口孜東礦地應(yīng)力測(cè)量報(bào)告(最新)

1、口孜東礦地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院二一二年四月22目 錄1 前言12 口孜東礦工程地質(zhì)條件33口孜東礦地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量10 1 前 言地應(yīng)力是存在于地殼中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或原巖應(yīng)力，廣義上也指地球體內(nèi)的應(yīng)力。它包括由地?zé)嶂亓Φ厍蜃赞D(zhuǎn)速度變化及其他因素產(chǎn)生的應(yīng)力地應(yīng)力通常也稱為原巖應(yīng)力，是指巖土體內(nèi)一點(diǎn)固有的應(yīng)力狀態(tài)。地應(yīng)力是引起礦山、水利水電、土木建筑、鐵路、公路和各種地下或露天巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力。地應(yīng)力是地殼地層力學(xué)狀態(tài)最基礎(chǔ)的原始數(shù)據(jù)，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定分析、巖土工程開挖設(shè)計(jì)和決策所必須的原始資料。就采礦工程

2、而言，地應(yīng)力的大小和方向?qū)飻嗝嫘螒B(tài)優(yōu)化、方位的合理選擇及巷道支護(hù)、巖爆、煤和瓦斯突出的研究等都是重要的科學(xué)依據(jù)。1.1 地應(yīng)力測(cè)量的重要意義地下巖體工程的穩(wěn)定性，主要取決于圍巖的強(qiáng)度、巖體的應(yīng)力狀態(tài)和支護(hù)體的支護(hù)能力。為了保障地下巖體工程的穩(wěn)定性，就必須對(duì)影響工程穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行充分的調(diào)查研究。只有詳細(xì)了解了這些工程影響因素，并通過定量計(jì)算和分析，才能做出既經(jīng)濟(jì)又安全的工程設(shè)計(jì)。在諸多影響因素中，巖體的地應(yīng)力狀態(tài)是重要因素之一。對(duì)礦山井巷工程而言，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定巷道的方向、最佳斷面形狀、尺寸、開挖步驟、支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)等。1.1.1地應(yīng)力是地下巷道穩(wěn)

3、定性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)和巖石力學(xué)條件是控制地下工程穩(wěn)定性的重要因素。在礦山工程穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，地應(yīng)力測(cè)量要與工程地質(zhì)調(diào)查、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)合起來，為工程穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。地應(yīng)力測(cè)量主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：選擇巷道布置方向；選擇采場(chǎng)推進(jìn)方向；選擇巷道斷面形狀；選擇支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)；選擇開采順序；選擇頂板管理方法。1.1.2地應(yīng)力預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出在煤與瓦斯突出的發(fā)生過程中，地應(yīng)力與瓦斯是發(fā)生和發(fā)展突出的動(dòng)力，煤的強(qiáng)度是阻礙突出發(fā)生的因素，它們存在于同一體系之中（突出煤層及圍巖），既互相依存，又互相制約。在承受強(qiáng)烈擠壓的構(gòu)造帶，圍巖及煤層中存在不均勻的、 較高的構(gòu)造應(yīng)

4、力，煤層瓦斯壓力隨之增高，煤結(jié)構(gòu)遭受破壞，機(jī)械強(qiáng)度降低，為發(fā)生突出創(chuàng)造有利條件，并決定了煤和瓦斯突出的區(qū)域性分布。1.1.3地應(yīng)力為防治巷道沖擊動(dòng)力破壞提供依據(jù)當(dāng)前，隨著礦井開采深度的逐步增加，礦山壓力顯現(xiàn)越來越嚴(yán)重，我國許多礦井都出現(xiàn)了巷道沖擊動(dòng)力破壞的現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)造成了一定的威脅。而發(fā)生這些沖擊動(dòng)力破壞的根本原因都是因?yàn)殡S采深增大而使得原巖應(yīng)力增加，以及由于開采影響而引起的次生應(yīng)力疊加而產(chǎn)生煤柱應(yīng)力集中區(qū)，所以研究地應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)防治巷道沖擊動(dòng)力破壞意義重大。1.1.4 地應(yīng)力是巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由于各種巖體開挖的復(fù)雜性和多樣性，利用解析理論方法進(jìn)行工程穩(wěn)定性分析和計(jì)算是

5、十分困難的。近幾十年來發(fā)展起來的各種數(shù)值分析方法，使巖體工程穩(wěn)定性定量分析成為現(xiàn)實(shí)。巖石工程的定量設(shè)計(jì)計(jì)算比其他工程要復(fù)雜得多，其根本原因在于工程地質(zhì)條件和巖體性質(zhì)的不確定性以及巖石材料的非線性。所有的計(jì)算和分析都應(yīng)該在地應(yīng)力已知的前提下進(jìn)行。如果對(duì)工程區(qū)域內(nèi)的原始地應(yīng)力狀態(tài)不了解，數(shù)值分析的實(shí)用價(jià)值和可靠性就會(huì)降低。1.2 口孜東礦地應(yīng)力測(cè)量工作為了掌握口孜東礦深部地應(yīng)力分布規(guī)律，同時(shí)為深部巷道合理支護(hù)和煤層安全開采提供科學(xué)依據(jù)，受國投新集集團(tuán)的委托，安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院于2012年3月4月在口孜東礦深部區(qū)域進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量。在為期1個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作中，安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院的科

6、研工作人員和國投新集集團(tuán)口孜東礦的工程技術(shù)人員密切合作，克服了深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鉆孔成孔困難等工程技術(shù)難題，順利完成了測(cè)試工作，并于4月撰寫了研究報(bào)告。2 口孜東礦工程地質(zhì)條件 口孜東井田位于安徽省阜陽市潁東區(qū)，井田東西走向長7.4km，傾斜寬3.07.3km，面積約33.6km2。2.2 口孜東煤礦工程地質(zhì)條件口孜東井田位于淮南煤田西部，安徽省阜陽市穎東區(qū)與穎上縣交界處，行政區(qū)劃隸屬阜陽市，西距阜陽市約30km。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5.0Mt/a以上。采用立井、主要石門及分組集中大巷的開拓方式。設(shè)計(jì)推薦一水平標(biāo)高為-967m，二水平標(biāo)高暫定為-1200m。本次地應(yīng)力測(cè)量的選點(diǎn)位置在-967外水

7、倉口、矸石三叉口以及西翼軌道大巷。2.2.1 地層巖性2.2.1.1 地層淮南煤田在地層區(qū)劃上屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)淮南地層小區(qū)。在地層層序中，除部分缺失外，一般均發(fā)育比較齊全。煤系地層全部被第三、四系覆蓋，唯有煤田南北兩翼邊緣的低山殘丘，出露有震旦、寒武、奧陶系等古老地層，見表2.1。本區(qū)為全隱蔽區(qū)，據(jù)鉆探揭露，地層層序與淮南煤田各勘查區(qū)相同，由老至新簡述如下：一、上太古界厚度不詳，區(qū)內(nèi)(88-3孔)揭露厚度269m，見于阜鳳推覆構(gòu)造上盤。主要由灰灰綠色片麻巖、角閃片巖、角閃斜長片麻巖，淺肉紅色淺紫色混合巖，花崗片麻巖組成。二、上元古界厚度不詳，區(qū)內(nèi)未揭露，主要由灰白色微粒厚層狀石英巖、黃

8、色石英砂巖、紫紅灰色薄層狀硅化灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、深灰色淺灰色粉砂巖、泥巖組成。與下伏地層不整合接觸。三、古生界1、寒武系（）區(qū)內(nèi)(23-9孔)揭露厚度約270m，見于F1推覆構(gòu)造上盤。巖性為灰深灰色，細(xì)晶質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，夾有紫紅色泥巖、石英砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，產(chǎn)三葉蟲化石。與下伏地層假整合接觸。2、奧陶系中、下統(tǒng)（O1+2）區(qū)域厚度400m，區(qū)內(nèi)未揭露，根據(jù)鄰區(qū)資料，巖性以灰色隱晶質(zhì)及細(xì)晶、厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部夾角礫狀灰?guī)r或夾紫紅色、灰綠色泥質(zhì)條帶。與下伏地層假整合接觸。3、石炭系上、中統(tǒng)（C2+3）（1）本溪組（C2b）區(qū)域厚度010m，區(qū)內(nèi)未揭露

9、, 據(jù)鄰區(qū)資料，巖性為淺灰色、紫紅色含鋁質(zhì)泥巖。與下伏地層呈假整合接觸。表2-1區(qū) 域 地 層 簡 表界系統(tǒng)組厚度(m)主 要 巖 性新生界第四系全新統(tǒng)40130淺黃、灰黃色粘土夾砂層。更新統(tǒng)第三系上上新統(tǒng)01528灰綠色、淺棕黃色，固結(jié)粘土夾砂層。中新統(tǒng)下漸新統(tǒng)02057淺灰色、棕褐色砂泥巖及其互層，夾砂礫巖。始新統(tǒng)中生界白堊系上 統(tǒng)647紫紅色粉、細(xì)砂巖，砂礫巖。下 統(tǒng)1844棕紅色泥巖、粉砂巖，細(xì)中粒砂巖。侏羅系上 統(tǒng)637凝灰質(zhì)砂礫巖，凝灰?guī)r和安山巖。三疊系下 統(tǒng)316446紫紅色砂、泥巖。古生界二疊系上 統(tǒng)石千峰組114260紫紅、灰綠、雜色泥巖，細(xì)粗砂巖，夾石英砂巖、砂礫巖。上石盒

10、子組316566深灰色泥巖，灰綠色、淺灰色砂巖，底含石英砂巖，含煤層。下 統(tǒng)下石盒子組106265灰色砂泥巖及其互層，底含粗砂巖，含煤層。山西組5288上部細(xì)至粗砂巖，下部深灰色泥巖，含煤層。石炭系上 統(tǒng)太原組102148灰?guī)r為主，夾泥巖和砂巖，含薄煤層。中 統(tǒng)本溪組010主要為淺灰綠色鋁鐵質(zhì)泥巖及泥巖，含較多黃鐵礦奧陶系中下統(tǒng)400中厚層白云巖，白云質(zhì)灰?guī)r，夾灰?guī)r。寒武系上 統(tǒng)土壩組170220白云巖，硅質(zhì)結(jié)核白云巖，產(chǎn)Heleionellasp.化石。固山組978白云巖，竹葉狀灰?guī)r，鮞狀灰?guī)r。中 統(tǒng)張夏組146鮞狀灰?guī)r，白云巖。產(chǎn)Dameselluasp.化石。徐莊組190棕黃色砂巖，夾頁

11、巖及石灰?guī)r。產(chǎn)Manchuriellasp.化石。毛莊組152礫狀灰?guī)r，鮞狀灰?guī)r，頁巖。下 統(tǒng)饅頭組215紫色頁巖夾灰?guī)r。產(chǎn)Redlichasp.化石。猴家山組100150鮞狀灰?guī)r、白云巖、砂灰?guī)r、孔洞灰?guī)r。鳳臺(tái)組10100頁巖、礫巖。上元古界震旦系徐淮群九頂山組117白云巖，底部夾竹葉狀灰?guī)r。倪園組92上部含泥白云巖,夾黃綠色鈣質(zhì)頁巖,下部硅質(zhì)條帶白云巖。四頂山組137厚層白云巖為主。產(chǎn)蠕形動(dòng)物化石。九里橋組119泥灰?guī)r、砂灰?guī)r。四十里長山組93石英巖及鈣質(zhì)砂巖。青白口系八公山群劉老碑組1050頁巖、泥灰?guī)r、石英砂巖、底部鐵質(zhì)砂礫巖。含藻及疑源類化石。伍山組張店組下元古界鳳陽群1171千枚巖

12、，白云巖，大理巖，白云質(zhì)石英片巖，石英巖，含藻化石。上太古界五河群6422片麻巖、淺粒巖、變粒巖、斜長角閃巖韻律互層，夾少量大理巖及磁鐵礦層，巖石混合巖化。（2）太原組（C3t）區(qū)域厚度102148m，區(qū)內(nèi)揭露厚度約35m，根據(jù)鄰區(qū)資料由1113層灰?guī)r與細(xì)砂巖、泥巖相間組成，含薄煤層14層，極不穩(wěn)定，多不可采。與下伏本溪組為整合接觸?；?guī)r中多產(chǎn)海百合莖、珊瑚、腕足類等化石，所含蜓科化石特別豐富，主要有：Quasifusulina SP. (似紡綞蜓)Schwagerina SP. （希瓦格蜓）Pseudoschwagerna SP. （假希瓦格蜓）等。4、二疊系（P）區(qū)內(nèi)揭露厚度873.20m

13、，劃分為下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組。以砂巖、粉砂巖、泥巖為主。山西組及下、上石盒子組可分為7個(gè)含煤段，為本區(qū)主要勘探對(duì)象。（1）山西組（P1s）即第一含煤段。底界為石炭系太原組第一層灰?guī)r之頂，上界至4-1煤下鋁質(zhì)泥巖下砂巖之底，厚5073.50m，平均64.80m。其巖性，底部為灰黑色、致密泥巖，富含腕足類化石，其上為灰黑深灰色砂、泥巖互層，混濁層理發(fā)育，具蟲孔構(gòu)造，夾有菱鐵結(jié)核，含煤12層，總厚6.78m，1煤層為穩(wěn)定可采煤層。本段中上部為中厚層石英砂巖及細(xì)-中粒砂巖為主夾泥巖，植物化石有延羊齒，櫛羊齒等。Alethopteris SP.（延羊齒） Pecopteris

14、 SP. （櫛羊齒）Cordaites SP. （科達(dá)迪）等。（2）下石盒子組（P1xs）即第二含煤段。底界為鋁質(zhì)泥巖下砂巖之底，上界至9煤層頂砂巖之底或9煤頂板，厚102140m，平均120.70m。為主要含煤段，含煤48層（49煤），總厚13.08m，其中5煤層為穩(wěn)定可采煤層，8、4-2煤層為較穩(wěn)定可采煤層，9煤層為不穩(wěn)定的大部可采煤層。本段底部為砂巖夾泥巖或石英砂巖夾泥巖，并發(fā)育一層花斑狀泥巖、鋁質(zhì)泥巖，中部為細(xì)砂巖、粉砂巖夾泥巖，上部以灰色、深灰色泥巖、粉砂巖為主，8煤、5煤頂板產(chǎn)有較多的植物化石，主要有：Taeniopteris SP. （帶羊齒）Plagiozamites oblo

15、ngifolius. （橢圓斜羽葉）Lepidodendron oculus-felis. （貓眼鱗木）Lobatannularia sinensis. （瓣輪葉）Pecopteris SP. （櫛羊齒）Cordaites SP. （科達(dá)迪）Gigantonoclea SP. （單網(wǎng)羊齒）Sphenophyllum SP. （脊楔葉）等 （3）上石盒子組（P2ss）底界為9煤層頂板砂巖之底或9煤頂，上界至石千峰組底界，厚度約578.40m。第三含煤段：厚93.5125m，平均108.70m，以灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，夾灰白色細(xì)中粒砂巖，局部見粗粒砂巖，含煤58層(1011-3煤)，總厚

16、6.01m，其中11-2、11-1煤為較穩(wěn)定可采煤層，11-2煤頂板富含植物化石主要有：Gigantonoclea SP. （單網(wǎng)羊齒）Lobatannularia ensifolia.（劍形瓣輪葉）Cordaites SP. （科達(dá)迪）Pecopteris SP. （櫛羊齒）Taeniopteris SP. （帶羊齒）Sphenophyllum sino-coreannm Neuropteris SP.（脈羊齒）等。第四含煤段：厚68103m，平均84.60m，以灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，底部常見中粒砂巖、石英砂巖，含煤24層，總厚5.42m，其中，13-1煤層為穩(wěn)定可采煤層。13-1煤層下發(fā)

17、育花斑狀泥巖，頂板常見植物化石有：Gigantonoclea SP. （單網(wǎng)羊齒）Taeniopteris SP. （帶羊齒）Pecopteris SP. （櫛羊齒）Neurprteris SP. （脈羊齒）Lingula SP. 等。 （舌形貝）第五含煤段：厚76105m，平均91.20m，以灰綠色、青灰色為主要特征，以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主組成，夾有薄層細(xì)中砂巖。含煤24層（1617煤），總厚3.82m，其中16-2、17-1煤層為較穩(wěn)定的次要可采煤層。植物化石有：Gigantonoclea SP(單網(wǎng)羊齒)、Pecopteris SP(櫛羊齒)，在1617煤層附近常見個(gè)體較大的Lin

18、gula SP(舌形貝)。第六含煤段：厚71107m，平均厚93.90m，以灰色、深灰色、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾有淺灰灰白色粉砂巖中砂巖，含煤14層（1821煤），總厚1.81m，均為不穩(wěn)定、不可采煤層。18煤底板常有一層鋁質(zhì)泥巖,1920煤層附近常有薄層燧石層，富含海綿骨針（海綿巖）化石。第七含煤段：厚187219m，平均厚200m，上部以灰色、青灰、綠灰色泥巖為主，夾粉砂粗砂巖，下部以灰白、灰綠色粉粗砂巖為主夾泥巖、砂質(zhì)泥巖，底部多為灰白色中粗粒砂巖，偶見夾一層薄層花斑狀泥巖。含煤47層（2225煤），總厚4.22m，均為不穩(wěn)定、不可采煤層。（4）石千峰組（P2sh）厚度106116

19、m，平均厚109.30m。上部以淺灰、綠灰、紫紅等雜色細(xì)中粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，下部為灰白色細(xì)中粒砂巖（局部粗粒）、夾綠灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，底部多為灰白色細(xì)粗粒砂巖，與下伏地層呈整合接觸。四、中生界三疊系下統(tǒng)（T1）區(qū)內(nèi)揭露厚度132m，其巖性為紫紅色中粗粒砂巖為主組成，間夾紫紅色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。與下伏石千峰組地層呈整合接觸。五、新生界1、上第三系（N）（1）上第三系中新統(tǒng)下段（N 1 1）厚087.10m，平均32.07m，以棕紅色、褐黃色礫石、粘土粒石、細(xì)中砂，夾多層粘土及砂質(zhì)粘土，屬殘坡相沉積。與下伏地層呈不整合接觸。（2）上第三系中新統(tǒng)上段（N 2 1）厚61.8

20、5200.10m，平均169.37m，以灰綠、棕紅色半固結(jié)粘土為主，間夾多層細(xì)砂，局部夾砂層透鏡體。屬湖相沉積為主。（3）上第三系上新統(tǒng)（N2）厚268.50343.50m，以灰綠、土黃色、灰白色中砂、細(xì)砂、粘土質(zhì)砂，砂質(zhì)粘土及粘土為主，局部夾粉砂薄層。屬河湖相沉積。2、第四系（Q）厚79.4593.45m，平均86.63m，以灰黃色、土黃色中砂、細(xì)、粉砂、砂質(zhì)粘土為主，次為粘土間夾粘土質(zhì)砂。屬河流相及河漫灘相沉積。2.2.1.2 含煤地層本井田煤系地層為石炭系和二疊系，其中二疊系的山西組和上、下石盒子組為主要含煤層段。井田內(nèi)主要含煤層段總厚約763.90m，含煤30余層，煤層平均總厚41.1

21、4m，含煤系數(shù)為5.39%。其中可采煤層有10層，分別為17-1、16-1、13-1、11-2、11-1、9、8、5、42和1，平均總厚27.66m，約占煤層平均總厚的67.23%；13-1、11-2、8、5和1等5層為主要可采煤層，平均總厚21.79m，約占可采煤層平均總厚的78.78%。2.2.2 水文條件新生界松散層含水層、二疊紀(jì)煤系砂巖裂隙含水層和石炭系太灰?guī)r溶裂隙含水層是本礦井開采的主要充水因素。本井田開采513-1煤層時(shí)，礦床水文地質(zhì)條件為簡單類型，開采1煤層時(shí)水文地質(zhì)條件復(fù)雜。2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造本井田位于淮南煤田西部陳橋背斜的南翼西段，總體為一不完整向斜構(gòu)造，南翼被F1斷層切割

22、。向斜總體軸向?yàn)楸蔽飨颍蛐蹦弦淼貙悠骄?，一?10°，向斜北翼地層傾角稍陡，一般為1018°左右。全井田鉆探期間共發(fā)現(xiàn)30條斷層，其中26條為正斷層，4條逆斷層。按斷層落差分：最大落差大于等于100m的6條，小于100m而大于等于50m的4條，小于50m大于等于30m的4條，小于30m的斷層16條。斷層的延展方向以北東向?yàn)橹?，少?shù)為北西向和近東西向。井田總體構(gòu)造特征為一不完整的向斜構(gòu)造, 沿地層傾向略有較小起伏，南翼被阜鳳逆沖斷層切割。向斜總體軸向?yàn)楸蔽飨?，向斜南翼地層傾角平緩, 一般為510°，北翼地層傾角稍陡，一般為20°左右。井田內(nèi)共查出落差10

23、m的斷層54條，其中正斷層36條，逆斷層18條，斷層的展布方向以北東向的斜切斷層為主，北西和近南北方向?yàn)檩o，見圖2.1。圖2.1 口孜東井田構(gòu)造綱要示意圖3 口孜東礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量研究 運(yùn)動(dòng)地質(zhì)力學(xué)的方法分析區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，只能定性的分析該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力的方向，不能得到準(zhǔn)確的量值，還不能給工程設(shè)計(jì)帶來可靠的依據(jù)。而要確定一個(gè)地區(qū)地應(yīng)力的量值，最好的方法就是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量。這樣不僅可以給之前的力學(xué)分析提供驗(yàn)證，對(duì)工程建設(shè)也具有更重要的意義。進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)量可以幫助正確認(rèn)識(shí)巖石的力學(xué)性能，從而可以充分利用和發(fā)揮圍巖的自承能力，合理利用巖體應(yīng)力狀態(tài)中有利的方面，克服不利方面，使工程設(shè)計(jì)可以更加

24、安全、經(jīng)濟(jì)和合理。3.1 空心包體地應(yīng)力測(cè)量原理與方法近五十年來，地應(yīng)力測(cè)量得到了大力發(fā)展，測(cè)量方法足有二十多種，測(cè)量儀器上百種。其中，最具有代表性、比較成熟的五種方法由國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）試驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)于1987年通過規(guī)范規(guī)定為巖石應(yīng)力測(cè)定的建議方法。它們是扁平千斤頂法、孔徑變形法、水壓致裂法、孔壁應(yīng)變法和空心包體應(yīng)變法。后兩種方法都可以在鉆孔中一次測(cè)得六個(gè)應(yīng)力分量，屬于三維應(yīng)力測(cè)量方法。3.1.1 空心包體應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)本次地應(yīng)力測(cè)量是空心包體類三維應(yīng)力測(cè)量。該方法使用的應(yīng)變計(jì)最早于1976年由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院（CSIRO）首先研制，簡記為（CSIRO）型空心包體。本次測(cè)試

25、采用了中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制的KX-81型空心包體三軸地應(yīng)力計(jì)，如圖4.1所示?？招陌w應(yīng)變計(jì)的主體是一個(gè)用環(huán)氧樹脂制成的壁厚3mm的空心圓筒，其外徑為36mm，內(nèi)徑為30mm。在其中間部位，即直徑35mm處沿同一圓周等間距（120o）嵌埋著三組電阻應(yīng)變花。每組應(yīng)變花由四支應(yīng)變片組成，相互間隔45 o。制作時(shí)，該空心圓筒是分兩步澆注出來的。第一步，澆注直徑為35mm的空心圓筒，在規(guī)定位置貼好電阻應(yīng)變花后，再澆注外面一層，使其外徑達(dá)到36mm。在應(yīng)力計(jì)的頂部有一個(gè)補(bǔ)償應(yīng)變片，以消除溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖3.1空心包體應(yīng)變計(jì)空心包體應(yīng)變計(jì)使用時(shí)，首先將其內(nèi)部注滿膠結(jié)劑，并將一個(gè)帶有

26、錐頭的柱塞用鋁銷釘固定在其口部以防膠結(jié)劑流出。使用定位器將應(yīng)變計(jì)推入安裝小孔中，當(dāng)錐形頭碰到小孔底后，用力推應(yīng)變計(jì)，剪斷固定銷，柱塞便慢慢進(jìn)入內(nèi)腔，將膠結(jié)劑壓出，使之沿柱塞中心孔和圓筒端部的小孔流入應(yīng)變計(jì)和孔壁之間的環(huán)狀槽內(nèi)?？招陌w應(yīng)變計(jì)兩端的橡膠密封圈阻止膠結(jié)劑從該環(huán)狀槽中流出。當(dāng)柱塞完全被推入內(nèi)腔后膠結(jié)劑全部流入環(huán)狀槽內(nèi)，并將環(huán)狀槽充滿。待膠結(jié)劑固化后，應(yīng)變計(jì)即和孔壁牢固地膠結(jié)在一起，該空心包體應(yīng)力計(jì)通過單孔就可以比較準(zhǔn)確地測(cè)定一點(diǎn)的三維原巖應(yīng)力狀態(tài)。這種以環(huán)氧樹脂為基質(zhì)的空心包體應(yīng)變計(jì)的突出優(yōu)點(diǎn)是安裝簡便迅速，且成功率和可靠性高。應(yīng)變計(jì)和孔壁在相當(dāng)大的一個(gè)面積上膠結(jié)在一起，因此膠結(jié)質(zhì)量

27、好，而且膠結(jié)劑還可以注入應(yīng)變計(jì)周圍巖體中的裂隙、缺陷，使巖石整體化，且有較好的防水性能。因此，空心包體應(yīng)變計(jì)已成為世界上最廣泛采用的一種地應(yīng)力解除測(cè)量儀器。3.1.2空心包體應(yīng)力計(jì)地應(yīng)力測(cè)量原理與方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量原始地應(yīng)力，就是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定巖體的三維應(yīng)力狀態(tài)。巖體中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)系中的六個(gè)分量來表示，如圖4.2所示。一般情況下，地應(yīng)力的六個(gè)應(yīng)力分量是非零的，處于相對(duì)靜止的平衡狀態(tài)，無法直接得知。因此，任何一種實(shí)測(cè)方法都是通過擾動(dòng)（通常的方法是打鉆孔），打破原有狀態(tài)，在從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)的過程中，通過對(duì)應(yīng)力效應(yīng)的間接測(cè)量來實(shí)現(xiàn)。圖3.2 一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（六個(gè)應(yīng)力分量）力或應(yīng)

28、力最直觀的物理效應(yīng)是產(chǎn)生應(yīng)變和位移。可以通過應(yīng)變和位移傳感器將巖體應(yīng)變和位移的變化記錄下來，取得測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)巖石的本構(gòu)關(guān)系即應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算模型，由觀測(cè)到的應(yīng)變或位移，就能計(jì)算出地應(yīng)力的六個(gè)分量或者三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向。由此可見，現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量過程，本質(zhì)上是應(yīng)變或位移的測(cè)量過程。只要具備精巧、完備和先進(jìn)的測(cè)量儀器和測(cè)試技術(shù)，就可保障應(yīng)變和位移的精確獲得，這是第一步。而地應(yīng)力結(jié)果的準(zhǔn)確獲得不僅要靠實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)的可靠，還有賴于力學(xué)模型，以及由此推演的地應(yīng)力分量的解算公式是否正確。因?yàn)榈貞?yīng)力值最終要根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變值，通過巖石的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算求得。應(yīng)力解除技術(shù)，是改變巖體應(yīng)力狀態(tài)，使

29、巖體產(chǎn)生應(yīng)變響應(yīng)的簡捷方法。所謂鉆孔應(yīng)力解除技術(shù)，就是將一段巖石通過取芯（套芯技術(shù)）從周圍巖體施加給它的應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)隔離開來的方法，空心包體應(yīng)變法應(yīng)力解除鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。1300.2m8m36圖3.3 地應(yīng)力測(cè)量鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖空心包體環(huán)氧樹脂三軸應(yīng)變法的應(yīng)力解除過程如下（如圖3.4）：打大孔：在井下巷道或峒室內(nèi)，用鉆機(jī)向圍巖鉆進(jìn)應(yīng)力解除孔，鉆孔深度以巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的范圍為準(zhǔn)，終孔點(diǎn)應(yīng)不受巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響（一般大于巷道跨度的35倍）。鉆頭直徑取130mm，鉆孔上傾3°5°，便于滲水流出并易于清洗鉆孔。磨平鉆孔孔底。換錐形鉆頭做錐形孔底：以保證后面的小孔與大孔同軸心。打

30、小孔：換上36mm的小鉆頭，打20cm深的一段小鉆孔。小孔打好后，用細(xì)鐵絲將干毛巾綁在特制的擦孔器上，第一次用酒精浸濕毛巾，反復(fù)擦洗小孔油污。再換上干毛巾，反復(fù)擦小孔。這樣能夠保證粘結(jié)劑將包體與小孔壁粘牢?？招陌w安裝：用砂紙將空心包體外側(cè)圓柱面打毛；按比例配制好粘結(jié)劑（A，B兩種液態(tài)材料按1:3），在空心包體的空腔內(nèi)倒入適量的粘結(jié)劑，固定好銷釘，將包體安裝在定向器上。慢慢地將其送入大孔中，不斷地接長推桿，并記下長度，在送入總長度為11m左右時(shí)要特別注意慢推，以保證包體能夠完好地進(jìn)到小孔中。前端近入小孔20cm 左右，應(yīng)注意包體筒體部分緩慢推入。再向前推進(jìn)時(shí)應(yīng)注意固定銷的剪斷，固定銷剪斷后向前

31、推進(jìn)8cm（活塞工作長度），包體成功地安裝于小孔中。圖3.4 空心包體應(yīng)變法應(yīng)力解除過程示意圖讀取應(yīng)變儀初始數(shù)據(jù)：一般在安裝包體20小時(shí)左右，環(huán)氧樹脂固化。將推桿和定向器小心地從鉆孔中拔出，記下定向器所顯示的應(yīng)力計(jì)的偏角，并用羅盤測(cè)量出鉆孔的方位和傾角。用10#鐵絲將包體的電纜線從130mm的鉆頭和巖芯套筒、鉆桿穿出，將鉆頭、巖芯套筒和鉆桿送入孔中，并記錄推進(jìn)的深度，以便檢驗(yàn)鉆頭是否到達(dá)孔底。接通應(yīng)變儀，每隔10分讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)相差不超過5時(shí)，即認(rèn)為穩(wěn)定，并將此讀數(shù)作為初始值。 套芯地應(yīng)力解除與應(yīng)變測(cè)試：按預(yù)定分級(jí)深度鉆進(jìn)，進(jìn)行套芯解除，每級(jí)深度為3cm。每解除一級(jí)深度，停鉆

32、讀數(shù)，連續(xù)讀取兩次。套芯解除至一定深度后，應(yīng)變計(jì)讀數(shù)趨于穩(wěn)定。每隔10min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)之差不超過5，可認(rèn)為讀數(shù)穩(wěn)定，不再解除。將包含包體的巖芯折斷并取出，并對(duì)巖芯的巖性進(jìn)行描述。每個(gè)測(cè)孔第一測(cè)點(diǎn)完成后，在孔底重新錐形孔底，再打小孔，重復(fù)以上步驟，進(jìn)行第二測(cè)點(diǎn)的測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，所用應(yīng)變儀為北京泰瑞金星儀器有限公司研制的KBJ型智能數(shù)字應(yīng)變儀，該應(yīng)變儀是14通道空心包體應(yīng)變計(jì)專用儀器，測(cè)試精度達(dá)到0.1%，是目前國內(nèi)應(yīng)變檢測(cè)儀器中精度較高的產(chǎn)品。安裝空心包體探頭的定位器、測(cè)試巖芯彈模和泊松比的率定器均為中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制，如圖3.5和圖3.6。圖3.5 安裝空心包體探頭

33、的定位器圖3.7 KJ327-F型礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的準(zhǔn)備工程量一般并不大，需要一個(gè)能容納鉆機(jī)以及便于操作和觀測(cè)的普通峒室即可。所需設(shè)備也比較簡單，一臺(tái)普通的地質(zhì)鉆機(jī)加上必需的專用鉆具，如錐形鉆頭、變徑接頭、取芯管等。但是，地應(yīng)力測(cè)量又是一項(xiàng)要求十分精細(xì)的工作，任何的失誤都可能導(dǎo)致觀測(cè)的失敗。除需要精確的傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外，對(duì)鉆孔的平直度、孔徑偏差、大小孔的同心度都有很高的要求，對(duì)井下各個(gè)環(huán)節(jié)的操作要求甚高，如鉆機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、鉆進(jìn)速度等，最主要的還是對(duì)測(cè)試地點(diǎn)的選擇確定。3.1.3 地應(yīng)力分量與方向的計(jì)算設(shè)地下某一點(diǎn)的應(yīng)力為，主應(yīng)力大小為，與大地坐標(biāo)系XYZ關(guān)系用9個(gè)方向

34、余弦或9個(gè)夾角值可以完全確定。但在實(shí)測(cè)中，鉆孔與巖層、與大地坐標(biāo)總會(huì)呈某一角度（仰角或俯角）。設(shè)xyz為鉆孔坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下的地應(yīng)力是實(shí)測(cè)地應(yīng)力。由此，只要有了兩套坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系和實(shí)測(cè)地應(yīng)力的的全部分量，通過坐標(biāo)變換就可得到XYZ坐標(biāo)下的應(yīng)力分量，并由此求得主應(yīng)力的大小和方向。由空心包體應(yīng)變計(jì)所測(cè)量應(yīng)力解除過程中應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力的公式為： (1) (2) (3)式中：分別是空心包體應(yīng)變計(jì)所測(cè)周向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變值。 K系數(shù)計(jì)算公式 (4) (5) (6) (7)式中： (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16)式中：為空心包體內(nèi)半徑；為

35、安裝小孔半徑；分別為空心包體材料環(huán)氧樹脂和巖石的剪切模量；分別為空心包體材料環(huán)氧樹脂和巖石的泊松比；為電阻應(yīng)變片在空心包體中的徑向距離。以上公式均已由中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所編制成計(jì)算機(jī)軟件。3.2地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量3.2.1 測(cè)點(diǎn)的選擇地應(yīng)力測(cè)量是一項(xiàng)必須十分認(rèn)真細(xì)致的工作，任何工作環(huán)節(jié)的失誤都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來誤差。地應(yīng)力測(cè)量包含多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)：一是需要精確可靠的傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；二是要科學(xué)合理地選擇地應(yīng)力測(cè)量地點(diǎn)；三是對(duì)鉆孔平直度、孔徑偏差、大小孔同心度和鉆機(jī)操作等有很高的要求。地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)必須滿足以下三個(gè)方面的要求：（1）測(cè)試地點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)能反映該區(qū)域的一般情況，所選地點(diǎn)應(yīng)具有代表性；（2）根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試方法的要求，應(yīng)盡可能地在較完整、均質(zhì)、層厚合適的煤層頂?shù)装宸€(wěn)定巖層中進(jìn)行；（3）應(yīng)避免地應(yīng)力觀測(cè)期間與巷道施工或其他生產(chǎn)工序的相互影響。根據(jù)以上原則，結(jié)合口孜東礦的地質(zhì)開采條件，確定了地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的位置、鉆孔參數(shù)見圖3.8、圖3.9、圖3.10以及表3.1所示。表3.1 口孜東礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)技