1、3.1 地應力與地應力測量方法簡介地應力，又稱原巖應力，也稱巖體初始應力或絕對應力，是在漫長的地質年代里，由于地質構造運動等原因產生的。在一定時間和一定地區內，地殼中的應力狀態是各種起源應力的總和。主要由重力應力、構造應力、孔隙壓力、熱應力和殘余應力等耦合而成,重力應力和構造應力是地應力的主要來源。地應力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內應力、地心引力、地球旋轉、巖漿侵入和地殼非均勻擴容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學變化等也可引起相應的應力場。而重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形

2、成影響最大。地應力測量，就是確定擬開挖巖體及其周圍區域的未受擾動的三維應力狀態，這種測量通常是通過多個點的量測來完成的。地應力測量是確定工程巖體力學屬性、進行圍巖穩定性分析、實現巖土工程開挖設計和決策科學化的前提。地應力對礦山開采、地下工程和能源開發等生產實踐均起著至關重要的作用，所以地應力研究是當前國際采礦界上的一個前沿性課題，近幾十年來，世界上許多國家均開展了地應力的測量及應用研究工作,取得了眾多的成果。隨著礦區開采現代化進程的不斷提高和開采深度的不斷增加，對礦區所處的地質條件和應力環境提出了更進一步的要求。查明礦區深部煤炭資源的開采地質條件和應力環境，為深部礦井的設計、建設和生產提供更加

3、精細可靠的地質資料和數據，以便采取有效技術手段和措施，避免和減少災害的發生，是實現礦井安全高效生產的重要保障。地應力是引起采礦工程圍巖、支架變形和破壞、產生礦井動力現象的根本作用力，在諸多的影響采礦工程穩定性因素中，地應力是最重要和最根本的因素之一。準確的地應力資料是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩定性分析和計算，礦井動力現象區域預測，實現采礦決策和設計科學化的必要前提條件。采礦規模的不斷擴大和開采深度的縱深發展，地應力的影響越加嚴重，不考慮地應力的影響進行設計和施工往往造成露天邊坡的失穩、地下巷道和采場的坍塌破壞、沖擊地壓等礦井動力現象的發生，致使礦井生產無法進行，并經常引起嚴重的事故，造成

4、人員傷亡和財產的重大損失。巖體地應力測量，主要是指對處于地下原始狀態的巖（礦）中的某點的應力或應變的測量。近半個世紀以來，特別是近30年來，隨著地應力測量工作的不斷開展，各種測量方法和測量儀器也不斷發展起來。就世界范圍而言，目前主要測量方法有數十種之多，而對測量方法的分類并沒有統一的標準。目前各國采用和正在研究的測定地應力的方法主要有：應力解除法，水壓致裂法，鉆孔鋸法，非彈性應變恢復法等。利用從鉆孔中采取的巖芯實驗室測量方法有：凱塞爾效應法，變形率分析，微分應變曲線分析等。近年來發展有超聲波檢測原巖應力的方法等。根據測量手段的不同，將地應力測量方法分為五大類，即：構造法、變形法、電磁法、地震法

5、、放射性法。根據測量原理的不同，可分為應力恢復法、應力解除法、應變恢復法、應變解除法、水壓致裂法、聲發射法、X射線法、重力法共八類。而國內外多數依據測量基本原理的不同，可將測量方法分為間接測量和直接測量法兩大類。間接測量法是借助某些傳感元件或某些介質，測量和記錄巖體中某些與應力有關的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應變，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，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式，計算巖體中的應力值。因此，在間接測量法中，為了計算應力值，首先必須確定巖體的某些物理力學性質以及所測物理量和應力的相互關系。套孔應力解除法和其它應力或應變解除方

6、法以及地球物理方法等是間接法中較常用的。其中,套孔應力解除法是目前國內外最普遍采用的發展較為成熟的一種地應力測量方法。直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應力量，如補償應力、恢復應力、平衡應力，并由這些應力量和原巖應力的相互關系，通過計算獲得原巖應力值。在計算過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性質和應力應變關系。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應力計法和聲發射法均屬直接測量法。其中，水壓致裂法在目前的應用最為廣泛，聲發射法次之。早期的原位地應力測量一般是在巖體的表面進行，分為表面應力恢復法和表面應力解除法兩種。扁千斤頂法是表面應力恢復法的代表，而中心鉆孔法和平行鉆孔法

7、則為表面應力解除法的代表。巖體表面應力測量一般都在開挖表面進行，只能測量巖體表面的一維或二維應力狀態。而這種應力狀態也受到開挖擾動影響，并非原巖應力。而且，巖體表面因開挖會受到程度不同的破壞，使它們與未受擾動的巖體的物理力學性質大不相同。同時隧道開挖對原始應力場的擾動也是十分復雜的，不可能進行精確的分析和計算。所以這類方法不能準確確定測點的原巖應力狀態。為了克服這類方法的缺點，另一類方法是從隧道表面向巖體中打小孔，直至原巖應力區，地應力測量是在小孔中進行的。由于小孔對原巖應力狀態的擾動是可以忽略不計的，這就保證了測量是在原巖應力區中進行。這類方法稱為“鉆孔測量法”，目前普遍采用的應力解除法和水

8、壓致裂法均屬此類方法，其特點見表3-1。表3-1鉆孔測量法分類表測量方法特點使用范圍缺點水壓致裂法設備簡單、操作方便、測值代表性大、適應性強、深度大。測量應力空間范圍較大，無可利用的巷道、硐室時，更能顯示其優越性。測得的主應力方向定位不準，測得結果的精度不很高；成本較高。應力解除法測的精度較高。適用于礦山中的現有巷道和硐室。測量地點較為局限；運用上存在技術困難。應力恢復法理論基礎嚴密。僅適用于巖體表層。不能測量巖體中的主應力方向，勞動量大。聲發射法勞動量小，保持研究地塊完整性，在同一測點和測區可進行多次測量。用于高強度脆性巖石。使用范圍比較局限，對于較軟弱疏松的巖體，則不適用，精度較低。鉆孔應

9、力解除技術已基本成熟，國內的學者、專家們對之進行了深入的研究。總的來說，地應力的測量是一項綜合性的測試，可以說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合起來對比使用，才可以保證結果的可靠性。遼寧工程技術大學多年來致力于地應力方面的測試與研究，使用空芯包體應力解除法在諸多礦區進行了地應力測量工作，測量效果良好。受韓城礦業公司委托，遼寧工程技術大學與中國礦業大學合作，對韓城礦業公司所屬的象山礦進行現場地應力測試。現場地應力測量采用空芯包體應力解除法進行，應變計使用中國地質科學院地質力學研究所研制的kx81-1型空芯包體應力計，應用kx81-1型空芯包體計算程序進行地應力計算，最后

10、給出各礦地應力的主要參量，并根據計算結果對該礦地應力特征進行簡要分析。3.1.1空芯包體地應力測量方法及測量儀器3.1.1.1應力解除法1)應力解除法的種類（1）、鉆孔位移法該法又稱為鉆孔變形法。它是通過測量解除槽開出前后鉆孔孔徑的變化來測量地應力的。使用的傳感器稱為鉆孔變形計。（2）、鉆孔應變法該法又分為孔底應變法和孔壁應變法。孔底應變法是通過測量解除前后鉆孔底面的應變變化來測量應力的；孔壁應變法則是通過測量解除前后鉆孔孔壁表面的應變變化來測量地應力的。（3）、鉆孔應力法該法是將剛性的鉆孔變形計置于鉆孔內，利用測量解除前、后變形計上的壓力變化來測量地應力。變形計上的壓力變化與鉆孔孔徑變化有關

11、。通過力學分析，可以建立變形計的壓力與地應力的解析表達式。這種剛性變形計稱為鉆孔應力計。2)應力解除法常用的測試儀器地應力的測試儀器很多，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力計KX-81型空芯包體式三軸地應力計是由地質力學研究所制造的。這種應力計是澳大利亞CSIRO應力計的一種改進型，目前這種測試儀器在我國得到廣泛的應用。圖3-1 KX-81型空心包體三軸地應力計結構示意圖1安裝桿；2定向器導線；3定向器；4讀數電纜；5定向銷；6密封圈；7環氧樹脂筒；8空腔（內裝粘膠劑）；9固定銷；10應力計與孔壁之間的空隙；11柱塞；12巖石鉆孔；13出膠孔；14密封圈；15導

12、向頭；16應變花（2）、YG-73型和YG-81型壓磁地應力計YG-73型和YG-81型壓磁地應力計是由地質力學研究所和地殼應力研究所研制的，是對瑞典哈斯特應力計的一個改進。這種測試儀在我國得到廣泛的應用。圖3-2 YG-73型壓磁地應力計圖3-3 YG-81型壓磁地應力計（3）、USBM鉆孔變形計該變形計是由美國礦物局研制的，是國際巖石力學學會實驗方法委員會建議采用的一種變形計。該變形計可安裝在孔徑為38mm的鉆孔中，可測三個方向的直徑變化，靈敏度為鉆孔直徑的十萬分之一。該應力計在套芯過程中可牢固地固定在測量孔中，不會產生滑動。它具有良好的防水性能，并能與訊號電纜分離。通過貼有應變計的觸頭與

13、孔壁相接觸，量測鉆孔直徑的變化。USBM鉆孔變形計使用電阻應變儀進行讀數，使用雙向模量率定臺測量巖芯的彈模。（4）、36-2型鋼環式鉆孔變形計該變形計是由中國科學院武漢巖土力學研究所研制的。變形計中有4個鋼環，每個鋼環上貼有應變片，可量測互成45°的四個直徑方向的直徑變化。該應變計可安裝在36mm直徑的巖石鉆孔中。該方法需要測量巖石的彈性模量和泊松比。（5）、CSIR三向應變計CSIR三向應變計與KX-81型空芯包體三軸地應力計的原理相同，也是用來進行孔壁應變測量的。它可在單孔中通過一次套芯解除獲得三維地應力狀態，所不同的只是應力計的結構不一樣。（6）、SDX定向儀SDX水平定向儀是

14、用來確定水平或傾斜鉆孔中地應力計應變片的方向的。顯示器由三位半袖珍式數字萬用表改裝而成，它的作用是供給轉換器一個恒壓電源和顯示測量讀數。轉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軸上，使重錘與滑動臂相對固定不變，由于重力作用，重錘永遠指向重力方向，所以滑動臂的指向也固定不變。當電位器電阻膜片隨著外殼旋轉時，滑動臂與電阻膜片上的參考點之間的夾角將發生變化。測出電壓的變化即可求算出探頭的安裝角度。圖3-4部分測量儀器（7）、靜態電阻應變儀目前空芯包體地應力測量中使用的YJK4500靜態電阻應變儀是由煤炭科學研究總院北京開采所生產的。特點是

15、穩定性好、靈敏系數調節范圍寬、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計，密封便攜，可應用于野外及煤礦井下，是現場進行鉆孔應力解除中可靠的測量工具。（8）、傳感器圍壓率定機傳感器圍壓率定機的作用一是將儀器的讀數換算成折算位移；二是求算巖石的彈性模量和泊松比。為了把儀器的讀數換算成折算位移，以便進行主應力的計算，必須對元件進行率定，做出率定曲線。率定機主要由圍壓器和油泵組成，原理結構如圖3-5。圖3-5圍壓率定機結構圖現場測量時，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中，用油泵將油打入圍壓器中，給巖芯施加均勻圍壓到預定值，然后退壓，同時進行儀器讀數，就可以根據下列公式畫出率定曲線。將套取的巖芯連同應力計一同放入圍壓率定機中并加壓，測出不同壓力下