地應(yīng)力與地應(yīng)力測(cè)量方法簡(jiǎn)介

1、3.1 地應(yīng)力與地應(yīng)力測(cè)量方法簡(jiǎn)介地應(yīng)力，又稱原巖應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力或絕對(duì)應(yīng)力，是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因產(chǎn)生的。在一定時(shí)間和一定地區(qū)內(nèi)，地殼中的應(yīng)力狀態(tài)是各種起源應(yīng)力的總和。主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成,重力應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的主要來(lái)源。地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地殼非均勻擴(kuò)容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學(xué)變化等也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。而重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形

2、成影響最大。地應(yīng)力測(cè)量，就是確定擬開(kāi)挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)，這種測(cè)量通常是通過(guò)多個(gè)點(diǎn)的量測(cè)來(lái)完成的。地應(yīng)力測(cè)量是確定工程巖體力學(xué)屬性、進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析、實(shí)現(xiàn)巖土工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的前提。地應(yīng)力對(duì)礦山開(kāi)采、地下工程和能源開(kāi)發(fā)等生產(chǎn)實(shí)踐均起著至關(guān)重要的作用，所以地應(yīng)力研究是當(dāng)前國(guó)際采礦界上的一個(gè)前沿性課題，近幾十年來(lái)，世界上許多國(guó)家均開(kāi)展了地應(yīng)力的測(cè)量及應(yīng)用研究工作,取得了眾多的成果。隨著礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷提高和開(kāi)采深度的不斷增加，對(duì)礦區(qū)所處的地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境提出了更進(jìn)一步的要求。查明礦區(qū)深部煤炭資源的開(kāi)采地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境，為深部礦井的設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)提供更加

3、精細(xì)可靠的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，以便采取有效技術(shù)手段和措施，避免和減少災(zāi)害的發(fā)生，是實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)的重要保障。地應(yīng)力是引起采礦工程圍巖、支架變形和破壞、產(chǎn)生礦井動(dòng)力現(xiàn)象的根本作用力，在諸多的影響采礦工程穩(wěn)定性因素中，地應(yīng)力是最重要和最根本的因素之一。準(zhǔn)確的地應(yīng)力資料是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析和計(jì)算，礦井動(dòng)力現(xiàn)象區(qū)域預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)采礦決策和設(shè)計(jì)科學(xué)化的必要前提條件。采礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大和開(kāi)采深度的縱深發(fā)展，地應(yīng)力的影響越加嚴(yán)重，不考慮地應(yīng)力的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工往往造成露天邊坡的失穩(wěn)、地下巷道和采場(chǎng)的坍塌破壞、沖擊地壓等礦井動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生，致使礦井生產(chǎn)無(wú)法進(jìn)行，并經(jīng)常引起嚴(yán)重的事故，造成

4、人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的重大損失。巖體地應(yīng)力測(cè)量，主要是指對(duì)處于地下原始狀態(tài)的巖（礦）中的某點(diǎn)的應(yīng)力或應(yīng)變的測(cè)量。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，特別是近30年來(lái)，隨著地應(yīng)力測(cè)量工作的不斷開(kāi)展，各種測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器也不斷發(fā)展起來(lái)。就世界范圍而言，目前主要測(cè)量方法有數(shù)十種之多，而對(duì)測(cè)量方法的分類并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前各國(guó)采用和正在研究的測(cè)定地應(yīng)力的方法主要有：應(yīng)力解除法，水壓致裂法，鉆孔鋸法，非彈性應(yīng)變恢復(fù)法等。利用從鉆孔中采取的巖芯實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法有：凱塞爾效應(yīng)法，變形率分析，微分應(yīng)變曲線分析等。近年來(lái)發(fā)展有超聲波檢測(cè)原巖應(yīng)力的方法等。根據(jù)測(cè)量手段的不同，將地應(yīng)力測(cè)量方法分為五大類，即：構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法

5、、放射性法。根據(jù)測(cè)量原理的不同，可分為應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法共八類。而國(guó)內(nèi)外多數(shù)依據(jù)測(cè)量基本原理的不同，可將測(cè)量方法分為間接測(cè)量和直接測(cè)量法兩大類。間接測(cè)量法是借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測(cè)量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)變，巖體的密度、滲透性、吸水性、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測(cè)得的間接物理量的變化，通過(guò)已知的公式，計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。因此，在間接測(cè)量法中，為了計(jì)算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測(cè)物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系。套孔應(yīng)力解除法和其它應(yīng)力或應(yīng)變解除方

6、法以及地球物理方法等是間接法中較常用的。其中,套孔應(yīng)力解除法是目前國(guó)內(nèi)外最普遍采用的發(fā)展較為成熟的一種地應(yīng)力測(cè)量方法。直接測(cè)量法是由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，如補(bǔ)償應(yīng)力、恢復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。在計(jì)算過(guò)程中并不涉及不同物理量的換算，不需要知道巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法均屬直接測(cè)量法。其中，水壓致裂法在目前的應(yīng)用最為廣泛，聲發(fā)射法次之。早期的原位地應(yīng)力測(cè)量一般是在巖體的表面進(jìn)行，分為表面應(yīng)力恢復(fù)法和表面應(yīng)力解除法兩種。扁千斤頂法是表面應(yīng)力恢復(fù)法的代表，而中心鉆孔法和平行鉆孔法

7、則為表面應(yīng)力解除法的代表。巖體表面應(yīng)力測(cè)量一般都在開(kāi)挖表面進(jìn)行，只能測(cè)量巖體表面的一維或二維應(yīng)力狀態(tài)。而這種應(yīng)力狀態(tài)也受到開(kāi)挖擾動(dòng)影響，并非原巖應(yīng)力。而且，巖體表面因開(kāi)挖會(huì)受到程度不同的破壞，使它們與未受擾動(dòng)的巖體的物理力學(xué)性質(zhì)大不相同。同時(shí)隧道開(kāi)挖對(duì)原始應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)也是十分復(fù)雜的，不可能進(jìn)行精確的分析和計(jì)算。所以這類方法不能準(zhǔn)確確定測(cè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力狀態(tài)。為了克服這類方法的缺點(diǎn)，另一類方法是從隧道表面向巖體中打小孔，直至原巖應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力測(cè)量是在小孔中進(jìn)行的。由于小孔對(duì)原巖應(yīng)力狀態(tài)的擾動(dòng)是可以忽略不計(jì)的，這就保證了測(cè)量是在原巖應(yīng)力區(qū)中進(jìn)行。這類方法稱為“鉆孔測(cè)量法”，目前普遍采用的應(yīng)力解除法和水

8、壓致裂法均屬此類方法，其特點(diǎn)見(jiàn)表3-1。表3-1鉆孔測(cè)量法分類表測(cè)量方法特點(diǎn)使用范圍缺點(diǎn)水壓致裂法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)值代表性大、適應(yīng)性強(qiáng)、深度大。測(cè)量應(yīng)力空間范圍較大，無(wú)可利用的巷道、硐室時(shí)，更能顯示其優(yōu)越性。測(cè)得的主應(yīng)力方向定位不準(zhǔn)，測(cè)得結(jié)果的精度不很高；成本較高。應(yīng)力解除法測(cè)的精度較高。適用于礦山中的現(xiàn)有巷道和硐室。測(cè)量地點(diǎn)較為局限；運(yùn)用上存在技術(shù)困難。應(yīng)力恢復(fù)法理論基礎(chǔ)嚴(yán)密。僅適用于巖體表層。不能測(cè)量巖體中的主應(yīng)力方向，勞動(dòng)量大。聲發(fā)射法勞動(dòng)量小，保持研究地塊完整性，在同一測(cè)點(diǎn)和測(cè)區(qū)可進(jìn)行多次測(cè)量。用于高強(qiáng)度脆性巖石。使用范圍比較局限，對(duì)于較軟弱疏松的巖體，則不適用，精度較低。鉆孔應(yīng)

9、力解除技術(shù)已基本成熟，國(guó)內(nèi)的學(xué)者、專家們對(duì)之進(jìn)行了深入的研究?？偟膩?lái)說(shuō)，地應(yīng)力的測(cè)量是一項(xiàng)綜合性的測(cè)試，可以說(shuō)任何一種單一的方法都不能很好地保證精度，往往需要幾種方法結(jié)合起來(lái)對(duì)比使用，才可以保證結(jié)果的可靠性。遼寧工程技術(shù)大學(xué)多年來(lái)致力于地應(yīng)力方面的測(cè)試與研究，使用空芯包體應(yīng)力解除法在諸多礦區(qū)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量工作，測(cè)量效果良好。受韓城礦業(yè)公司委托，遼寧工程技術(shù)大學(xué)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，對(duì)韓城礦業(yè)公司所屬的象山礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量采用空芯包體應(yīng)力解除法進(jìn)行，應(yīng)變計(jì)使用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制的kx81-1型空芯包體應(yīng)力計(jì)，應(yīng)用kx81-1型空芯包體計(jì)算程序進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算，最后

10、給出各礦地應(yīng)力的主要參量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)該礦地應(yīng)力特征進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。3.1.1空芯包體地應(yīng)力測(cè)量方法及測(cè)量?jī)x器3.1.1.1應(yīng)力解除法1)應(yīng)力解除法的種類（1）、鉆孔位移法該法又稱為鉆孔變形法。它是通過(guò)測(cè)量解除槽開(kāi)出前后鉆孔孔徑的變化來(lái)測(cè)量地應(yīng)力的。使用的傳感器稱為鉆孔變形計(jì)。（2）、鉆孔應(yīng)變法該法又分為孔底應(yīng)變法和孔壁應(yīng)變法?？椎讘?yīng)變法是通過(guò)測(cè)量解除前后鉆孔底面的應(yīng)變變化來(lái)測(cè)量應(yīng)力的；孔壁應(yīng)變法則是通過(guò)測(cè)量解除前后鉆孔孔壁表面的應(yīng)變變化來(lái)測(cè)量地應(yīng)力的。（3）、鉆孔應(yīng)力法該法是將剛性的鉆孔變形計(jì)置于鉆孔內(nèi)，利用測(cè)量解除前、后變形計(jì)上的壓力變化來(lái)測(cè)量地應(yīng)力。變形計(jì)上的壓力變化與鉆孔孔徑變化有關(guān)

11、。通過(guò)力學(xué)分析，可以建立變形計(jì)的壓力與地應(yīng)力的解析表達(dá)式。這種剛性變形計(jì)稱為鉆孔應(yīng)力計(jì)。2)應(yīng)力解除法常用的測(cè)試儀器地應(yīng)力的測(cè)試儀器很多，這里只介紹幾種常用的儀器。（1）、KX-81型空芯包體式三軸地應(yīng)力計(jì)KX-81型空芯包體式三軸地應(yīng)力計(jì)是由地質(zhì)力學(xué)研究所制造的。這種應(yīng)力計(jì)是澳大利亞CSIRO應(yīng)力計(jì)的一種改進(jìn)型，目前這種測(cè)試儀器在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。圖3-1 KX-81型空心包體三軸地應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖1安裝桿；2定向器導(dǎo)線；3定向器；4讀數(shù)電纜；5定向銷；6密封圈；7環(huán)氧樹(shù)脂筒；8空腔（內(nèi)裝粘膠劑）；9固定銷；10應(yīng)力計(jì)與孔壁之間的空隙；11柱塞；12巖石鉆孔；13出膠孔；14密封圈；15導(dǎo)

12、向頭；16應(yīng)變花（2）、YG-73型和YG-81型壓磁地應(yīng)力計(jì)YG-73型和YG-81型壓磁地應(yīng)力計(jì)是由地質(zhì)力學(xué)研究所和地殼應(yīng)力研究所研制的，是對(duì)瑞典哈斯特應(yīng)力計(jì)的一個(gè)改進(jìn)。這種測(cè)試儀在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。圖3-2 YG-73型壓磁地應(yīng)力計(jì)圖3-3 YG-81型壓磁地應(yīng)力計(jì)（3）、USBM鉆孔變形計(jì)該變形計(jì)是由美國(guó)礦物局研制的，是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)方法委員會(huì)建議采用的一種變形計(jì)。該變形計(jì)可安裝在孔徑為38mm的鉆孔中，可測(cè)三個(gè)方向的直徑變化，靈敏度為鉆孔直徑的十萬(wàn)分之一。該應(yīng)力計(jì)在套芯過(guò)程中可牢固地固定在測(cè)量孔中，不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。它具有良好的防水性能，并能與訊號(hào)電纜分離。通過(guò)貼有應(yīng)變計(jì)的觸頭與

13、孔壁相接觸，量測(cè)鉆孔直徑的變化。USBM鉆孔變形計(jì)使用電阻應(yīng)變儀進(jìn)行讀數(shù)，使用雙向模量率定臺(tái)測(cè)量巖芯的彈模。（4）、36-2型鋼環(huán)式鉆孔變形計(jì)該變形計(jì)是由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的。變形計(jì)中有4個(gè)鋼環(huán)，每個(gè)鋼環(huán)上貼有應(yīng)變片，可量測(cè)互成45°的四個(gè)直徑方向的直徑變化。該應(yīng)變計(jì)可安裝在36mm直徑的巖石鉆孔中。該方法需要測(cè)量巖石的彈性模量和泊松比。（5）、CSIR三向應(yīng)變計(jì)CSIR三向應(yīng)變計(jì)與KX-81型空芯包體三軸地應(yīng)力計(jì)的原理相同，也是用來(lái)進(jìn)行孔壁應(yīng)變測(cè)量的。它可在單孔中通過(guò)一次套芯解除獲得三維地應(yīng)力狀態(tài)，所不同的只是應(yīng)力計(jì)的結(jié)構(gòu)不一樣。（6）、SDX定向儀SDX水平定向儀是

14、用來(lái)確定水平或傾斜鉆孔中地應(yīng)力計(jì)應(yīng)變片的方向的。顯示器由三位半袖珍式數(shù)字萬(wàn)用表改裝而成，它的作用是供給轉(zhuǎn)換器一個(gè)恒壓電源和顯示測(cè)量讀數(shù)。轉(zhuǎn)換器由圓形的高精度線性快速電位器、重錘、外殼、安裝卡頭組成。電位器固定在外殼上，重錘固定在電位器旋轉(zhuǎn)軸上，使重錘與滑動(dòng)臂相對(duì)固定不變，由于重力作用，重錘永遠(yuǎn)指向重力方向，所以滑動(dòng)臂的指向也固定不變。當(dāng)電位器電阻膜片隨著外殼旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑動(dòng)臂與電阻膜片上的參考點(diǎn)之間的夾角將發(fā)生變化。測(cè)出電壓的變化即可求算出探頭的安裝角度。圖3-4部分測(cè)量?jī)x器（7）、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀目前空芯包體地應(yīng)力測(cè)量中使用的YJK4500靜態(tài)電阻應(yīng)變儀是由煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采所生產(chǎn)的。特點(diǎn)是

15、穩(wěn)定性好、靈敏系數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬、電阻平衡范圍寬、量程寬、分辨率高、精度高。儀器按安全型電路設(shè)計(jì)，密封便攜，可應(yīng)用于野外及煤礦井下，是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆孔應(yīng)力解除中可靠的測(cè)量工具。（8）、傳感器圍壓率定機(jī)傳感器圍壓率定機(jī)的作用一是將儀器的讀數(shù)換算成折算位移；二是求算巖石的彈性模量和泊松比。為了把儀器的讀數(shù)換算成折算位移，以便進(jìn)行主應(yīng)力的計(jì)算，必須對(duì)元件進(jìn)行率定，做出率定曲線。率定機(jī)主要由圍壓器和油泵組成，原理結(jié)構(gòu)如圖3-5。圖3-5圍壓率定機(jī)結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，取出帶有空芯包體探頭的巖芯，將套芯之后所取出的帶有元件的巖芯放入元件率定機(jī)中，用油泵將油打入圍壓器中，給巖芯施加均勻圍壓到預(yù)定值，然后退壓，同時(shí)進(jìn)行儀器讀數(shù)，就可以根據(jù)下列公式畫出率定曲線。將套取的巖芯連同應(yīng)力計(jì)一同放入圍壓率定機(jī)中并加壓，測(cè)出不同壓力下