yīng)力與按照上覆巖層厚度和容重計(jì)算的垂直應(yīng)力基本相近。