钻孔声波法测量矿井地应力应用研究.pdf

中图分类号￡鱼 3 2 2 学科分类号 12 Q 2 Q 亘主 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 钻孔声波法测量矿井地应力应用研究 作者姓名菱全建 专业名称丝魔王程 研究方向王猩物拯 导师姓名昱苤耘数拯 导师单位塞邀翌王太堂 答辩委员会主席黄匪 论文答辩日期2 0 1 5 年6 月6 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 5 年6 月日 万方数据 A D i s s e r t a t i o n ．i nG e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g A p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nb o r e h o l e t i cm e t h o d A p p l i c a t i o nr e s e a r c0 nb o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o d m e a s u r i n gt h em i n eg r o u n ds t r e s s C a n d i d a t e S u J i n L o n g S u p e r v i s o r W u R o n g x i n S c h 0 0 1o fE a r t ha n dE n v i r o n m e n t A n H u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 0 1 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徵理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名老簦丑日期近年j 月』日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徵望王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名历庵五 签字日期劫，旖币月f7 日 剥醛各冽 鳓期年月日 万方数据 摘要 摘要 矿井地应力测量对煤矿巷道布置及安全生产存在重要意义，论文结合地应力 测量技术的发展，分析了目前主要采用的几种地应力测量方法，指出在地层深部 复杂的矿井地质条件下存在的一些局限性。通过以往学者对岩石声弹性理论的研 究，在此基础上根据理论和现有的声波技术讨论采用钻孔声波法测量矿井地应力 技术，并加以实现。 基于有限变形连续介质力学的岩石声弹性理论，文章对简单加载条件下应力 与波速关系进行分析，作为钻孔声波法测量地应力的理论基础。针对复杂的煤矿 地质条件，对钻孔声波法测量地应力的工作方式、数据处理、资料解释进行研究， 并设计矿井巷道钻孔声波法测定方案。 通过在淮南某矿进行了现场测试，利用同层砂岩内钻孔方式测得岩体原位波 速，并进行了波速椭圆拟合结合岩石的力学参数和拟合的波速，计算分析了该 矿井某工作面的地应力状态；并通过与已有的应力解除法测得的应力值作验证对 比，分析了该矿的应力场。试验研究结果表明 1 波速极值方向与岩石构造应力具有一致性，波速的改变量主要由该方向 上应力值决定，垂直于该方向应力变化对波速的改变量较小。 2 岩体内波速的大小受构造应力及巷道掘进影响较大，波速平面内各向异 性是各方向应力共同作用的结果。 3 通过钻孔声波法可以测得测站内三个主应力的大小和方向，并在矿井试 验中取得了良好的效果。 通过现场试验确立了钻孔声波法测量矿井地应力的可行性，为简单、快速、 定量评价地应力状态提供了相对可靠的方法，为现场探测和结果解释提供了参考。 图2 5 、表9 、参4 2 关键词地应力；钻孔声波法；岩石声弹性；现场试验 分类号P 6 3 1 ．3 2 2 万方数据 摘要 A b s t r a c t M i n es t r e s sm e a s u r i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rr o a d w a yl a y o u ta n ds a f e t y p r o d u c t i o ni nc o a lm i n e ．I nc o m b i n a t i o nw i t h 也ed e v e l o p m e n t o fi n - s i t us t r e s s m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，t h ea r t i c l ep o i n t so u tt h el i m i t a t i o n si ne x i s t i n gs e v e r a lm i n e g r o u n ds t r e s sm e a s u r i n gm e t h o d su n d e rd e e pc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ．B a s e do n p r e v i o u ss c h o l a r ss t u d yo fr o c ka c o u s t i ce l a s t i c i t yt h e o r y , b o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o di s d i s c u s s e dt om e a s u r et h em i n eg r o u n ds t r e s sa c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n dt h ee x i s t i n g a c o u s t i ct e c h n o l o g y ． B yr e f e r e n c et h er o c ke l a s t i c i t yt h e o r yb a s e do nf i n i t ed e f o r m a t i o no f c o n t i n u u m m e c h a n i c s ，m er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a v ev e l o c i t ya n ds t r e s si sa n a l y z e da n du s e da s t h e o r e t i c a lb a s i so ft h eb o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o di nm e a s u r i n gg r o u n ds t r e s s ．A s c o m p l e x c o a lm i n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，恤cw o r kw a y , d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t a i n t e r p r e t a t i o no fb o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o d s i Sr e s e a r c h e d ．T h eD e t e r m i n a t i o no f s c h e m eo fm i n er o a d w a yb o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o di sd e s i g n e d ． T h ef i e l dt e s tw a sc a r r i e do u ti nam i n ei nH u a i n a n ．t h ea u t h o ra c q u i r e dt h ew a v e v e l o c i t yi ns a n d s t o n ei nt h es a i i l el a y e r , a n dm a d e t h ew a v ev e l o c i t ye l l i p s ef i r i n g ；t h e i n ．s i t us t r e s ss t a t eo fac e r t a i nm i n ew o r k i n gf a c ei ss u c c e s s f u l l yc a l c u l a t e da n d a n a l y s i s e dt h r o u g h c o m b i n a t i o no ft h ew a v ev e l o c i t ya n dr o c k m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s ．S t r e s sf i e l di sa n a l y z e d ，t h r o u g ht h ec o n t r a s tw i t hr e s u l t so fs t r e s sr e l e a s e m e t h o d ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t 1 me x t r e m ev a l u eo f w a v ev e l o c i t yi nh o r i z o n t a la n dr o c kt e c t o n i cs t r e s ss t a t e h a v ec o n s i s t e n c y , t h ec h a n g eo fv e r t i c a lw a v ei sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h es t r e s si nt h i s d i r e c t i o nr a t h e rt h a nt h es t r e s so fi nt h ep e r p e n d i c u l ad i r e c t i o n ． 2 T h es i z eo ft h ew a v ev e l o c i t yi nr o c km a s sa r eg r e a t l yi n f l u e n c e db yt e c t o n i c s t r e s sa n dr o a d w a yd r i f } a g e ，w a v ev e l o c i t ya n i s o t r o p yi nt h ep l a n ei st h er e s u l to f j o i n t a c t i o no fs t r e s si nd i f f e r e n td i r e c t i o n s ． f 3 1T 1 1 eb o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o dc a nm e a s u r et h es i z eo ft h et h es t a t i o n ’St h r e e p r i n c i p a ls t r e s sv a l u ea n dd i r e c t i o n ，i th a v eb e e na c h i e v e di nt h em i n et e s ta n dg e ta g o o de f f e c t ． T h r o u g hf i e l dt e s t ，t h eb o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o dc a ns u c c e s s f u l l ym e a s u r et h e m i n eg r o u n ds t r e s s ，i ti sas i m p l e ，r a p i da n dq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nw a yt om e a s u r e i n ．s i t us t r e s s ．i tC a nf o rp r o v i d er e l i a b l er e f e r e n c e si nt h eo n s i t ed e t e c t i o na n dt h e i n t e r p r e t a t i o no fr e s u l t s ． F i g u r e2 5 ，t a b l e9 ，r e f e r e n c e4 2 I I 万方数据 摘要 K e y W o r d s C h i n e s e I n - s i t us t r e s s ；B o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o d ；T h es o n i ce l a s t i c i t y ；F i e l dt e s t b o o k s c a t a l o g P 6 31 ．3 2 2 I I I 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．I I 1绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 地应力测量研究和发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 地应力测量技术的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 矿井地应力测量方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．3 声波法理论与应用研究现状和发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．4 技术路线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 钻孔声波法测量矿井地应力方法技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 钻孔声波法测量地应力原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．1 岩石的声弹理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．2 运动方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．3几何关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．4 本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 基于声弹理论的钻孔声波法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．1 钻孔周边应力场与位移场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．2 初始坐标系下的波速方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．2 特定情况下波速、应力关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 现场矿井地应力实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1区域概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．1 位置和交通⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．2 煤矿地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 钻孔声波法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．1基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 万方数据 目录 3 ．2 ．2 测站位置选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．3 钻孔参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 。2 ．4 钻孔施工要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．5 注浆耦合要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．6 地应力测试过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．7 声波椭圆的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．8 室内试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．2 ．9 二阶、三阶弹性模量确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 现场测试结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．3 ．1 速度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 ．2 波速椭圆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．3 ．3 应力值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．3 ，4 应力结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 研究结论及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 Ⅱ 万方数据 目录 C o n t e n t A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1E x o r d i u m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1T 1 1 eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 1 1 1 er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f i n - s i t us t r e s sm e a s u r e m e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 T h ed e v e l o p m e n to f i n - s i t us t r e s sm e a s u r e m e mt e c h n i q u e ⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2O v e r v i e wo f m i n es t r e s sm e a s u r i n gm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．3R e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do na c o u s t i cm e t h o dt h e o r ya n d a p p l i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3T h er e s e a r c hc o g e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．4T h et e c h n o l o g yr o a d m a p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2B o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o da n dt e c h n o l o g yi nm e a s u r i n gt h em i n eg r o u n ds t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 ； 2 ．1B o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o dp r i n c i p l ei ni n - s i t us t r e s sm e a s u r e m e m ⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．1R o c ka c o u s t i ce l a s t i c i t yt h e o r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．2 E q u a t i o n so f m o t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．3T h eg e o m e 仃i cr e l a t i o n s h i p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 ．4T h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2B o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o db a s e do nr o c ka c o u s t i ce l a s t i c i t yt h e o r y ⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．1T h es t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l da r o u n db o r e h o l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．2C o o r d i n a t ee q u a t i o nu n d e rt h ei n i t i a ls t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 8 2 ．2 ．3T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a v ev e l o c i t ya n ds t r e s su n d e rc e r t a i n c i r c u m s t a n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3T h em i n eg r o u n ds t r e s sm e 删e do ns i t e ⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯2 3 ；．1 R e g i o n a lg e n e r a ls i t u a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．】．】T h el o c a t i o na n dt r a f f i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 I I l 万方数据 目录 3 ．1 ．2C o a lm i n eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2B o r e h o l ea c o u s t i cm e t h o da n dd e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．1 T h eb a s i ca s s u m p t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“2 4 3 ．2 ．2 S t a t i o nl o c a t i o nc h o i c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 4 3 ．2 ．3 D r i l l i n gp a r a m e t e rd e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．4 D r i l l i n gc o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．5 G r o u t i n gc o u p l i n gr e q u i r e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．6I n ．s i t us t r e s st e s t i n gp r o c e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．7T h ed e t e r m i n a t i o no f a c o u s t i ce l l i p s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．2 ．8 L a b o r a t o r yt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．2 ．9D e t e r m i n a t i o no fs e c o n do r d e ra n dt h i r do r d e rm o d u l u so fe l a s t i c i t y 3 6 3 ．3T h ef i e l dt e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．3 ．1 S p e e dc a l c u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 ．2W a v ev e l o c i t ye l l i p s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．3 ．3S t r e s sv a l u ec a l c u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 3 ．3 ．4 A n a l y s i so f t h es t r e s sr e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4 1 4R e s e a r c hc o n c l u s i o na n da d v i c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．1 R e s e a r c hc o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2A d v i c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯4 5 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 T h a I 山s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l A b o u tt 1 1 ea u t b o r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 万方数据 1 绪论 1 ．1 选题背景和意义 1绪论 地应力是未曾遭受影响的原岩应力，是导致地面和地下工程结构变形、岩体 失稳的最终原因。因此，测量地应力是很多重要工程施工的必要前提，它对于确 定工程方案科学合理化具有重要意义。此外，地应力的测量对于地球物理学研究、 地层构造演化、地震监测等科学领域，也具有具足轻重的地位[ 1 】。 就矿山开采而言，在近几十年内社会经济快速发展的大环境下，化石能源消 耗迅猛，浅部矿产资源的开采逐渐萎缩，已不能满足市场对能源的需求。为缓解 能源需求，地下8 0 0 ～1 0 0 0 m 的深部资源开发和利用，将成为下一步开采的主要趋 势。随着煤层埋深增加，煤层产状及地质构造发生了很大的变化，地质构造异常 复杂化，它与浅部开采具有明显的区别。复杂的地质条件给巷道掘进、围岩支护、 工作面回采带来一系列地质问题【2 】。其中矿井地应力是主导岩体变形和破坏、围 岩松动和塌落、支护结构失效、造成安全事故灾害的最根本原因。因此，精确、 合理、详细地揭露工程采区内的原始地应力条件，对于优化采区大致位置、优选 回采方法、确立巷道的剖面和位置、制定合理且经济的支护结构设计等，具有举 足轻重的地位，进而在围岩安全的必要条件下，最小化围岩控制的成本，以达到 显著提升该矿效益的目的[ 3 】o 对于现阶段，国内外用于矿井地应力测量领域的方法虽然繁多，但是其中主 要以应力解除法、水压致裂方法、声发射法【4 j 】等作为主要测量方法。考虑到深部 地层地应力状态的复杂性和多变性，以及要合理适用于复杂的工程地质环境、岩 石应力条件、现场施工条件以及温度、湿度等其他因素影响作用，上述方法对于 快速、精准衡量工程采区内准确、详尽的初始地应力状态，都具有各自明显的局 限性【6 J 。本文通过总结前人大量理论及实验研究，根据声波测试地应力基本原理， 设计并实施钻孔声波法测量地应力的具体实施方法，旨在提供一种便捷、快速、 有效、准确的地应力测量方法，并且为建立岩体力学模型和进行岩石力学计算提 供有效参数，同时指导矿区其他相关技术的研究。根据目前声波技术和声波仪器 设备的发展水平来看，钻孔声波法完全有可能发展成为适用范围广、操作简单方 便快捷、成本低、测量精度优良的一种地应力测量方法。 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 1 ．2 地应力测量研究和发展现状 1 ．2 ．1 地应力测量技术的发展 1 9 3 2 年美国RSL i e u r a c e t T ] 首次运用岩体应力解除法在胡佛水坝坝底的泄水隧 洞测量了隧道洞壁表面的围岩应力状态，开辟了地应力测量的先例。利用对点的 测量进而确定该点所在平面的应力状态是此后短时期内地应力测量的主流，但是 该方法测量得到的仅仅是应力变化值而不是岩体的绝对应力值【5 J 。此后，瑞典人N H a s t 在纳维亚半岛利用压磁套芯应力解除法做了大量试验，并根据测量结果第一次 得出地壳浅层范围内水平面内应力远大于垂向应力[ 8 】。此后一段时期内，在世界各 国范围内地应力测量方法与技术迅速大量开展。B r o w n H o e k 1 9 7 8 利用统计的大 量全球范围内地应力测试值，研究了地应力状态和深度基本关系，证明地球表层 范围内竖向应力来源于岩层分层自重的总和，且水平应力为构造应力且一般均大 于竖向应力随着深度不断增加累计到一定深度后，深部围岩应力状态逐渐表现 为向静水压力状态过渡的趋势[ 9 】。1 9 6 5 年以前，地应力测量方法只能对测点所处平 面以内的应力状态进行测求，测深只能在几十米以内，方法主要是根据岩体应力 释放后的应变结合岩体的力学参数来反演地应力状态，其中各种应力应变计法成 为主流。1 9 6 5 年以后，能够利用对单个套孔内测点的空间三维地应力展开测试， 利用套孔内岩芯应力释放测求应力状态方法逐渐发展并趋于完善。上世纪6 0 年代 中期，三轴孔壁应变计成功问世，并被大规模地利用在各国的地应力测量领域； 由于三轴孔壁应变计存在的部分缺陷，在此基础上上世纪7 0 年代中期由澳大利亚 联邦科学和工业研究组织 C S 瓜O 成功研制出C S I R 0 型三轴空心包体应变计，并迅 速在国内外地应力测量领域取得广泛应用，也是目前应用范围最广泛、方法理论 趋于成熟完善的地应力解除测量方法。 2 0 世纪7 0 年代之后后，经国内外学者不问断努力，地应力测试方法技术开始 出现多元化，各种不同的测量技术崭露头角。6 0 年代末期，水压致裂法历经美国 科学家完善之后逐渐取得实际应用【1 0 】，已经成为目前地应力测量的主流方法之一。 水压致裂方法较其他方法优点在于能够实现对更深的区域地应力状态的衡量，其 最大测深可达5 0 0 0 m ，这是其他测量方法远远不能媲美的优点，但是由于目前该方 法理论存在较多假设其测试结果的精准性还有待增加。 1 9 5 0 年凯泽 J ．K a i s e r 在对金属材料进行加载试验时，当其所受的应力不小于其 先期最高应力值时会释放大量的弹性波现象 凯泽效应 。1 9 6 3 年，G o o d m a n 通 万方数据 1 绪论 过研究证明了岩石的凯泽效应，而且岩石的声弹效应比金属明显，并据此提出利 用岩石的凯泽效应来反演岩体原位地应力状态。此后，国内外众多岩石力学专家、 学者、研究人员应用高强度脆性岩石声发射效应进行了大量的地应力测量试验研 究，并取得了显著的成果。 上个世纪5 0 年代末，李四光和陈宗基进行了国内的首次地应力测量，2 0 世纪 6 0 年代在三峡平善坝址测求了岩体表面应力实际测量结果。2 0 世纪6 0 年代中期中 科院在国内首次利用了应力解除法对大冶铁矿进行实际地应力状态测量。到了 1 9 7 0 年以后，国内学者对地应力测量技术展开了大量理论、实验的研究，促进了 国内地应力测量技术的进入快速发展阶段。2 0 世纪9 0 年代初水压致裂法首次应用 于河北易县的地应力值测量并取得良好的探测效果，现今可以测量深度2 0 0 0 m 的地 应力。2 0 世纪8 0 年代初中期我国改良了引进的深钻孔水下三向应变计，增加了其 测量深度。此后，在国内众多学者的努力工作下，我国自主开发的空心包体应变 计在地应力测量领域并取得广泛应用。我国原位地应力测试技术在过去的几十年 间得到了迅猛发展，先后开发了压磁式应力解除法、空芯包体应力解除法、水压 致裂法、声发射法等地应力测试系统仪器设备。目前我国的地应力测量研究主要 应用在工程、水文、经济设施建设、灾害预报等领域。 1 ．2 ．2 矿井地应力测量方法概述 地应力测量方法一直是岩土力学、地震灾害学、地下结构工程、地球物理勘探、 工程地质学、采矿工程等学科的主要课题内容。目前其测试方法理论众多且层出 不穷，其归类、划分的统一标准暂时还没有。根据测量原理可分为三大类一是 通过测量钻孔中岩体从原位岩体剥离后应力释放导致的应变，依据弹性理论结合 岩石力学参数，来计算地应力状态的方法；二是通过测定岩体在地应力影响作用 下岩石各种物性参数的变化，间接根据据这些变化通过这些物理变化量和应以状 态之间的关系来测求地应力的物理方法；三是通过对地应力引起的地层地质构造 和岩石破碎发育情况等监测然后依据岩石物理力学参数对区域内应力场进行的反 演。在矿井地应力测量中，应力解除法、水压致裂法与声发射法得到了比较广泛 的应用，声波观测法可以测量深孔地应力，因此也得到人们的普遍关注。 1 ．应力解除法 应力解除法是至今理论、方法最趋于完善、稳定的测量方法，该方法应用范 围最广、结果准确性较强。应力解除法是以岩体线性虎克理论为依据，将局部区 域内的岩石看作均质的且各向同性的理想弹性体，将专门应力测量器安装在预先 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 打好的钻孑L 内测定读数，同时利用专业应变计测量孔外同心套钻内从母岩脱离的 岩芯经应力释放后产生的膨胀应变