基于应变解除法测量井下地应力的研究分析

基于应变解除法测量井下地应力的研究分析杨浩魏(河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454003)摘要:了解地应力的大小和分布是进行矿井设计和施工的先决条件，由于应变解除法可靠性和精度较高，目前它是国内外应用最广泛的方法之一。但是，由于其操作复杂，工序要求高，因此使用过程中还存在诸多问题。关键词:应变解除法；地应力；问题Basedonthestrainreleasemethodmeasuringundergroundin-situstressanalysisYANGHao-wei(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454003，China)Abstract:Toknowthesizeanddistributionofgroundstressisapreconditionforminedesignandconstruction.Becauseofthestrainreleasemethodreliabilityandhighprecision,itiscurrentlyoneofthemostwidelyusedmethodathomeandabroad.However,duetothecomplexityofitsoperationandhighrequirementsoftheprocess,sointheprocessofuse,italsohasmanyproblems.Keywords：Strainreleasemethod;In-situstress;Problems1引言地应力是引起矿井巷道、采掘工作面变形和破坏的根本作用力[1],同时地应力的大小与方向对采空区垮落时间和垮落范围也会造成影响，对采矿工程的设计和施工以及矿山的安全生产特别是对岩爆、岩溶涌突水的预测与防治具有重要意义[2]。根据所用传感器的原理和结构，地应力的测量方法有很多种，但目前主要方法有4种：孔径变形法，水压致裂法，补偿法和应变解除法[3−6]。其中应变解除法操作最复杂，成本最高，但其可靠性和精度也最高。因此，它是目前国内外应用最广泛的方法之一，在此，本文就应变解除法的测量原理和在实测过程中对测量结果造成的不稳定因素做以研究分析。2应变解除法测量地应力2.1测量原理应变解除法又叫应力解除法，应力解除的目的是获得测点岩芯在解除应力作用后恢复的应变.以此为基础,进一步研究该点的应力变化。它基于弹性力学理论，先通过测量粘贴在岩体小孔壁1作者简介:杨浩魏(1985—),男,河南商丘人,在读研究生,主要从事矿井通风和矿井热害方面的研究工作﹒E-Mail:[e-mail]图1探头上应变花的分布Fig.1Strainrosettesandtheirpositiononsensor上的12个应变片中的弹性恢复应变，计算测点的6个原岩应力分量，再由这6个应力分量计算原岩中的主应力[7]。LUT岩石三轴应变地应力测量仪的探头装有3个应变片活塞，每个活塞表面粘贴4个应变片，组成1个应变花(见图1)，故1次测量能测出12个应变。图1中，z轴方向符合右手螺旋法则。3个应变花沿z轴呈270°,30°和150°分布(α角)，见图1(a)。每个活塞上的4个应变花与z轴夹角(β)分别为90°，45°，0°和135°，见图1(b)。在这种布置方式下，利用孔壁应变与岩体应力的关系，得出10个独立的方程，求出10个孔壁应变值，利用10个孔壁应变值求解6个应力分量，产生了多余的方程，故可以用最小二乘的多元回归分析求解岩体应力分量的最优值。其中，弹性模量E和μ，可利用LUT仪器中的双轴试验装置现场测取[2]。2.2实测过程先用大直径钻头将大孔打到所需深度L，L＞3.5R(其中，R为测点处巷道半径)，退出钻杆并换接孔底磨平钻头，将大孔底磨平，再次退出钻杆，换接小直径为的小孔钻头，小孔打至长约400mm处，取出小岩芯，检查其完整程度，若较完整，则可根据小岩芯确定应变片活塞的粘贴位置，否则继续向深部打孔。造孔完成后，在活塞表面涂上粘结剂，用安装工具将装有应变花活塞的探头迅速送到小孔预定位置，待仪器显示应变花活塞转到正确方位时，迅速开启压缩空气，将应变花活塞从探头中吹出并粘贴在小孔壁上，保持空气压力40min，待仪器显示粘结剂已固化，应变花牢固粘结在小孔壁上后，将仪器应变调零后拔出电缆，将小孔口用专用塞子封住以免解套时进水。然后，用解套钻头将装有探头的岩芯解套，取出岩芯管后，测量探头中应变片的弹性恢复应变。由于探头上的3个应变花活塞共有12个应变片，故岩芯管共可测得12个应变，按前面所述原理计算该点的原岩应力。需注意的是：a.钻孔时，大小孔必须同心；b.小孔尺寸应略大于探头外径(37.5～38.2mm)[2]。3应变解除法的影响因素及纠偏措施应变解除法测量地应力，操作工艺精细要求高，包含多个技术环节:①精确可靠的传感器及数据采集系统；②科学合理地选择地应力测点；③对钻孔的平直度、孔径偏差、大小孔同心度和钻机操作等要严格控制；④粘结剂的选择，应变片的粘贴，钻孔卸压的影响等等。在实测过程中存在许多影响测量精度的不利因素，为了减小这些不利因素对测量结果造成的误差，因此，需在测试过程中采取以下几个措施:（1）对应力测量而言,根据我们的经验,当测试仪表的性能指标确定后,其测值主要受下列因素的干扰与影响:①测点温度；②测试系统的接触电阻；③测试仪表自身的零漂；④应变片元件在长期测量中的蠕变[9]，因此，测点的温度应在传感器的工作温度范围内，接触电阻应稳定牢靠，测试仪表的零点漂移应尽量小，尽可能选用性能好，蠕变小的应变片。(2)地应力测点的选择，一般必须满足以下3个方面的要求:①所选地点应具有代表性；②要避开断裂构造的影响，避免采煤和掘进等施工的影响；③应尽可能在较完整、均质、层厚合适的岩层中进行[10]。(3)在实测过程中需将应变片粘贴在小孔壁上，由于粘结剂与应变片材料的弹性模量和泊松比不同，从而影响应变片的弹性应变量。为了避免粘结剂给测量结果带来的不利影响，应用弹性模量和泊松比与应变片相同或相近的粘结剂，同时应变片要平整牢固的粘贴在孔底和孔壁上，应变片与岩石之间不允许有气泡。粘贴剂要适量，粘贴过厚，会导致岩石形变无法传递到应变片上。(4)应变片粘贴剂的硬化时间要大于15h。粘贴好的应变片要用万用表测量其有无断路、短路现象。若无异常，将贴好应变片的工件在室温中自然放置15～24h后进行实验。硬化时间过短将导致测量的应变结果偏小[8]。（5）当小钻孔打入测点围岩深部便形成一个弱化带或弱化区，从而为围岩膨胀变形提供了空间，造成部分应力释放，应变片弹性应变量变小，进而造成测量的地应力偏小。为了减小由于钻孔卸压给应变片变形量造成的影响，应对应变片的应变量进行矫正。根据大量实验和经验，应变片的变形量应乘以k(k＞1)，具体数值应根据岩石的性质和孔径的尺寸选取。（6）应变片和粘结剂会由于孔内温度的变化而出现热胀冷缩的现象，会由于孔内外湿度的不同而出现膨胀或收缩，这些变化并非岩石的弹性变形造成的，所以应根据孔内外温度和湿度的不同进行矫正。（7）使用电测法测弹性模量时，应变片粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大。提高粘贴质量的主要方法有以下几点:①保证粘贴部位表面光滑洁净。用砂纸打磨并用棉签蘸取丙酮或无水乙醇将工件表面清洗干净。②应变片的接线端子尽量远离应变片，防止端子的粘贴影响应变片粘贴区域工件的表面性能。③焊接导线时要快且准，以免产生氧化物而影响焊点质量。不要使烙铁在工件表面过多停留，防止高温影响工件性能。以上措施可有效减小应变测量误差，增加弹性模量测量结果的可靠性［8］。参考文献[1]汪亦显,曹平,杨慧,等.高陡山区深部铜室地应力测量方法与结果分析[J].防灾减灾工程学报,2008,28(4),513～518.[2]陈枫,饶秋华,徐纪成,等.应变解除法原理及其在大红山铁矿地应力测量中的应用[J].中南大学学报(自然科学版),2007,38(3),545～550.[3]李化敏,周英,苏承东,等.砚北煤矿地应力测量及其特征分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(23),3938～3942.[4]葛修润,侯明勋.一种测定深部岩体地应力的新方法——钻孔局部壁面应力全解除法[J].岩石力学与工程学报,2004,23(23),3923～3927.[5]刘国磊,田昭军,李恭建,等.北皂煤矿海域扩采区地应力测量与分析[J].煤炭科学技术,2011,39(9),26～29.[6]王佳硕,窦林名,杨增强,等.空心包体技术在艾维尔沟煤矿地应力测定中的应[J].中国煤炭,2013,39(9),41～128.[7]姜云,王兰生.深埋长大公路隧道高地应力岩爆和岩溶突水问题及对策[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9):1319～1323.[8]段然,肖立峰.材料拉伸试验中影响应变片测量精度的因素分[J].机械设计,2013,30(12):76～80.[9]周存忠,曹毓娟.电阻式地应力观测系统中干扰因素的识别与排除[J].地震学刊,1984（1）:45～50.[10]马小钧,张长福,黎灵,等.大屯孔庄煤矿深部地应力测量研究［J］.煤炭工程,2010(1):66～68.