深部矿井地应力测量方法研究与应用(2)

有意义

930 岩石力学与工程学报 2007年

measurement with small borehole can provide an effective and rapid stress method for deep mines and can offere reliable basic parameters for roadway layout and support design.

Key words：rock mechanics；in-situ stress measurement；deep mine；small borehole；hydraulic fracturing；application

深处的绝对应力状态，是最直接的测量方法，无需了解和测定岩石的弹性模量，测量应力的空间范围较大，受局部因素的影响较小；不需要套芯等复杂工序，成功率较高。这种方法在水利水电工程、金属矿山、隧道工程等方面已得到广泛应用[7

～9]

1 引 言

地应力是引起采矿及其他各种地下工程变形和破坏的根本作用力，其大小和方向对巷道围岩稳定影响很大，地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析以及实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。随着矿井开采深度不断增加，地应力的作用表现得越来越明显。深部高地应力巷道的维护、冲击地压等灾害现象都与地应力有着密切的关系。弄清开采范围内地应力的大小和方向，据此进行合理的巷道布置，不仅可以显著改善巷道维护状况，避免灾害发生，而且可节约大量支护和维修费用，显著提高矿井的经济效益。

地应力测试理论与技术一直是岩石力学与工程学科的重要研究内容。目前地应力测量方法有很多种[1

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。蔡

美峰等[10]利用煤矿勘探钻孔进行了煤矿深部水压致裂地应力测量，最大测量深度达1 105 m。但是，水压致裂法主要用于地面深井测量，所用设备庞大，钻孔孔径大，钻孔工程量大，测量仪器昂贵，测试费用极高，只能适用于地面大型工程，无法用于井下地应力的快速测量。为了在煤矿井下巷道和其他矿山坑道内能采用水压致裂法快速测量地应力，安徽理工大学、煤炭科学研究总院西安分院及沈阳煤炭研究所等单位，引进了前苏联20世纪80年代水压致裂仪器，并作了一些修改，用于煤矿井下巷道内地应力测量。但是，这套系统比较笨重，所需钻孔直径大，钻孔时间长，大大影响了地应力测量速度。

本文针对煤矿井下条件，特别是深部矿井地应力测量存在的问题，开发出适合深部矿井巷道中使用的小孔径水压致裂地应力测量装置，并在典型的深部矿区进行了实测，分析了深部矿井地应力分布特征与规律。

，根据测量原理可分为三大类：第一类是以

测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律[5]、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。

应力解除法又称套芯法，它是目前应用最广的一种应力测量方法。这一方法是在岩石中先钻一测量孔，将测量传感器安装在测孔中并观测读数，然后在测量孔外同心套钻钻取岩芯，使岩芯与围岩脱离。岩芯上的应力因被解除而产生弹性恢复。根据应力解除前后仪器所测得的差值，计算出应力值的大小和方向。应力解除法测量结果比较准确，而且有些方法采用一个钻孔就可获得三维应力。如蒲文龙等[6]采用空心包体应力解除法，测量了深部煤矿(深度1 025 m)的三维应力，测出最大水平应力达28.6 MPa。但是，在深部矿井，由于地应力高，钻孔变形严重，岩芯破裂，导致取芯困难，限制了测量深度与范围，测量成功率较低，测量结果的可信度受到明显影响。

水压致裂法对环境的要求比较宽松，能测量较

2 水压致裂地应力测量原理与装置

水压致裂地应力测量一般分为平面应力测量和三维应力测量[11

，12]

，本文采用平面应力测量。为了

减小钻孔变形，提高测量深度与速度，适应深部高地应力巷道条件，测量钻孔设计为小孔径(φ 56 mm)。 2.1 测量原理

小孔径水压致裂地应力测量原理与一般水压致裂法相同(见图1)，该法利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在选定的测量深度封隔一段裸露的岩孔，然后通过泵入流体对这段钻孔增压，压力持续增高直至钻孔围岩产生破裂，继续加压使破裂扩展。压裂过程中记录压力、流量随时间的变化，根据压力–时间曲线即可求出原地主应力的大小。主应力方位可根据印模确定的破裂方位而定。