一種可視化地應(yīng)力測(cè)試配套裝置的研制及應(yīng)用

高 杰， 袁子晨， 徐愛(ài)民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)a.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.礦業(yè)工程學(xué)院；c.安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引 言

地應(yīng)力是巖體中存在的天然應(yīng)力，是決定地下工程開(kāi)挖、設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析的最重要因素之一［1-2］。大量的礦山生產(chǎn)實(shí)踐證明，生產(chǎn)過(guò)程中遇到的諸如巷道圍巖失穩(wěn)破壞、沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)測(cè)及防治、上覆巖層變形破壞等重大技術(shù)研究問(wèn)題都與地應(yīng)力有關(guān)。因此，地應(yīng)力及圍巖力學(xué)參數(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)對(duì)礦山安全生產(chǎn)十分重要［3］。當(dāng)前地應(yīng)力的測(cè)量方法有多種，如應(yīng)力恢復(fù)法［4］、水壓致裂法［5-8］、地球物理法［9-10］、應(yīng)力解除法［11-12］等。空芯包體應(yīng)力解除法是目前應(yīng)用最廣泛的方法之一，作為一種比較常規(guī)的應(yīng)力解除方法，其需要先在巷道幫部近水平施工大直徑鉆孔，然后在大直徑鉆孔內(nèi)施工同心小孔，在小孔中粘貼配套的空芯包體應(yīng)力計(jì)，待應(yīng)力計(jì)粘貼完成并凝固后，再進(jìn)行應(yīng)力解除工作。但是在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，隨著測(cè)試的深度不斷加大，測(cè)試鉆孔會(huì)出現(xiàn)鉆孔彎曲變形、孔壁掉渣等意外情況，并且鉆孔內(nèi)及鉆孔底部情況不明，容易導(dǎo)致空芯包體應(yīng)力計(jì)定位困難、碰損甚至安裝失敗，造成資源浪費(fèi)和效率低下。

本文在原有地應(yīng)力測(cè)試裝置的基礎(chǔ)上引入鉆孔窺視儀，研制出一種可視化安裝空芯包體應(yīng)力計(jì)的地應(yīng)力測(cè)試配套裝置［13-15］。該裝置由φ133 mm 大鉆頭、φ36 mm小鉆頭、鉆桿轉(zhuǎn)接頭、取芯套筒、輸送桿、鉆孔窺視儀、限位輪等構(gòu)成，且在山東某煤礦三北采區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)中取得了良好效果。

1 礦區(qū)概況

該煤礦位于微山湖東側(cè)，礦區(qū)面積為30.45 km2，可采煤儲(chǔ)量為3 392.2 萬(wàn)t，核定年產(chǎn)60 萬(wàn)t，目前主采3 下煤層，共劃分為4 個(gè)采區(qū)（31、32、33 和三北采區(qū)）。其中三北采區(qū)地層走向北東，傾向東，地層傾角平緩，一般3° ～10°，煤層賦存標(biāo)高－ 630 ～－ 500 m，是本次地應(yīng)力的測(cè)定區(qū)域。根據(jù)《三北采區(qū)三維地震勘探報(bào)告》和井下巷探實(shí)際揭露情況，未見(jiàn)巖漿巖侵入體，沖刷帶主要位于采區(qū)外西北部和東南部塊段。采區(qū)及周邊斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，采區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)育斷層21 條，沒(méi)有褶曲發(fā)育，但在采區(qū)南部采區(qū)邊界附近有一處向斜發(fā)育。

2 地應(yīng)力測(cè)試

鉆孔應(yīng)力解除法測(cè)定是在選取的測(cè)點(diǎn)處先在巷道幫部近水平施工出1 個(gè)φ133 mm的大鉆孔，后在大直徑鉆孔內(nèi)鉆取φ36 mm 的同心小鉆孔，在小孔中粘貼配套的空芯包體應(yīng)力計(jì)（見(jiàn)圖1）。待應(yīng)力計(jì)粘結(jié)完成并凝固后進(jìn)行應(yīng)力解除工作，在解除過(guò)程中利用礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站記錄應(yīng)變情況。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)解除后的巖芯進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試及率定試驗(yàn)，最后通過(guò)計(jì)算得出地應(yīng)力分布規(guī)律。

圖1 空芯包體結(jié)構(gòu)圖

2.1 測(cè)點(diǎn)選取

測(cè)點(diǎn)選取應(yīng)符合以下要求：①盡量布置在完整的圍巖體內(nèi)；②保證測(cè)點(diǎn)位于原巖應(yīng)力區(qū)；③避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造帶；④盡量不影響其他工作的正常進(jìn)行等。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)選取要求，結(jié)合該礦采區(qū)布置，共選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，第1 個(gè)測(cè)點(diǎn)選于三北輔助軌道巷內(nèi)，在此測(cè)點(diǎn)鉆取1 或2 個(gè)測(cè)試孔；第2 個(gè)測(cè)點(diǎn)選于探煤巷道2，在此測(cè)點(diǎn)鉆取1 或2 個(gè)測(cè)試孔。測(cè)試選點(diǎn)標(biāo)注見(jiàn)圖2。

圖2 地應(yīng)力測(cè)試選點(diǎn)標(biāo)注圖

2.2 地應(yīng)力測(cè)定

（1）鉆孔。先用鉆桿轉(zhuǎn)接頭接上φ133 mm 平鉆頭鉆取一稍向上傾斜的近水平鉆孔，當(dāng)鉆孔至預(yù)定深度，將平鉆頭換為φ133 mm取芯套筒和配套取芯鉆頭鉆取巖樣，通過(guò)巖樣連續(xù)性判斷達(dá)到原巖應(yīng)力區(qū)時(shí)，將孔底磨成內(nèi)圓錐形；然后更換長(zhǎng)為370 mm、φ36 mm的小鉆頭鉆取長(zhǎng)度35 ～40 cm小孔；小孔形成后，進(jìn)行沖洗、擦干備用。鉆孔施工完成后如圖3 所示。

圖3 鉆孔剖面圖

（2）安裝。再次對(duì)小孔進(jìn)行清洗干燥，取配制好的環(huán)氧膠倒入應(yīng)力計(jì)的空腔，將空芯包體應(yīng)力計(jì)固定在安裝了鉆孔窺視儀的輸送桿體上，用棉簽棒固定好柱塞進(jìn)行包體安裝工作。

需要注意的是，利用窺視儀連接桿及定向器將空芯包體應(yīng)力計(jì)遞送至孔底并安裝，安裝過(guò)程中連接桿只能向前推送，不能后拉（防止空芯包體脫落），遞送過(guò)程中不得旋轉(zhuǎn)鉆桿，當(dāng)空芯包體前端到達(dá)大孔底部即將進(jìn)入小孔時(shí)，須通過(guò)鉆孔窺視儀觀看小孔方位，通過(guò)順時(shí)針緩慢旋轉(zhuǎn)輸送桿確保對(duì)位準(zhǔn)確后，慢慢將空芯包體計(jì)左右旋轉(zhuǎn)進(jìn)入小孔。安裝情況如圖4 所示。

圖4 空芯包體應(yīng)力計(jì)安裝示意圖

（3）測(cè)量?？招景w應(yīng)力計(jì)安裝15 h 后，環(huán)氧膠粘結(jié)密實(shí)，此時(shí)用鉆孔窺視儀測(cè)量空芯包體應(yīng)力計(jì)中A應(yīng)變花的角度并讓礦上地測(cè)人員測(cè)量鉆孔方位角，用鉆孔窺視儀觀測(cè)輸送桿與固定銷(xiāo)的連接情況，緩慢向外拉出輸送桿，拉出過(guò)程中不得旋轉(zhuǎn)以免損壞黏結(jié)好的空芯包體應(yīng)力計(jì)。

（4）解除。連接桿取出后即可進(jìn)行解除工作，接好φ133 mm取芯套筒及配套鉆頭，拉緊電纜線(xiàn)，啟動(dòng)鉆機(jī)，將取芯套筒遞送至大孔孔底，開(kāi)始注水鉆進(jìn)，這時(shí)應(yīng)變儀讀數(shù)會(huì)有所輕微變化，待讀數(shù)穩(wěn)定后（約15 min），再開(kāi)始進(jìn)尺讀數(shù)。若為自動(dòng)讀數(shù)，可選取讀數(shù)時(shí)間間隔為10 s。待讀數(shù)不隨進(jìn)尺變化時(shí)（解除深度為500 mm左右），停止套芯，取出包裹空芯包體應(yīng)力計(jì)的巖芯帶回實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。應(yīng)力解除示意圖如圖5所示。

圖5 應(yīng)力解除示意圖

3 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 巖石力學(xué)性質(zhì)及圍巖率定試驗(yàn)

（1）對(duì)取回的鉆孔巖心或靠近取芯地點(diǎn)的巖芯進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。計(jì)算巖芯的彈性模量E 和泊松比ν。1 ～3 號(hào)孔單軸抗壓變形試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單軸抗壓變形試驗(yàn)結(jié)果

（2）對(duì)包裹著空芯包體應(yīng)力計(jì)的巖芯進(jìn)行率定實(shí)驗(yàn)。率定實(shí)驗(yàn)步驟為：將帶巖芯的空心包體放入率定儀的套筒中；連接空心包體與應(yīng)變采集儀；對(duì)液壓油泵進(jìn)行加壓至1 MPa后，待應(yīng)變儀讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄應(yīng)變儀上數(shù)據(jù)；再加壓至3 ～5 MPa 后，將應(yīng)變儀上數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和軸向應(yīng)變-周向應(yīng)變曲線(xiàn)，求出巖芯和空芯包體的總體彈性模量和泊松比。因取樣時(shí)2 號(hào)孔、3 號(hào)孔巖芯相對(duì)完整，故僅對(duì)2 號(hào)、3 號(hào)取出的巖芯進(jìn)行率定試驗(yàn)。2 號(hào)、3 號(hào)孔測(cè)試圍巖率定試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 圍巖率定試驗(yàn)結(jié)果

因率定試驗(yàn)結(jié)果與單軸抗壓變形試驗(yàn)結(jié)果相差小于10%，故可將巖石單軸抗壓試驗(yàn)測(cè)得的E 和ν作為地應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)用以計(jì)算。

3.2 測(cè)試采區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律

通過(guò)鉆孔時(shí)記錄的鉆孔方位和傾角以及空芯包體應(yīng)力計(jì)方位參數(shù)（見(jiàn)表3），結(jié)合在現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試時(shí)所取得的應(yīng)變儀數(shù)據(jù)，可導(dǎo)出鉆孔的應(yīng)變-解除進(jìn)尺的曲線(xiàn)，再通過(guò)圍壓率定試驗(yàn)求得的E和ν，最后利用地應(yīng)力數(shù)據(jù)處理dos 軟件系統(tǒng)，即可算得測(cè)定區(qū)域三北采區(qū)1 ～3 號(hào)鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。

表3 鉆孔及空芯包體應(yīng)力計(jì)方位參數(shù)

（1）1 號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。1 號(hào)測(cè)孔解除深度42 cm，所取巖芯通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出其彈性模量E和泊松比ν分別為4.12 GPa 和0.27。結(jié)合巖芯解除過(guò)程中的數(shù)據(jù)，根據(jù)KJ327-F 礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站所得到的12 個(gè)通道的應(yīng)變值，繪制出鉆孔應(yīng)變-解除進(jìn)尺曲線(xiàn)圖，如圖6 所示。

圖6 1號(hào)孔鉆孔應(yīng)變-解除進(jìn)尺曲線(xiàn)圖

將1 號(hào)鉆孔數(shù)據(jù)、所取得的空芯包體與巖芯的整體性質(zhì)數(shù)據(jù)、應(yīng)變值數(shù)據(jù)輸入到已經(jīng)編好的地應(yīng)力數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。最后可以得到1 號(hào)鉆孔處所測(cè)得的地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)，如表4 所示。根據(jù)1 號(hào)測(cè)孔實(shí)測(cè)的主應(yīng)力分布繪制網(wǎng)絡(luò)圖，如圖7 所示。

表4 1 號(hào)測(cè)孔主應(yīng)力大小和方向

圖7 1號(hào)孔實(shí)測(cè)的主應(yīng)力分布網(wǎng)絡(luò)圖

（2）2 號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。2 號(hào)測(cè)孔解除深度33 cm，所取巖芯通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出E 和ν 分別為3.7 GPa 和0.24。結(jié)合巖芯解除過(guò)程中的數(shù)據(jù)，根據(jù)KJ327-F礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站所得到的12 個(gè)通道的應(yīng)變值繪制鉆孔應(yīng)變-解除進(jìn)尺曲線(xiàn)圖，如圖8 所示。將2 號(hào)孔鉆孔數(shù)據(jù)、所取得的包體與巖芯的整體性質(zhì)數(shù)據(jù)、應(yīng)變值數(shù)據(jù)輸入到已經(jīng)編好的地應(yīng)力數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。最后可以得到2 號(hào)孔鉆孔處所測(cè)得的地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)如表5 所示。根據(jù)2 號(hào)測(cè)孔實(shí)測(cè)的主應(yīng)力分布繪制網(wǎng)絡(luò)圖如圖9 所示。

圖8 2號(hào)孔鉆孔應(yīng)變-解除進(jìn)尺曲線(xiàn)圖

表5 2 號(hào)測(cè)孔主應(yīng)力大小和方向

圖9 2號(hào)孔實(shí)測(cè)的主應(yīng)力分布網(wǎng)絡(luò)圖

（3）3 號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。3 號(hào)測(cè)孔解除深度55 cm，所取巖芯通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出E 和ν 分別為5.2 GPa 和0.28。結(jié)合巖芯解除過(guò)程中的數(shù)據(jù)，根據(jù)KJ327-F礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站所得到的12 個(gè)通道的應(yīng)變值繪制鉆孔應(yīng)變-解除進(jìn)尺曲線(xiàn)圖，如圖10 所示。將3 號(hào)孔鉆孔數(shù)據(jù)、所取得的包體與巖芯的整體性質(zhì)數(shù)據(jù)、應(yīng)變值數(shù)據(jù)輸入到已經(jīng)編好的地應(yīng)力數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。最后可以得到3 號(hào)孔鉆孔處所測(cè)得的地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)如表6 所示。根據(jù)3 號(hào)測(cè)孔實(shí)測(cè)的主應(yīng)力分布繪制網(wǎng)絡(luò)圖如圖11 所示。

圖10 3號(hào)孔鉆孔應(yīng)變-解除進(jìn)尺曲線(xiàn)圖

圖11 3號(hào)孔實(shí)測(cè)的主應(yīng)力分布網(wǎng)絡(luò)圖

表6 3 號(hào)測(cè)孔主應(yīng)力大小和方向

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)在采區(qū)所測(cè)軌道巷進(jìn)行應(yīng)力解除，并對(duì)解除巖體進(jìn)行率定試驗(yàn)，得出測(cè)試孔巖體的彈性模量均值為4.5 MPa，泊松比均值為0.26，所測(cè)采區(qū)最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，應(yīng)力均值為13.83 MPa，方向角為N32.65°E ～N42.54° E，最大水平應(yīng)力均值為11.43 MPa，方向角為N127.73°E ～N141.64°E，最小水平主應(yīng)力均值為5.77 MPa，方向角N218.07° E ～N231.90°E。

（2）所測(cè)采區(qū)最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，采區(qū)側(cè)壓系數(shù)均值為0.83，最大垂直應(yīng)力與最大水平應(yīng)力值相差不大，這與該采區(qū)屬于中等埋深有關(guān)，采區(qū)內(nèi)最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力的比值為1.98，其造成巖體內(nèi)剪應(yīng)力較大，超過(guò)巖體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖體將發(fā)生斷裂，不利于巷道圍巖控制。

（3）該采區(qū)軌道巷3 個(gè)測(cè)試孔巖體的彈性模量均值為5.01 MPa，泊松比為0.28，內(nèi)摩擦角為29.97°，內(nèi)聚為4.42 MPa。

結(jié)論是根據(jù)所選3 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行的，若測(cè)點(diǎn)不同，測(cè)試方法不同，則結(jié)論會(huì)稍有差異。應(yīng)用自行研制的鉆孔窺視儀及其輔助設(shè)備，配套空芯包體應(yīng)力計(jì)來(lái)測(cè)量煤礦地應(yīng)力時(shí)，由于設(shè)備的改進(jìn)和鉆孔窺視儀的加入，使安裝過(guò)程可視化，提高了安裝效率及成功率。