空心包体原岩应力测量方法及其工程应用

高 峰

原岩应力是指岩体处于天然产状条件下所具有的内应力，亦称岩体初始应力。这种天然内生应力主要是由于在漫长的地质历史时期中，地壳构造运动而产生的水平应力造成，还有上覆岩层的自重造成的内应力及其他应力。原岩应力是地壳地层力学状态最基础的原始数据，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定分析、岩土工程设计和决策所必需的原始资料。要准确了解某一地区的原岩应力状态必须进行原岩应力测量。近半个世纪以来，全世界范围内发展起来的原岩应力测量方法有几十种，但目前应用最广泛的还是应力解除法[1，2]。

1 空心包体原岩应力测量方法

1.1 空心包体应变计

空心包体应变计主体为用环氧树脂制成的空心圆筒(壁厚3 mm)，外径为36 mm，内径为 30 mm。在其中间层，即直径35 mm处沿同一圆周等距离(120°)嵌埋着3组电阻应变花。每组应变花由 4支应变片组成，互相间隔45°(见图1)。制作时，空心圆筒分两步浇筑。首先浇筑一个直径为35 mm的空心圆筒，在规定的位置贴好电阻应变花后，再浇筑外面一层，使其直径达到36 mm。应变计顶部设有一补偿应变片，以消除温度变化对测量结果的影响[3-5]。

使用时将内部注满胶结剂，并将一个带有锥头的柱塞用铝销钉固定在其口部以防胶结剂流出。使用定位器将应变计推入安装小孔中，当锥形头碰到小孔底后，用力推应变计，剪断固定销，柱塞便慢慢进入内腔，将胶结剂压出，使之流入并充满应变计和孔壁之间的环形槽内。待胶结剂固化后，应变计与孔壁牢固地胶结在一起，通过单孔就可以比较准确地测定一点的三维原岩应力状态。

以环氧树脂为基质的空心包体应变计的突出优点是安装简便迅速，成功率和可靠性高。

1.2 空心包体应力测量方法

应力解除技术是实现原岩应力扰动、开展实测最通用的方法。所谓钻孔应力解除技术，就是将一个试块通过取芯(套芯技术)从周围岩体施加给它的应力场内隔离开来的方法。实际采用的空心包体类环氧树脂三轴应变法的应力解除过程简述见图2。

1)打大孔:在巷道或峒室内，用钻机向围岩钻进应力解除孔，孔深以巷道围岩应力场的范围为准，终孔点要不受巷道围岩应力场的影响(一般为巷道跨度的 4倍～5倍)。钻孔上倾3°～5°，便于水流出并易于清洗钻孔。2)做锥形孔底:换锥形钻头做锥形孔底，以保证后面的小孔与大孔同心。3)打小孔:装上φ 36 mm特制的小钻头，将小钻头顶到孔底，在钻杆的孔口处标记，然后向内打20 cm。4)清洁小孔、包体安装:小孔打好后，必须先吹净孔内岩粉、反复擦拭小孔，保证粘结剂将包体与小孔岩壁粘结牢固。接长推杆将包体送入大孔中，记录长度，保证包体成功安装于小孔中。5)应力解除:包体安装24 h后，环氧树脂固化，将推杆和定向器拔出，记下应变计的偏角，并用罗盘测量出钻孔的方位和倾角。接通应变仪每10 min读数一次，读数稳定时的数值为初始值。按25 mm分级深度套芯解除至一定深度后，将包含包体的岩芯折断并取出，应变计读数趋于稳定，不再解除。

1.3 数据处理

为了取得准确数值，通常在单孔中进行多次测量，运用统计方法分析测试结果，以减少测量误差和人为误差。根据现场取得资料，可利用地科院地质力学所开发的基于最小二乘法的KBJ-12型锚杆测力仪数据处理软件进行计算，求得了最大、中间、最小应力的大小、方向和方位角。

2 工程实践

2.1 地质概况

井田为二叠系下统山西组(P1s)，从K3砂岩底至K4砂岩底，岩性为灰白色砂岩，灰色～灰黑色砂质泥岩、泥岩及煤层。厚度41 m～87 m，平均62 m，含植物化石。5号煤层赋存于山西组的下部，煤层厚度1.0 m～3.3 m，平均2.2 m，煤层倾角 4°～ 6°，属近水平煤层，含3层夹矸。顶板岩性为灰黑色泥岩，局部为细砂岩，比较稳定。底板岩性为灰黑色砂质泥岩，局部为粉砂岩。

2.2 测试地点选择

1)测点原岩应力状态应能反映该区域的一般情况，所选地点应具有代表性，针对煤矿实际情况，选点的重点区域应集中在主产采区，一个采区至少布置一个测点。2)受原岩应力测试方法的限制，测点应尽可能地在较完整、均质、层厚合适的煤层顶板的稳定岩层中进行。3)应避免原岩应力测点的应力状态受到采煤、掘进等附加应力场的影响，尽量远离采煤工作面、采空区、掘进头和交叉点等应力集中区域，特别要远离断层，避开岩石破碎带、断裂发育带。4)根据岩石力学分析，地应力测孔深度至少为巷道宽度的3倍～5倍，使应变传感器位于影响范围以外;在实际测量中，根据岩石的强度、变形条件不同，设置不同深度的钻孔，在地应力不发生变化的范围测得地应力。根据矿区生产实际情况和科研需要将测点定于5-201巷。

2.3 原岩应力测试技术参数与测试数据

1号测点原岩应力实测选用的技术参数如表1所示。

表1 原岩应力测试技术参数表

将实测数据导入专用处理软件，得到的应变—钻进解除距离曲线如图3所示。

由图3原岩应力测量应变—解除距离曲线可以看出，套芯法应力解除曲线总体变化趋势明显，大体可分为3个阶段:

1)应变平缓区。应力解除初始阶段，解除位置距离应变片位置较远，应变片受影响程度较小，表现为实测应力解除曲线较为平缓。2)应变剧变区。随着应力解除深度增加至12 mm～21 mm，即解除深度逐步逼近应变片时，应变数值急剧变化;一般在应力解除达到应变片上方附近位置时，应变量达到最大。3)应变稳定区。应力解除深度超过21 mm后，应变计测量值受应力解除的影响程度变小，应变值逐渐趋于稳定，表现为应力解除曲线趋向水平。可以看出，测点应力解除曲线总体质量良好，未发现感测性能明显异常的应变片，说明应力解除过程较为成功，从而保证了原岩应力计算结果的准确性。

3 结语

传统的岩石工程开挖设计和施工一般是根据经验进行的。在开挖活动的规模和深度较小的情况下，经验类比方法是有效的。但是随着开挖规模的不断扩大和逐步向深部发展，特别是大型矿山、水电站、大坝、大断面地下隧道、地下洞室以及高陡边坡等出现后，经验类比方法就逐渐失去了作用，单纯依据经验开挖施工，就不足以保障地下工程的稳定性。在现场调查研究的基础上，合理选择原岩应力测点，采用空心包体法得到应力实测资料，结合数值模拟及现场实时动态监测，从而达到岩土工程合理设计，提高工程整体的稳定性。

[1] 蔡美峰.原岩应力测量技术和原理[M].北京:科学出版社，2000.

[2] 王连捷，潘立宙.原岩应力测量及其在工程中的应用[M].北京:地质出版社，1991.

[3] 乔 兰，蔡美峰.应力解除法在某金矿原岩应力测量中的新进展[J].岩石力学与工程学报，1995，14(1):25-32.

[4] 李梅梅，关英斌，金瞰昆.利用应力解除法测量显德旺煤矿原岩应力[J].河北建筑科学学院学报，2003，19(1):67-70.

[5] 张延新，蔡美峰，王克忠.平顶山一矿地应力分布特征[J].岩石力学与工程学报，2004，23(23):4033-4037.