地應(yīng)力與地應(yīng)力測量方法簡介

3.1地應(yīng)力與地應(yīng)力測量方法簡介地應(yīng)力，又稱原巖應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力或絕對應(yīng)力，是在漫長的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運動等原因產(chǎn)生的。在一定時間和一定地區(qū)內(nèi)，地殼中的應(yīng)力狀態(tài)是各種起源應(yīng)力的總和。主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成,重力應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的主要來源。地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、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(yīng)的應(yīng)力場。而重力作用和構(gòu)造運動是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運動對地應(yīng)力的形成影響最大。地應(yīng)力測量，就是確定擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動的三維應(yīng)力狀態(tài)，這種測量通常是通過多個點的量測來完成的。地應(yīng)力測量是確定工程巖體力學屬性、進行圍巖穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖土工程開挖設(shè)計和決策科學化的前提。地應(yīng)力對礦山開采、地下工程和能源開發(fā)等生產(chǎn)實踐均起著至關(guān)重要的作用，所以地應(yīng)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(yīng)力的測量及應(yīng)用研究工作,取得了眾多的成果。隨著礦區(qū)開采現(xiàn)代化進程的不斷提高和開采深度的不斷增加，對礦區(qū)所處的地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境提出了更進一步的要求。查明礦區(qū)深部煤炭資源的開采地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境，為深部礦井的設(shè)計、建設(shè)和生產(chǎn)提供更加精細可靠的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，以便采取有效技術(shù)手段和措施，避免和減少災害的發(fā)生，是實現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)的重要保障。地應(yīng)力是引起采礦工程圍巖、支架變形和破壞、產(chǎn)生礦井動力現(xiàn)象的根本作用力，在諸多的影響采礦工程穩(wěn)定性因素中，地應(yīng)力是最重要和最根本的因素之一。準確的地應(yīng)力資料是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩(wěn)定性分析和計算，礦井動力現(xiàn)象區(qū)域預測，實現(xiàn)采礦決策和設(shè)計科學化的必要前提條件。采礦規(guī)模的不斷擴大和開采深度的縱深發(fā)展，地應(yīng)力的影響越加嚴重，不考慮地應(yīng)力的影響進行設(shè)計和施工往往造成露天邊坡的失穩(wěn)、地下巷道和采場的坍塌破壞、沖擊地壓等礦井動力現(xiàn)象的發(fā)生，致使礦井生產(chǎn)無法進行，并經(jīng)常引起嚴重的事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)的重大損失。巖體地應(yīng)力測量，主要是指對處于地下原始狀態(tài)的巖（礦）中的某點的應(yīng)力或應(yīng)變的測量。近半個世紀以來，特別是近30年來，隨著地應(yīng)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(fā)展起來。就世界范圍而言，目前主要測量方法有數(shù)十種之多，而對測量方法的分類并沒有統(tǒng)一的標準。目前各國采用和正在研究的測定地應(yīng)力的方法主要有：應(yīng)力解除法，水壓致裂法，鉆孔鋸法，非彈性應(yīng)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(yīng)法，變形率分析，微分應(yīng)變曲線分析等。近年來發(fā)展有超聲波檢測原巖應(yīng)力的方法等。根據(jù)測量手段的不同，將地應(yīng)力測量方法分為五大類，即：構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法。根據(jù)測量原理的不同，可分為應(yīng)力恢復法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法共八類。而國內(nèi)外多數(shù)依據(jù)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(zhì)，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)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(yīng)力值。因此，在間接測量法中，為了計算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的某些物理力學性質(zhì)以及所測物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系。套孔應(yīng)力解除法和其它應(yīng)力或應(yīng)變解除方法以及地球物理方法等是間接法中較常用的。其中,套孔應(yīng)力解除法是目前國內(nèi)外最普遍采用的發(fā)展較為成熟的一種地應(yīng)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(yīng)力量，如補償應(yīng)力、恢復應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計算獲得原巖應(yīng)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(zhì)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)射法均屬直接測量法。其中，水壓致裂法在目前的應(yīng)用最為廣泛，聲發(fā)射法次之。早期的原位地應(yīng)力測量一般是在巖體的表面進行，分為表面應(yīng)力恢復法和表面應(yīng)力解除法兩種。扁千斤頂法是表面應(yīng)力恢復法的代表，而中心鉆孔法和平行（4）、36-2型鋼環(huán)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(huán)，每個鋼環(huán)上貼有應(yīng)變片，可量測互成45°的四個直徑方向的直徑變化。該應(yīng)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(yīng)變計CSIR三向應(yīng)變計與KX-81型空芯包體三軸地應(yīng)力計的原理相同，也是用來進行孔壁應(yīng)變測量的。它可在單孔中通過一次套芯解除獲得三維地應(yīng)力狀態(tài)，所不同的只是應(yīng)力計的結(jié)構(gòu)不一樣。（6）、SDX定向儀SDX水平定向儀是用來確定水平或傾斜鉆孔中地應(yīng)力計應(yīng)變片的方向的。顯示器由三位半袖珍式數(shù)字萬用表改裝而成，它的作用是供給轉(zhuǎn)換器一個恒壓電源和顯示測量讀數(shù)。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時，滑動臂與電阻膜片上的參考點之間的夾角將發(fā)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(tài)電阻應(yīng)變儀目前空芯包體地應(yīng)力測量中使用的YJK4500靜態(tài)電阻應(yīng)變儀是由煤炭科學研究總院北京開采所生產(chǎn)的。特點是穩(wěn)定性好、靈敏系數(shù)調(diào)節(jié)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(shè)計，密封便攜，可應(yīng)用于野外及煤礦井下，是現(xiàn)場進行鉆孔應(yīng)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(shù)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(shù)換算成折算位移，以便進行主應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖3-5。圖3-5圍壓率定機結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)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(shù)，就可以根據(jù)下列公式畫出率定曲線。將套取的巖芯連同應(yīng)力計一同放入圍壓率定機中并加壓，測出不同壓力下各應(yīng)變片的讀數(shù)，用下式計算彈性模量E和泊松比μ：E=μ=式中：P0—圍壓值，Mpa；d—巖芯小孔內(nèi)徑；D—巖芯外徑；—軸向應(yīng)變；—周向應(yīng)變；這種率定是在現(xiàn)場進行的，在應(yīng)力解除之后，將帶有元件的巖