深部矿井地应力测量方法研究与应用.pdf

第 2 6卷第 5期 2 0 0 7年 5月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V _0 1 ． 2 6 N0 ． 5 May， 2 00 7 深部矿井地应力测量方法研究与应用 康红普 ，林健，张晓 煤炭科学研究总院 北京开采研究所，北京1 0 0 0 1 3 摘要目前地应力测量方法有很多种，可分为力学法、地球物理法及地质构造信息法等。在分析各种测量方法特 点的基础上，介绍适用于深部煤矿巷道的地应力快速测量方法小孔径水压致裂地应力测量法，包括小孔径水 压致裂地应力测量原理、测量装置的组成部分和技术特征。在我国煤矿典型的深部矿区新汶矿区井下巷道中， 完成 9个测点的地应力测量。其中 5个测点的埋深超过 1 0 0 0 m，最深达 1 2 2 0 m。测量结果表明，7个测点的最 大水平主应力大于垂直主应力；最大水平主应力高达 4 2 ． 1 MP a ；最大水平主应力与垂直主应力的比值为 1 ． 0 0 4 1 ． 5 5 0 ；新汶矿区超过 1 0 0 0 n l 深井地应力以水平应力为主，最大水平主应力方向主要集中在 N 3 。 EN4 3 ． 5 。 W。通 过井下实测，确定出所测区域地应力状态及其分布规律。同时证明，小孔径水压致裂地应力测量法可为深部矿井 提供有效、快速的地应力测量手段，为深部巷道布置和支护设计优化提供可靠的基础参数。 关键词岩石力学；地应力测量；深部矿井；小孔径；水压致裂；应用 中圈分类号T D 3 1 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 0 7 0 5 0 9 2 9 0 5 RES EARCH AND AP PLI CATI oN oF I N． S I TU S TRES S M EAS UREM ENT I N DEEP M I NES KANG Ho n g p u，L I N J i a n ， Z HANG Xi a o B e O i n g Mi n i n gR e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i tut e ，B e U i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a 1 Ab s t r a c t T h e r e a r e ma n y k i n d s o f i n s i t u s t r e s s me a s u r e me n t me t h o d s a t p r e s e n t ， wh i c h C an b e c l a s s i f i e d i n t o me c h an i c a l ， g e o ph ys i c a l an d g e o l o g i c al s t r u c t u r e i nf o r ma t i on m e t ho d s ． Ba s e d on t he an alys i s o f the f e a t u r e s o f v a rio us s t r e s s me a s u r e me n t m e th o d s ， a ne w me t h od -- h yd r a u l i c f r a c t u rin g i n s i t u s t r e s s me a s ur e me n t wi th s ma l l b o r e h o l e， wh i c h i s s u i t a b l e f o r r a p i d i n s i t u s t r e s s me a s ur e me n t i n d e e p c o a l mi n e r oa dwa y s ， i s i n t r od u c e d． The i n s i t u s t r e s s me a s u r e me n t p ri n c i p l e ， d e v i c e an d t e c h n i c al p r o p e r ti e s a r e i n t r o d u c e d ． Ni n e p o i n t s o f i n s i t u s t r e s s m e a s u r e me nt h a v e be e n c o mpl e t e d i n u nd e r g r o u nd r o a d wa ys i n t y p i c a l d e e p c o a l mi n i n g a r e a， Xi n we n c o a l mi n i n g a r e a i n Ch i n a ． Th e r e a r e 5 me a s u r e me n t p o i n t s wi t h b u ri e d d e p t h mo r e t h an 1 0 0 0 m ，an d the ma x i mu m i S 1 2 2 0 m． Th e me a s u r e me n t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t 1 the r e a r e 7 me a s u r e me n t p o i n t s wi th the ma x i mu m h o r i z o n t a l p rin c i p a l i n s i t u s t r e s s mo r e than t h e v e r t i c al p ri n c i p a l s t r e s s ； 2 the v a l u e o f t h e maxi mu m h o riz o n t a l p ri n c i p a l s t r e s s a mo u n t s t o 4 2 ． 1 MP a ； 3 the r a t i o s o f the maxi mu m h o r i z o n t a l p rin c i p a l s t r e s s e s t o the v e r t i c al p ri n c i p a l s t r e s s a r e 1 ． 0 0 41 ． 5 5 0；and 4 t h e i n s i t u s t r e s s fi e l d i n Xi n we n c o a l mi n i n g wi t h b u r i e d d e p th mo r e than 1 O 0 0 m i s d o mi n a t e d b y ho riz o nt a l s t r e s s ； a n d t h e o rie n t a t i o n s o f t h e m a x i mu m h o riz o n t a l princ i p a l s t r e s s e s ma i n l y c o n c e nt r a t e on N3 。 E N43 ． 5 。 W ．The i n s i t u s t r e s s s tat e s an d th e d i s t rib u t i on l a w i n the me a s u r e d a r e a h a v e b e e n d e t e r mi n e d t h r o u g h the me a s u r e me n t r e s u l t s ．I t i S alS O p r o v e d tha t the h y d r a u l i c f r a c t u rin g i n s i t u s t r e s s 收稿 日期I 2 0 0 7一O 1 1 0 ；修回 日期I 2 0 0 70 2 1 3 基金项目I国家 自然科学基金重大项 E l 5 0 4 9 0 2 7 0 ；国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 H 2 0 0 6 C B2 0 2 2 0 3 作者筒介 1 9 6 5一 ，男，博士，1 9 8 5年毕业于山西矿业学院采矿工程系，现任研究员、博士生导师，主要从事岩石力学与巷道支护技术方面 的研究工作 。E - ma i l k a n g h p 1 6 3 ， t o m 维普资讯 9 3 0 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 me a s u r e me n t wi t h s ma l l b o r e h o l e c a n p r o v i d e an e ffe c t i v e and r a p i d s t r e s s me tho d f o r d e e p mi n e s and C an o ff e r e r e l i a b l e b a s i c p a r a me t e r s for r o a d wa y l a y o u t a n d s u p p o r t d e s i g n ． Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s ；i n - s i t u s tr e s s me a s u r e me n t d e e p mi n e s ma l l b o r e h o l e h y d r a u l i c f r a c t u r i n g ； a pp l i c a t i o n 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【 l 4 J ，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 J 采用空心包体应力解 除法 ，测量 了深部煤矿 深度 1 0 2 5 m 的三维应力 ，测出最大水平应力达 2 8 ．6 MP a 。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 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[ 卜 。蔡 美峰等【 1 0 J 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 l 1 0 5 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 2 0世纪 8 0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 。 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【 1 h 】 ，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 5 6 mm 。 2 ． 1 测■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 一时 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。 维普资讯 第 2 6卷第 5期 康红普，等． 深部矿井地应力测量方法研究与应用 9 3 1 l 录器 高压泵 流量计 l ● ● 图 1 水压致裂地应力测量示意图 Fi g ． 1 S c h e ma ti c p l a n f o r h y d r a u l i c f r a c t u r i n g i n s i t u s t r e s s m e a s u r e m e n t 2 ． 2 测量装置 根据 深 部煤矿 井 下特 点 ，采用 小 孔径 5 6 mm ，不仅可减小高地应力条件下测量钻孔的变形， 而且可显著减少测量设备质量 ，提高测量速度 ，实 现快速测量。具体指标如下测量钻孔直径为 5 6 2 ml n ；最大深度为 3 0m；最大水压为 4 0MP a ；定 位精度为 3 。 。 根据上述测量指标 ， 开发研制 了 S Y Y一5 6型小 孔径水压致裂地应力测量装置 见 图 2 【 l 引 。该装置 主要由封隔器、印模器、定向仪、超高压泵站、储 能器及数据采集仪组成，可在井下进行快速、大面积 地应力测量。同一钻孔还可用于巷道围岩强度测量。 图 2 S YY一 5 6型小孔径水压致裂地应力测量装置 F i g ． 2 S YY 一5 6 d e v i c e fo r h y dr a u l i c f r a c t u r i n g i n s i t u s tre s s me a s u r e me n t wi t h s ma l l b o r e h o l e f l 3 】 3 深部矿井地应力测量及分析 新汶矿区是我 国煤矿典型的深部矿井，平均开 采深度 已超过 1 0 0 0m，最大采深达 1 3 0 0m。新汶 矿区集 中了采深大、地质构造 复杂、矿井灾害性现 象多重条件 ，使开采支护极为困难 。 在巷道支护方面，开采深度小于 1 0 0 0 m 时， 采用传统的锚杆支护技术，基于二次支护理论，先 让后抗、先柔后刚，一次支护在保持围岩稳定的条 件下允许一定 的变形，然后在适 当的时机实施二次 支护 ，保持巷道的长期稳定。但是 ，当开采深度超 过 1 0 0 0 m 时，二次支护理论受到挑战。一些困难 巷道二次支护后仍然变形很大，需要三次、更多次 的维修与支护 ，甚至经过多次维修与支护后，巷道 围岩变形仍很大，长期处于不稳定状态。出现这种 局面的主要原因是深部开采引起 的高地应力及深部 煤岩层地质构造复杂。为此，在新汶矿 区选择有代 表性的深部巷道，采用 S Y Y一 5 6型d , ；f L 径水压致裂 地应力测量装置进行 了原岩应力测量。 3 ． 1 地应力测量结果 在新汶矿区共进行了 9个测点的地应力测量 。 测点埋深为 7 9 0 1 2 2 0 m， 其中， 华丰煤矿一 1 1 0 0 m 大巷测点的深度最大 1 2 2 0 m 。 一 1 1 0 0 m大巷顶板取出的岩芯为巷道顶部为 0 ． 4 m的灰色细砂岩 ，取芯率较低 ，裂隙发育破碎 ； 细砂岩 以上为 0 ． 7 m的灰 白色粗砂岩，硅质胶结， 纵向裂隙发育；往上为灰色细砂岩，厚度为 0 ． 8 5 m； 细砂岩之上为 1 ． 1 5 m 的灰 白色中砂岩，纵向裂隙发 育，取芯率较高；其上为灰色细砂岩，厚度为 2 ． 7 m， 岩 芯呈圆饼状 ，取芯率低；再往上为小煤 ，厚度 为 0 ． 5 m，取芯率极低，裂隙发育；其上为 5 _ 3 m的灰 色细砂岩，岩芯破碎 ，呈薄饼状 ，水平层理发育， 取芯率低；再往上为灰黑色泥岩 ，厚度 为 1 ． 1 i T 1 ， 水平层理发育，取芯率低 。 一 1 1 0 0 m大巷断面为直墙半圆拱形，宽 3 ． 7 m， 高 3 ． 8 5 m，墙高 2 m，采用锚喷支护。巷道 附近没 有受到采煤工作面或掘进工作面的采动影响。根据 弹塑性力学理论 ，当围岩深度超过巷道半径的 5倍 以上时，开挖引起 的应力影响变得很小 ，接近原岩 应力状态 。为此 ，测量孔段选在距孔 口 I I m、岩芯 完整 性较好 的细砂 岩 中 其他 测 点位 置也 据此确 定 。华丰煤矿 一 I 1 0 0 m大巷地应力测量压裂 曲线 如图 3所示。经水压致裂数据处理分析可得最大 水平主应力 4 2 ． 1] V I P a ，最小水平主应力 i 2 2 ． 8 MP a ，垂直主应力 3 2 ． 3 3 MP a 。 孔壁岩石压裂完成后 ，对孔壁压裂部位进行 印 模，取得水压裂缝的走向，印模结果见图4 。 新汶矿区深部矿井 9个测点的地应力测量结果 见表 1 。 3 ． 2 地应 力测量结果分析 地应力测量结果表 明，新汶矿区深井地应力分 维普资讯 9 3 2 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 3 0 2 5 2 0 凄l 5 蓄1 0 0 测试时N／ s 图 3 华丰煤矿一1 1 0 0 m大巷地应力测量压裂曲线 F i g ． 3 Hy d r a u l i c f r a c t u rin g c u r v e o f s t r e s s me a s u r e me n t i n 一 1 1 0 0m ma i n r o a d wa yi nHu a f e n gCo a l Mi n e N ； 图4 华丰煤矿一1 1 0 0m大巷地应力印模图 F i g ． 4 Hy dr a u l i cf r a c turin gp ri n t e d c u rvei n 一 1 1 0 0m main r o a d wa y i n Hu a f e n g Co a l M i n e 表 1 新汶矿区深部矿井地应力测量结果 T a b l e 1 I n - s i tu s tre s s me a s u r e me n t r e s u l t s i n Xi n we n De e p CO al Mi n e s 布有 以下特征 1 地应力大 新汶矿区深部矿井地应力总体较大。9个测点 中有 5个埋深超过 1 9 0 0 i n ，最深达 1 2 2 0 i n 。最大 水平主应力高达 4 2 ． 1 MP a 华丰矿一1 1 0 0 i n大巷 ， 最大水平主应力的最小值 潘西矿 4 3 5运巷临时变 电所 也在 2 0 MP a 以上；最小水平主应力达 2 2 ． 8 MP a ，最小水平主应力的最小值也在 1 0 MP a以上。 从新汶矿区各矿地应力情况来看，潘西矿开采 深度较浅 小于 1 0 0 0 m ，所测地应力数值相对较 小，最大水平主应力在 2 0 MP a左右 ；协庄矿和华 丰矿测点位置的深度大多超过了 1 0 0 0 i n ，地应力 数值均 比较大，最大水平主应力在 3 0 MP a以上。 2 原岩应力场 以水平应力为主 新汶矿区深部主要有两种地应力场① D ， ，共 7个测点，包括协庄矿 3个测点，华丰 矿 3个测点， 潘西矿 1 个测点。D 最小为 1 ． 0 0 4 潘 西 ，最大为 1 ．5 5 协庄 。② t r v ， 共 2 个测 站，全部为潘西矿测点， 分别为 1 ． 2 O和 1 ． 2 7 。 可见，新汶矿区 目前超千米深井地应力 协庄矿 、华 丰矿 主要以水平应力为主，而在潘西矿附近主要以 垂直应力为主。最大水平主应力方向主要集中在 N3。 E～ N4 3． 5。 W 。 已有的大量实测数据表明，矿井浅部地应力 以 水平应力为主，深部以垂直应力为主。新汶矿区的 地应力测量结果与上述规律相反，即使矿井深度超 过 1 0 0 0 i n ，仍 以水平应力为主。表明在地质构造 复杂的矿区，深部矿井地应力仍以水平应力占优势。 3 地应力随深度的变化 将新汶矿 区 9个测点的主应力值进行回归，得 出地应力随深度的变化情况 见图 5 。 乓 1 聪 1 1 1 地应力／ MP a 图5 新汶矿区深部地应力值随深度的变化情况 F i g ． 5 Va r i a t i o n o f i n - s i t u s t r e s s v a l u e s wi t h d e p t h i n Xi n we n Co a l M i n i n gAr e a 图 5的结果表明，最大、最小水平主应力随深 度增加基本呈线性增加 ，开采深度越大，水平应力 越高。但是，有些测点的数值离散性比较大，主要 原因是本次所测 3 个矿区的距离比较远，而且新汶 矿区地质构造非常复杂，导致构造应力分布规律性 维普资讯 第 2 6卷第 5期 康红普，等． 深部矿井地应力测量方法研究与应用 9 3 3 差。同时说明，地应力测点数还 比较少，需进行更 多点的测量。 4 结论 1 水压致裂法是最直接的地应力测量方法。 对环境要求比较宽松，测量应力 的空间范围较大， 能测量较深处的绝对应力状态，受局部因素的影响 较小，不需要套芯等复杂工序，对钻孔设备要求低， 成功率较高。采用水压致裂法进行深部矿井地应力 测量是可行的。 2 根据深部矿井巷道特点开发研制的 S YY一 5 6型4 , T L 径水压致裂地应力测量装置 ， 采用小直径 钻孔 5 6 m m ，不仅测量钻孔变形小，而且可在井 下进行快速地应力测量 ，为深部矿井提供 了有效 、 快速 的地应力测量手段 。 3 新汶矿 区深井地应力测量结果表 明7 8 ％ 的测点最大水平主应力大于垂直主应力；最大水平 主应力高达 4 2 ． 1 MP a ；最大水平主应力与垂直主应 力的比值为 1 ． 0 0 4 1 ． 5 5 0 ；超千米深井地应力主要 以水平应力为主。 4 深井水平主应力随深度增加而增大，开采 深度越大，水平应力越高。但部分测点的数值离散 性较大，表 明新汶矿区地质构造非常复杂 ，从而导 致构造应力分布规律性较差 。 参考文献 R e f e r e n c e s HUDS ON J A ，CORNET F H，CHI S TI ANS S ON R． I S RM s u g g e s t e d me t h o d f o r r o c k s t r e s s e s t i ma t i o n p a r t 1 s t r a t e g y for r o c k s t r e s s e s ti ma ti o n [ J ] ． I n t ． J ． R oc k Me c h ． Mi n 、 S c i ． ， 2 0 0 3 ， 4 0 7 1 8 9 9 1 9 9 8 ． CHI S TI ANS S ON R．Th e l a t e s t d e v e l o p me n t f o r i n - 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