地应力测量技术在煤矿开采中的应用.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目地应力测量技术在煤矿开采中的应用地应力测量技术在煤矿开采中的应用 英文题目英文题目The application of the in-situ stress measurement technique in coal mining 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 乔彦伟 学号学号 201102058 学科学科领域领域名称名称 采矿工程 指导教指导教师师 赵亚军 职称职称教授级高工 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2014 年 6 月 7 日 分类号分类号 TD311TD311 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 10127 10127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 地应力是引起采矿及其他各种地下或露天岩土开挖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性影响较大。因此，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，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前 提。 地应力主要由自重应力与构造应力组成。为了研究地应力分布规律，一方面采 用理论分析方法建立多种地应力分析模型，为预测和估算地壳中的应力提供了理论 手段；另一方面，基于大量地应力实测数据，研究了不同区域地应力分布特征、地 应力随埋深变化的规律、主应力之间的关系，以及影响地应力分布的主要因素。 本文在进行了大量的学习和分析基础上，较为详细地分析了测量地应力的各种 测量方法，并对各种测量方法的优缺点进行了总结和对比。重点是对于测量中常用 的两种方法，钻孔应力解除法和水压致裂法的测量原理以及测量方法进行了详细的 分析研究。水压致裂法地应力测量能够测量较深部的原岩应力，测试方法简便易 行，比较适合用于煤矿地应力测量。 同时，文中采用数值模拟方法初步研究了地应力对巷道围岩变形和破坏的影 响。分别模拟水平应力和垂直应力对巷道围岩稳定性的影响，然后模拟了当最大主 应力和巷道轴向夹角不同时，对巷道围岩稳定性的影响。并对模拟结果进行了详细 分析，得出了水平应力对巷道顶底板，垂直应力对两帮围岩变形和破坏影响；以及 当最大主应力与巷道轴向夹角为 0 时，即最大主应力与巷道轴向平行时，巷道围岩 变形量较小等规律。最后，根据潞安矿区、深部（新汶）矿区的地应力测量的结果 和对地应力的情况表明，获得地应力分布规律对矿山设计及开采活动有极大帮助。 关键词关键词地应力测量；应力解除法；空心包体应变计；水压致裂法；数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Stress is the fundamental force of mining and other underground or opencast rock and soil excavation deation and damage caused by impact, its magnitude and direction on the stability of roadway surrounding rock large. Therefore, the in-situ stress measurement is to determine the properties of engineering rock mass mechanics, surrounding rock stability is analyzed, the essential premise to realize the design and decision-making scientific excavation of rock and soil engineering. Stress is mainly composed of gravity stress and tectonic stress. In order to study the stress distribution law, on one hand, using theoretical analysis to set up various stress analysis model, which provides a theoretical means for stress prediction and estimation in the crust; on the other hand, a lot of stress based on the measured data, the stress distribution of different regional characteristics, stress with depth variation, the relationship between principal stresses, and main factors affecting stress distribution. In this paper a number of learning and the basis of the analysis, a more detailed analysis of the various measurement s of stress, and the advantages and disadvantages of various measurement s are summarized and compared. The focus is on the two commonly used s of measurement, measurement principle and measurement of borehole stress release and hydraulic fracturing is studied in detail. Hydraulic fracturing in-situ stress measurement can measure the deep rock stress, test is simple and convenient, is suitable for coal mine of in-situ stress measurement. At the same time, to study the effect on stress of roadway surrounding rock deation and failure of the numerical simulation in this paper. To simulate the horizontal stress and vertical stress effect on the stability of surrounding rock of roadway, and then simulated when the maximum principal stress and the axial angle is not at the same time, impact on the stability of surrounding rock of roadway. And the simulation results are analyzed in detail, the horizontal stress on the roof and floor, the vertical stress of surrounding rock of two sides of deation and failure; and when the maximum principal 内蒙古科技大学硕士学位论文 III stress and the axial angle of 0 , namely the maximum principal stress and axial force and roadway parallel, small amount of deation of roadway surrounding rock. Finally, according to the Luan mining area and the deep Xinwen mining area show of in-situ stress measurement results and the in-situ stress conditions, stress distribution obtained have great help to mine design and mining activities. Key WordsIn-situ stress measurement； The stress release ； The hollow inclusion strain gauge； Hydraulic fracturing ； Numerical Simulation 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 选题的背景与意义 1 1.2 国内外研究现状 3 1.3 研究内容方法与技术路线 6 1.3.1 研究内容 6 1.3.2 研究方法 6 1.3.3 技术路线 7 2 岩体中的地应力 8 2.1 地应力的成因 8 2.1.1 大陆板块边界受压引起的应力场 8 2.1.2 地幔热对流引起的应力场 9 2.1.3 地心引力引起的应力场 9 2.1.4 岩浆侵入引起的应力场 9 2.1.5 地温梯度引起的应力场 10 2.1.6 地表剥蚀产生的应力场 10 2.2 地应力测量分类 11 2.2.1 直接测量法 12 2.2.2 间接测量法 13 2.3 地应力测量方法总结 15 2.4 地应力测量方法对比 17 3 钻孔应力解除法测量原理与方法 20 3.1 空心包体应变计的研制 21 3.1.1 空心包体应变计的制作过程 21 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.1.2 空心包体应变计的工作原理 23 3.1.3 空心包体应力解除法测试系统的组成 23 3.2 空心包体现场地应力实测应用 23 3.2.1 测量地点的选择原则 23 3.2.2 套芯应力解除的测量步骤 24 3.3 钻孔应力解除法测量的有关计算 26 4 水压致裂法 28 4.1 水压致裂法的发展史 28 4.2 水压致裂法的原理 29 4.3 水压致裂法测量方法 29 4.3.1 经典水压致裂法 30 4.3.2 套管水压致裂法 34 4.3.3 原生裂隙水压致裂试验法HTPF 35 4.4 水压致裂法的优点与缺点 35 4.5 水压致裂法测量步骤 35 4.6 三维水压致裂法 36 4.6.1 多孔交汇三维水压致裂法 37 4.6.2 原生裂隙三维水压致裂法（HTPF） 40 4.6.3 原生裂隙重张试验与经典压裂试验相结合 42 5 地应力对巷道围岩变形与破坏影响的数值模拟分析 45 5.1 FLAC3D 简介 45 5.2 垂直应力与水平应力对围岩变形与破坏影响 45 5.2.1 垂直应力对围岩变形与破坏影响 46 5.2.2 水平应力对围岩变形与破坏影响 50 5.3 最大主应力对围岩变形与破坏影响 52 5.3.1 无构造情况下地应力场的模拟 52 5.3.2 最大主应力对围岩变形与破坏影响 54 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 6 地应力测量技术在矿区的应用 61 6.1 潞安矿区地应力测量与分析 61 6.1.1 潞安矿区地理与地质简况 61 6.1.2 潞安矿区地应力测量结果 61 6.1.3 潞安矿区地应力测量结果分析 63 6.2 深部（新汶）矿区地应力的测量与分析 64 6.2.1 新汶矿区简介 65 6.2.2 新汶矿区水压致裂地应力测量结果 65 6.2.3 新汶矿区地应力测量结果分析 66 结 论 69 参 考 文 献 70 在学研究成果 73 致 谢 74 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 选题的背景与意义选题的背景与意义 岩体所有部位都受到外界的压力。所谓地应力指的是地层中的天然应力，这种应力 是尚未遭到人为介入的应力，其成因有两种解释一是地壳运动或是岩石本身的重量发 生变化，由此保留下来的构造应力；二是岩石自身发生了某些化学或物理反应，抑或受 到岩浆作用，由多种因素综合共同作用而成，其又称绝对应力，即我们所言的岩体初始 应力。天然应力能影响人们的各项作业，比如修建铁路、兴修水利、开挖岩土及各种采 矿作业等。与地应力相关的数据信息的准确无误的提供，不仅能够为人们解析地面与地 下岩石间的关系提供依据，而且还能够为岩土项目方案构建提供参考，从而确保决策的 科学性、合理化。 数十年间，项目建设工程及信息科技不断发展，不仅使市政基础设施，也使规模化 企业的地下项目不断增加，并取得显著成效。像交通运输、水电水利、矿井开挖等，都 建筑了不同规模的地下洞室。随着工程难度系数的增加，仅凭借经验判断岩层状况的测 量方式显然已无法适应当下状况，因此地应力场作为一个重要课题越来越被人们关注。 在对项目的稳定性探究及方案设计解析时，需要对地应力的方方面面系数掌握，包括其 布局特点、分布规律等。 在教授李四光看来，应力活动的结果就是岩层