地应力与地应力测量方法简介

3.1地应力与地应力测量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。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前提。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起严重的事故，造成人员伤亡和财产的重大损失。岩体地应力测量，主要是指对处于地下原始状态的岩（矿）中的某点的应力或应变的测量。近半个世纪以来，特别是近30年来，随着地应力测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪器也不断发展起来。就世界范围而言，目前主要测量方法有数十种之多，而对测量方法的分类并没有统一的标准。目前各国采用和正在研究的测定地应力的方法主要有：应力解除法，水压致裂法，钻孔锯法，非弹性应变恢复法等。利用从钻孔中采取的岩芯实验室测量方法有：凯塞尔效应法，变形率分析，微分应变曲线分析等。近年来发展有超声波检测原岩应力的方法等。根据测量手段的不同，将地应力测量方法分为五大类，即：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。根据测量原理的不同，可分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法共八类。而国内外多数依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为间接测量和直接测量法两大类。间接测量法是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式，计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其它应力或应变解除方法以及地球物理方法等是间接法中较常用的。其中,套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法在目前的应用最为广泛，声发射法次之。早期的原位地应力测量一般是在岩体的表面进行，分为表面应力恢复法和表面应力解除法两种。扁千斤顶法是表面应力恢复法的代表，而中心钻孔法和平行钻孔法则为表面应力解除法的代表。岩体表面应力测量一般都在开挖表面进行，只能测量岩体表面的一维或二维应力状态。而这种应力状态也受到开挖扰动影响，并非原岩应力。而且，岩体表面因开挖会受到程度不同的破坏，使它们与未受扰动的岩体的物理力学性质大不相同。同时隧道开挖对原始应力场的扰动也是十分复杂的，不可能进行精确的分析和计算。所以这类方法不能准确确定测点的原岩应力状态。为了克服这类方法的缺点，另一类方法是从隧道表面向岩体中打小孔，直至原岩应力区，地应力测量是在小孔中进行的。由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的，这就保证了测量是在原岩应力区中进行。这类方法称为“钻孔测量法”，目前普遍采用的应力解除法和水压致裂法均属此类方法，其特点见表3-1。表3-1钻孔测量法分类表测量方法特点使用范围缺点水压致裂法设备简单、操作方便、测值代表性大、适应性强、深度大。测量应力空间范围较大，无可利用的巷道、硐室时，更能显示其优越性。测得的主应力方向定位不准，测得结果的精度不很高；成本较高。应力解除法测的精度较高。适用于矿山中的现有巷道和硐室。测量地点较为局限；运用上存在技术困难。应力恢复法理论基础严密。仅适用于岩体表层。不能测量岩体中的主应力方向，劳动量大。声发射法劳动量小，保持研究地块完整性，在同一测点和测区可进行多次测量。用于高强度脆性岩石。使用范围比较局限，对于较软弱疏松的岩体，则不适用，精度较低。钻孔应力解除技术已基本成熟，国内的学者、专家们对之进行了深入的研究。总的来说，地应力的测量是一项综合性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地保证精度，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。辽宁工程技术大学多年来致力于地应力方面的测试与研究，使用空芯包体应力解除法在诸多矿区进行了地应力测量工作，测量效果良好。受韩城矿业公司委托，辽宁工程技术大学与中国矿业大学合作，对韩城矿业公司所属的象山矿进行现场地应力测试。现场地应力测量采用空芯包体应力解除法进行，应变计使用中国地质科学院地质力学研究所研制的kx81-1型空芯包体应力计，应用kx81-1型空芯包体计算程序进行地应力计算，最后给出各矿地应力的主要参量，并根据计算结果对该矿地应力特征进行简要分析。3.1.1空芯包体地应力测量方法及测量仪器3.1.1.1应力解除法1)应力解除法的种类（1）、钻孔位移法该法又称为钻孔变形法。它是通过测量解除槽开出前后钻孔孔径的变化来测量地应力的。使用的传感器称为钻孔变形计。（2）、钻孔应变法该法又分为孔底应变法和孔壁应变法。孔底应变法是通过测量解除前后钻孔底面的应变变化来测量应力的；孔壁应变法则是通过测量解除前后钻孔孔壁表面的应变变化来测量地应力的。（3）、钻孔应力法该法是将刚性的钻孔变形计置于钻孔内，利用测量解除前、后变形计上的压力变化来测量地应力。变形计上的压力变化与钻孔孔径变化有关。通过力学分析，可以建立变形计的压力与地应力的解析表达式。这种刚性变形计称为钻孔应力计。2)应力解除法常用的测试仪器地应力的测试仪器很多，这里只介绍几种常用的仪器。（1）、KX-81型空芯包体式三轴地应力计KX-81型空芯包体式三轴地应力计是由地质力学研究所制造的。这种应力计是澳大利亚CSIRO应力计的一种改进型，目前这种测试仪器在我国得到广泛的应用。图3-1KX-81型空心包体三轴地应力计结构示意图1－安装杆；2－定向器导线；3－定向器；4－读数电缆；5－定向销；6－密封圈；7－环氧树脂筒；8－空腔（内装粘胶剂）；9－固定销；10－应力计与孔壁之间的空隙；11－柱塞；12－岩石钻孔；13－出胶孔；14－密封圈；15－导向头；16－应变花（2）、YG-73型和YG-81型压磁地应力计YG-73型和YG-81型压磁地应力计是由地质力学研究所和地壳应力研究所研制的，是对瑞典哈斯特应力计的一个改进。这种测试仪在我国得到广泛的应用。图3-2YG-73型压磁地应力计图3-3YG-81型压磁地应力计（3）、USBM钻孔变形计该变形计是由美国矿物局研制的，是国际岩石力学学会实验方法委员会建议采用的一种变形计。该变形计可安装在孔径为38mm的钻孔中，可测三个方向的直径变化，灵敏度为钻孔直径的十万分之一。该应力计在套芯过程中可牢固地固定在测量孔中，不会产生滑动。它具有良好的防水性能，并能与讯号电缆分离。通过贴有应变计的触头与孔壁相接触，量测钻孔直径的变化。USBM钻孔变形计使用电阻应变仪进行读数，使用双向模量率定台测量岩芯的弹模。（4）、36-2型钢环式钻孔变形计该变形计是由中国科学院武汉岩土力学研究所研制的。变形计中有4个钢环，每个钢环上贴有应变片，可量测互成45°的四个直径方向的直径变化。该应变计可安装在36mm直径的岩石钻孔中。该方法需要测量岩石的弹性模量和泊松比。（5）、CSIR三向应变计CSIR三向应变计与KX-81型空芯包体三轴地应力计的原理相同，也是用来进行孔壁应变测量的。它可在单孔中通过一次套芯解除获得三维地应力状态，所不同的只是应力计的结构不一样。（6）、SDX定向仪SDX水平定向仪是用来确定水平或倾斜钻孔中地应力计应变片的方向的。显示器由三位半袖珍式数字万用表改装而成，它的作用是供给转换器一个恒压电源和显示测量读数。转换器由圆形的高精度线性快速电位器、重锤、外壳、安装卡头组成。电位器固定在外壳上，重锤固定在电位器旋转轴上，使重锤与滑动臂相对固定不变，由于重力作用，重锤永远指向重力方向，所以滑动臂的指向也固定不变。当电位器电阻膜片随着外壳旋转时，滑动臂与电阻膜片上的参考点之间的夹角将发生变化。测出电压的变化即可求算出探头的安装角度。图3-4部分测量仪器（7）、静态电阻应变仪目前空芯包体地应力测量中使用的YJK4500静态电阻应变仪是由煤炭科学研究总院北京开采所生产的。特点是稳定性好、灵敏系数调节范围宽、电阻平衡范围宽、量程宽、分辨率高、精度高。仪器按安全型电路设计，密封便携，可应用于野外及煤矿井下，是现场进行钻孔应力解除中可靠的测量工具。（8）、传感器围压率定机传感器围压率定机的作用一是将仪器的读数换算成折算位移；二是求算岩石的弹性模量和泊松比。为了把仪器的读数换算成折算位移，以便进行主应力的计算，必须对元件进行率定，做出率定曲线。率定机主要由围压器和油泵组成，原理结构如图3-5。图3-5围压率定机结构图现场测量时，取出带有空芯包体探头的岩芯，将套芯之后所取出的带有元件的岩芯放入元件率定机中，用油泵将油打入围压器中，给岩芯施加均匀围压到预定值，然后退压，同时进行仪器读数，就可以根据下列公式画出率定曲线。将套取的岩芯连同应力计一同放入围压率定机中并加压，测出不同压力下各应变片的读数，用下式计算弹性模量E和泊松比μ：E=20)(12DdPtμ=tx式中：P0—围压值，Mpa；d—岩芯小孔内径；D—岩芯外径；x—轴向应变；t—周向应变；这种率定是在现场进行的，在应力解除之后，将带有元件的岩芯立即放入率定机中进行率定。因而岩芯中的水份散失很小，可以认为岩芯的力学性质变化不大。在计算主应力时，需要岩石弹性模量E和泊松比μ这两个参数，现场地应力测量时是通过围压率定机来测量的。同时围压率定机还要检测应力计可靠性。如果时间允许，也可将取得的岩芯拿到实验室用试验机进行试验，这样结果会更可靠。