1 前言

地應力是引起采礦工程圍巖、支護變形和破壞、產生礦井動力現象的根本作用力，在諸多影響采礦工程穩定性的因素中，地應力是最主要和最根本的因素之一，由于地應力成因的非規律性和復雜性，因此目前還很難用數學和力學的理論公式進行表達，實測是地應力研究的主要方法。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。

為此，兗礦集團于1999年與澳大利亞SCT公司合資成立了濟南澳科礦山工程技術有限公司（山東安科礦山支護技術有限公司前身）。成套引進澳方在礦山開采方面的新技術，跟蹤國際發展水平，集技術服務、產品生產于一體。特別是在原巖應力測量以及次生應力實測與監測方面，通過多年的發展已積累了豐富的經驗，走在全國煤礦應力測量技術的前列，是我國少數能夠進行地應力測試的單位之一。

2 地應力測量技術

2.1 應力解除法

應力解除法通常應用于礦山、隧道等地下工程的應力測量，其優點是測量精度較高，安裝操作比較簡便，該方法靠一個單孔即可測得巖體三維應力狀態，實測效率高，對于井下深部地應力測量具有其它測量方法所無法比擬的獨特優勢。目前該方法已廣泛應用于礦山、水電及隧道等地下工程的研究中。

應力解除法的基本原理就是，巖石由原三維受力狀態被應力解除后由于其彈性會發生膨脹變形，測量出應力解除后的此塊巖石的三維膨脹變形，并通過現場彈模率定確定其彈性模量，則由線性虎克定律即可計算出應力解除前巖體中應力的大小和方向。具體地講這一方法就是在巖石中先打一個測量鉆孔，將應力傳感器安裝在測孔中并觀測讀數，然后在測量孔外同心套鉆鉆取巖心，使巖心與圍巖脫離，巖心上的應力因解除而恢復，根據應力解除前后儀器所測得的差值，即可計算出應力的大小和方向，地應力測量儀器和設備見圖1。

地應力測量方法是在巖體中根據工程目的施工一定深度的鉆孔在完整巖體中將應力傳感器牢固的安裝在鉆孔中，然后打鉆套取巖芯實施應力解除，并在解除的過程中測量由于應力釋放而產生的應變。地應力測量過程見圖2。

（1）導孔

按照測點布置設計方案在選定地應力測量地點施工地應力實測鉆孔。根據設計方案預定的傾角和深度垂直于巷道幫部施工一個直徑為110mm的導孔。

（2）應力傳感器安裝孔

在導孔深度到達理想巖性之后，就可以鉆取應力傳感器安裝孔了。在鉆取應力傳感器安裝孔之前，需要在導孔的底部，同心位置鉆取應力傳感器安裝孔，其深度視應力計的長度及巖芯完整情況而定。

（3）安裝應力傳感器

根據安裝孔中取出巖心情況，選取巖面結構較好的一段，根據這一段位置截取應力傳感器調節桿長度，使應變片位置位于這一段巖心處。使用專用安裝桿將應力計安裝至預定位置。

（4）應力解除

安裝應力傳感器第二天實施應力解除，應力解除過程中，鉆進速度要慢，以較全面讀取各應變片的讀數。直至安裝有應力傳感器的巖心斷裂或者應變片的讀數不再隨著鉆進變化，便可以取出巖心。

（5）彈模率定

取出巖芯后應需要將其置入彈模率定儀中進行彈模率定試驗，以確定巖石的彈性模量和泊松比參數。巖心中的HI應力計巖心內壁所受的應變，巖石的彈性模量可以根據可視為各向同性的彈性體的巖石周向應變量求出。泊松比可以根據軸向應變量與周向應變量的比值得出。

（6）得出結果

巖石應力計算采用專用Stress程序，對應力解除數據和彈模率定數據進行計算差值和繪制變化趨勢，并在合適范圍內計算應力分量之間最優化統計結果，包括方差、主應力、方向信息，依此可以為最終結果優選做參考。

3 地應力測量案例

3.1 地應力測點布置參數

淮南礦區潘三礦埋藏深、圍巖松軟破碎，巷道失穩造成的頂板事故、底板突水、煤-瓦斯事故等災害日趨突出，嚴重威脅礦井安全高效生產。這些動力災害事故的發生與高應力作用有著內在的聯系。在潘三礦西三采區和東翼采區開展地應力測量工作，為應力分析、支護設計數值模擬等工作提供科學依據。

根據潘三煤礦西三采區1672（1）運順瓦斯治理巷和東翼采區2121（1）工作面運順瓦斯治理巷采掘狀況和地質條件，具體分布位置見圖4和圖5。

地應力實測施工參數見表1。

表1 地應力實測施工參數一覽表

3.2 地應力場實測結果

地應力傳感器粘結膠固化24小時后，對包含有HI應力傳感器的巖體進行了套芯應力解除，應力解除巖心見圖6。

根據應力解除數據監測結果，見圖7至11，應用專用數據處理軟件對測量數據進行處理，計算結果見下表2。

表2 原巖應力實測結果

         圖8 XS-2測點應力測量曲線

            圖10 DY-2測點應  力測量曲線

3.3 地應力實測結果分析

由于地應力測點地質環境的差異，每個測點的測量結果表現了其測點圍巖力學性質條件下地應力場狀態信息。為了對比和分析不同圍巖構造條件下地應力場狀態差異性，對測量數據進行計算分析和當量化處理，根據當量化轉換結果，將地應力場中最大主應力、中間主應力、最小主應力各分量的實測值與當量值以及垂直應力進行匯總，并將各主應力傾角轉換為向下，結果見表3。

表3 地應力場各分量測量結果匯總表

綜合分析潘三煤礦地應力場分布特點，可以總結出以下結論。

1、西三采區地應力場分布狀態：

（1）地應力場中主應力б1為最大水平主應力，優勢方向為近南北向，量值平均為27.24MPa。根據西三采區XS-1和XS-2地應力測量結果，地應力主應力分量б1的傾角均小于15°，接近水平方向；方位平均為169.7°，接近于南北向，見圖12。

（2）地應力場中主應力б3為最小水平主應力，優勢方向為近東西向，量值平均為17.27MPa。根據西三采區XS-1和XS-2地應力實測結果，地應力主應力分量б3的傾角均小于15°，可視為水平方向；方位平均為79.0°，接近于東西向，與主應力б1在方位上呈正交關系，見圖12。

（3）地應力場中間主應力б2的傾角較大，均超過70°，接近于垂直方向，且量值與實測垂直應力бv接近，見圖13。

2、東翼采區地應力場分布狀態：

（1）地應力場中主應力б1為最大水平主應力，優勢方向為近南北向，量值平均為25.76MPa。根據東翼采區DY-1、DY-2和DY-3地應力測量結果，地應力主應力分量б1的傾角均小于15°，接近水平方向；方位平均為351.1°，接近于南北向，見圖14。

（2）地應力場中主應力б3為最小水平主應力，優勢方向為近東西向，量值平均為15.65MPa。根據東翼采區DY-1、DY-2和DY-3地應力測量結果，地應力主應力分量б3的傾角均小于15°，可視為水平方向；方位平均為82.0°，接近于東西向，與主應力б1在方位上呈正交關系，見圖14。

（3）地應力場中間主應力б2的傾角較大，均超過60°，接近于垂直方向，且量值與實測垂直應力бv接近，見圖15。

3、從地應力實測結果和當量化結果看，西三采區和東翼采區整體地應力場方位變化不大，相似性較高，當量化量值上主要受到埋深影響，整體為受煤層傾向的單斜構造和橫貫井田的W-背向斜構造共同影響的構造應力場。

綜合西三采區和東翼采區五個地應力測量結果和當量化結果表明，潘三煤礦井田范圍內地應力場狀態相對比較穩定，整體地應力場狀態為以下特點：

（1）地應力場中主應力б1為最大水平主應力，優勢方向為近南北向，當量化平均值為25.30MPa。根據地應力測量結果，地應力主應力分量б1的傾角均小于15°，接近水平方向；方位在340°～6°之間，平均為350.5°接近于南北向，見圖16。

（2）地應力場中主應力б3為最小水平主應力，優勢方向為近東西向，量值平均為15.80MPa。根據地應力實測結果，地應力分量б3的傾角均小于15°，可視為水平方向；方位在70°～95°之間，平均為80.8°，接近于東西向，與最大主應力б1在方位上呈正交關系，見圖16。

（3）地應力場中間主應力б2的傾角較大，均超過60°，接近于垂直方向，見圖16，且量值與實測垂直應力бv接近。

4、影響潘三煤礦巷道穩定性的主導應力是最大水平主應力б1，且對巷道掘進左側具有明顯方向性影響。

對地應力實測結果中最大主應力、最小主應力、垂直應力及其比值進行匯總，見表4。可以看出：

表4 主應力及其比值匯總表

（1）潘三煤礦西三采區和東翼采區地應力場中水平主應力是主導應力。最大水平應力б1明顯大于垂直應力бv，側壓系數б1/бv=1.56～1.75，說明水平應力比垂直應力對巷道穩定性的影響要大，水平主應力占主導優勢地位。

（2）西三采區和東翼采區巷道受水平主應力方向性影響顯著。根據地應力測量結果，最大主應力б1與最小主應力б3的比值系數K=1.46～1.83，其量值變化較大，且最大主應力越高，其對應最小主應力越小，說明井田內地應力場對巷道掘進影響具有明顯的方向性。

根據地應力測量結果，最大主應力б1方位與巷道軸向夾角為34°～73°，平均夾角為55.3°，對巷道掘進影響較大，使得水平應力集中體現在巷道掘進方向左側，特別是2121（1）運順瓦斯治理巷17#鉆場區域，巷道與最大主應力夾角達到73°，水平應力集中程度最為顯著。見圖17。

（3）西三采區整體應力水平較東翼采區略高，這與測點分布深度密切相關。西三采區測點埋深超過東翼采區測點埋深50m以上，在應力整體水平上受自重應力和構造應力影響要略高。

（4）潘三煤礦地應力場中最小主應力與垂直應力相差不大。根據地應力測量結果，最小主應力與垂直應力相差在2MPa之內，且除DY-2地應力測點外，地應力場呈現б1>бv>б3的應力關系。DY-2地應力測點可能受斷層構造影響，垂直應力出現明顯降低現象。