万方数据第21卷第9期徐州工程学院学报2006年9月Vol. 21 No. 9Journal of Xuzhou Institute of TechnologySEP. 2006深部地应力实测与巷道稳定性研究张百红‘,“,韩立军’<1.中国矿业大学,江苏徐州221008;2.徐州工程学院,江苏徐州221008 ) 【摘要]初始地应力是地下工程围岩稳定与支护结构设计的一个基本参数.在山东唐口煤矿井下回风石门、西翼辅助运输石门不同构造部位的三个测点采用空心包体应力解除法进行了现场应力实测工作.测点的埋深达1024-1030m.文章详细介绍了三维地应力及其主应力的计算原理,并根据矿区实测地应力资料,分析了矿井地应力大小、方向变化和分布特征,进而获得了该矿区地应力的定性及定量资料,还初步分析了地应力对巷道稳定性的影响,为巷道的支护结构设计工作提供可靠依据.【关键词】深井; 地应力测量;分布特征;围岩稳定性【中图分类号】TU457[文献标识码】A[文章编号]1673-0704(2006)09-0041-06 淄博煤业集团公司唐口煤矿位于山东济宁市西北部,井底车场水平埋深约1030 m,在完成井底车场主要铜室和巷道施工后进行石门掘进期间,先前施工完成的铜室和巷道相继发生严重破坏.其表现为:铜室和巷道四周开裂、变形,两帮和顶底板收敛剧烈,铜室和巷道在短期内大部分丧失安全使用功能,利用传统的经验类比法来进行巷道的设计、施工和指导生产已失去作用,因此,必须了解和研究地应力的大小、方向、分布规律及其与地质构造的关系,以寻找出一种经济有效的支护方法.这对深部开采与支护具有重大意义.1三维地应力计算原理应力解除技术是实现地应力扰动, 开展实测最通用的方法川,是通过取芯把周围岩体施加给它的应力场内隔离开来的方法:(1)自岩面用钻机钻进应力解除孔(俗称大孔),至不受除钻孔以外的其他工程影响的位置,钻头直径130mm; (2)磨平大孔孔底后,再同心地钻进小直径孔穿过待测点(该孔为测量用孔,钻头直径为36mm); (3)在测量小孔内,安装环氧树脂三轴应变计;(4)一般经过24小时,待环氧树脂固化后,套芯作应力解除,同时进行数据采集.本项目现场测量中,采用的仪器是澳大利亚制造的野外型便携式DATATAKER自动数据采集系统.1.1地应力大小和方向设地下某一点的地应力各分量为Px, PY,Pz,Pxr,Prz,Pzx,记为(P) xrz,它的主应力大小为Pi,P2,Pa,与大地坐标XYZ的关系用9个方向余弦值可以完全确定.在地应力实测中,一般钻孔与大地坐标系轴总会成某一角度(仰角或俯角).设xyz为钻孔坐标系,在该坐系下的地应力是实测地应力,记为(P)‘二,=(P.,Py,P.,Pxy,Pys,P-).(1) 式中:尸二一尸zx表示地应力的六个分量:下标一个字母的应力分量为正应力,二个字母的应力分量表示剪应力分量.为方便计取,x轴为水平孔径方向,z轴与钻孔轴线重合.只要我们能够由钻孔的应力实测中得到(P)‘二,二的全部分量,通过两次坐标转换不难求得(P)xr:的最终结果,并由此得到主应力的大小和方向.这收稿日期:2006-03-12作者简介:张百红(1974-),男,江苏徐州人,讲师,硕士研究生,主要从事岩土加固研究.林立军(1965-),男,江苏盆城人,教授, 博士生导师,主要从事岩土加固研究.・41・里我们设立了一个过渡坐标系X'Y' Z',首先将(P)'=y=转换为(P)二、、.其坐标旋转为钻孔倾角a.其关系为(2) (P)= y ,.=(T.) (PY=,,R.式中( T)为6X6应力转换矩阵.类似做法,再将X'Y' Z'过渡坐标系下的地应力分量旋转钻孔的方位角R那么大,可得到最终结果:(P)xr z=(T,a)(P)=,ve. (3)式中( T户为6 X 6阶应力转换矩阵.其分量由X'Y'Z‘坐标系关于XYZ坐标系旋转月角的各个方向余弦值组合而成.无论何种坐标系下可以根据应力分量获得主应力的大小(Pi,P2,Ps),且只有唯一确定的值.1.2环叙树脂三轴应变计测f原理与钻孔地应力确定环氧树脂三轴应变计地应力测量属于空心包体法[ [2-31.环氧树脂圆筒的圆柱面的应变花位置ei(2 = 1,2,3)表示;应变花中的每个应变片以-p(i = 1,2,3)表示.这样YH3B一4型应变计可在应力解除时测得9个应变值.在圆柱坐标系r6z中,上述实测应变值为不同极角夕、不同方向p的线应变.它们与坐标的关系为(E, )=(T)Bz(Ei)ro.. (4) 其中(E,)为(N X 1)矩阵.这里N= 9,(T)B=为8i(i = 1,2,3)三种不同情况下的方向余弦组合而成的(N X6)矩阵.T*为e切面上的转换关系,即总是在垂直于r轴的平面上进行,因此,有关的方向余弦为零,实测线应变是与:B,Ez和YB:有关的实测值.由上面所述, 应力实测中应力一应变关系[4]如下:EB=Ez=去:。一,u(a,+Qx)I会〔。一产(。+。,二 玩1-G(5)yBz= p为环氧树脂材料的弹性常数,同时还需知道空心包体上应力分量的解.将广义平面理论的式中右端E, 三维解答,代人式(5),得到地应力测量的观测方程( c1)=(T) (P), (6)其中( P),如前述为钻孔坐标系下的地应力分量;(T)为(N X 6)观测方程系数矩阵.对YH3B一4型环氧树脂三联单轴应变计,N二9,式(6)为((9 X 6)阶方程组,用最小二乘法解该方程组的解.2 ON f结果2.1测点的基本要求 地应力测试地点的要求一般包括三个方面:(1)测试地点的地应力状态应能确切反映该区域的一般情况,地应力测试地点的选择应具有代表性;(2)受地应力测试方法的,应尽可能在较完整、均质、层厚合适的顶底板稳定岩层中进行;(3)应避免地应力观测期间与巷道施工或其他生产工序的相互影响.根据以上原则,结合唐口矿的生产技术条件,与唐口煤矿生产技术人员共同商讨确定了三处测量地点.它们分别是:(1)1#,3#测站选择在回风石门大巷,测点布置在3上煤层顶板岩层中;(2)2#测站选择在西翼辅助运输石门中,测点位于3上煤层底板岩层中.2.2地应力测定2.2.1测量基本情况1#测站恫室距风井下口71. 5m, 3#测量恫室距风井底部560. 5m.该回风石门沿3上煤顶板掘进,岩性为细砂岩,巷道埋深约为一1030m. 1 # ,3#测站恫室取芯钻孔均布置在该层砂岩中, 取芯率达90铸.测量钻机采用TXU一150A型油压钻机,取芯钻孔的主要技术参数为:1#孔坐标(X = 3923537-734,Y = 45579.899,Z=一988-515),钻孔仰角:a=6度,钻孔方位角:夕=12度,取芯钻孔距地表的绝对深度约为1030m.3#测点钻孔的主要技术参数为:孔口坐标(X = 3923642.209,Y = 455091735,Z=一986. 797),钻孔仰角:a= 14度,钻孔方位角:夕= 11度,取芯地点距地表的绝对深度约为1028m.钻孔方向与回风石门基本垂直.2#测站选择在西翼辅助运输石门中进行,测量炯室设在大巷上邦,距五号交岔点702米,测量钻孔处于3号上煤底板细砂岩中,岩石呈灰白色,致密完整,取芯率达95%.2#测点钻孔的主要技术参数为:孔口坐标(X・42・ 万方数据=3923625.545,Y=4547689.741,Z=一967. 578),钻孔方位角:夕=193度,钻孔仰角:a=16度,取芯地点距地表的绝对深度约为1024m.钻孔方向与西翼辅助运输石门基本垂直.2.2.2各测点测量结果2.2-2.1应力解除过程曲线现场实测过程采用KDJY一2型便携式电阻应变仪作解除过程的数据记录,实测曲线反映了套芯钻进 过程中YH3B一4型传感器中9个不同方向的应变片随解除距离的应变变化情况,是计算地应力的根本依据.各测点实测曲线如图1 - 3.污 毗 />tI}摆000*默门tA目肺旬片一门卜・拍归de度片一诵r・括翻目旬片卿一才够芝犷斗一一.自一日泪舫度片--门介 ̄ ̄日泪轴位片...州...-d月周内片_a0麓蔡 }'3S00 - - ` 4a00 f ---F1宁,,. ̄J目七 匕JL、j名砚.口虫匕万 一r卜二幽鹅由旬片峨”一 翻w姆目蔺《,)一苗别困句片图1 1#刚点地应力解除过程曲线Fig. 1 Curves of in一situ stress relief process for 1#point济宁唐口A矿-1000水平回风石3'M童钻那地应力解除曲线 ---劝卜一一A组周向片—门.-.1`t.440度片了己一子令-习‘,一A组轴向片资一,曰.一B A.A周向片 ̄刻退义一y‘一B组4.3度片解除距离(兹而)-f -B组轴向片图2 3#刚点地应力解除过程曲线Fig. 2 Fig. 2 Curves of in一situ stress relief process for 3#pointTYL1-煤矿一2.湃I!钻孔地应力解除曲我:00。水平西其辅。运i, -F.「一-0A组周向片一.卜一A组45度片(.立-,自,。A组轴向片)恻侧__.。一B组周向片遏板侧一,白一B组45度片翻功--叫.-B组轴向片解除距离〔.)一‘,叫.口-图3 2 # All点地应力解除过程曲线Fig. 3 Fig. 3 Curves of in一situ stress relief process for 2#point2. 2. 2.2岩石力学性质试验结果岩石的弹性常数是利用钻孔取出的岩芯, 将靠紧测量段前后的岩芯在实验室加工成标准试块,通过单轴压缩试验确定测量段岩石的弹性模量、泊松比和单轴抗压强度的结果见表1.2. 2.2. 3地应力结果根据实测资料、 测点岩石力学性质参数及钻孔的几何参数等,由中国矿业大学地应力测试课题组自行编・43・ 万方数据制的地应力专用计算软件,分析计算出测点地应力分量及主应力大小和方向,最终得到该测点的地应力结果,如表2、表3、表4、表5所示. 表1岩石的弹性常数试验结果Table 1 Elasticity constant of the rocks测站弹性模量(GPa)泊松比单轴抗压强度(MPa)1#16. 9 0.21 45. 233#36. 60. 17153. 762 # 20. 27 0. 25 31. 65表2 1#测点应力分f表示法(MPa )Table 2 I n一situ stress measurement results of 1#borehole尸,19. 15P, = 8. 099尸x,=1.7928.099P,,=25. 621尸y==一1.2821. 792尸。=一1. 282P}=11.485表3 3#测点应力分f表示法(MPa)Table 3 In一si tu stress measurement results of 3#borehole尸x=5. 9687尸Yx=4. 0964Pxz二7. 5778尸Yx--4. 0964尸Y:8. 7924Pyz=8. 692尸zx--7. 5778尸z3=8. 692尸z=30. 646表4 2#测点应力分f表示法(MPa )Table 4 I n一situ stress measurement results of 2#borehole尸3=14. 343尸yx=3.0785Pxz=一0. 34307尸Yx=3. 0785 Py=23. 773尸Y2=一4.0063尸z.2=一0. 34307尸zY=一4.0063Pz= 23. 039表5主应力的大小及方向Table 5 The principal stress of boreholes测点编号测点位里距地表深度(M)主应力大小MPa主应力方向夹角度(“)尸1/P2/P3 v(垂直)W(东西) N(南北)31. 10734.09155. 9190. 1661#孔回风石门大巷1030米15. 032118. 35245.22 58. 15910.11772. 678115. 81931. 84227. 9141.23879. 241129. 212#孑乙西奚辅助运输石门1024米19. 9054. 65674. 16139. 76513. 35108.4219.31095. 58136.08870. 80374. 20325. 273#孔回风石门大巷1028米6. 67135. 63566. 04114. 692.948118. 7529. 26895. 0333矿井地应力的分布特征及围岩稳定性分析 济宁矿区位于秦岭构造带东延部分的北支,新华夏系第二隆起带的西侧,第二沉降带的东侧,东邻郑庐大断层,受东西向构造和新华夏系两种构造应力场的作用.相关地质资料显示,中生代以前的构造运动形成了以东西为主的构造线,中生代以后受燕山期新华夏系强烈改造的影响,形成了以北东东向为主的构造线,以北东东、北东向背向斜主体.测量结果表明井田内地质构造较复杂.从测试结果可初步得到以下几点认识: (1) 1#测点最大主应力Pmex = 31. 11MPa,与铅垂方向夹角约340,垂直应力分量P,, = 25. 62MPa,东西方向的水平应力分量Px = 19. 15MPa,南北向的应力分量Pz = 11. 49MPa.铅直应力和水平应力151也可由下式估算・44・ 万方数据av=y万万方数据a = Hmax=口Hmin一,二/(,一;。}・(7) 如取上覆岩层的平均容重y = 2. 5t/m,来估算铅直应力ay=25. 75MPa,(该测点处埋深1030米)与垂直应力十分接近,但是水平应力是(7)式计算结果,即aHmax = aHmin = 6. 85MPa的1.7一2.8倍,相差较多.结果显示,该处以垂直应力为主导,也有一定的水平构造应力,属自重应力场型[B].受中生代以前的构造运动影响,东西方向的水平应力分量稍大,但基本平行于回风石门方向;南北方向水平分量较小,基本与回风石门垂直,对大巷的维护较为有利.(2)3#测点同处于回风石门内, 距1#测点约400余米.最大主应力Pmax = 36. 09MPa,与铅垂方向夹角约700,水平应力分量P二二30. 65MPa,远远大于垂直应力分量几= 8. 79MPa.水平应力分量沿南北向几乎正交与回风石门.该处以水平应力为主导,与1#测点在应力方向上有很大的变异,表明该处地质构造比较复杂.从矿井开拓平面图上可看出川:该测点处于向斜的轴部,受燕山期新华夏系强烈改造的影响,因此构造应力十分显著.最大水平应力Cs1的作用会使巷道顶底板岩层发生剪切破坏,继而出现岩层错动和底板岩层的膨胀,造成围岩变形过大.因此,锚杆支护设计应侧重于提高巷道开掘后早期顶板的稳定性,控制围岩的早期过大变形191(3 )2#测点最大主应力Pmax = 27. 91MPa,与铅垂方向夹角约410,垂直应力分量P,, = 23. 77MPa,南北向的应力分量较大为P二二23. 04MPa,是(6)式计算结果。Hmax = OHmin = 8. 57MPa的2.7倍;也有一定的水平构造应力,该处以垂直应力为主导,与1#测点处垂直应力分量比较接近.( 4)从地应力测量过程和实验室岩性试验可知,1#,2#测点区域砂岩强度较低,节理发育,遇水软化,岩石结构松散;3#测点砂岩强度高,致密,胶结好,此情况表明该区域岩层沉积呈不均质状态,也是造成应力变化的重要因素之一5结语(1)在不同的构造部位测出的主应力值大小、方向和倾角都有所变化, 表明地应力分布与地质构造运动有密切关系.(2)唐口煤矿一100。水平整体地应力较高,-1000水平以自重应力为主, 水平构造应力影响次之,属自重应力场型.(3)局部地方由于向斜构造的影响, 地应力有强烈变异,呈现为水平应力突出.最大主应力36. 088 MPa与H的比值为3. 5,方向几乎水平,对矿井巷道布置、支护产生较大的影响.(4)矿井地应力大小、 方向和分布特征的确定为巷道的支护结构设计工作提供可靠依据.参考文献[1]刘允芳.岩体地应力与工程建设[M].武汉:湖北科学技术出版社,2000.〔幻蔡美峰.地应力测量原理和技术〔M].北京:科学出版社,1995.[3]白世伟,丁锐.空心包体应力测量的几个问题[77.岩土力学,1992, 13(1): 81-85.[4〕徐芝纶.弹性力学〔M].高等教育版社,2003:76-77.[5]吴满路,张春山,廖椿庭,马寅生,区明益.青藏高原腹地现今地应力测量与应力状态研究[J].地球物理学报,2005,48(2):327一332.[6]李光煌,白世伟.岩体应力的现场研究[77.岩土力学,1979, 1(1): 41-49.[7]张延新,蔡美峰,王克忠.平顶山一矿地应力分布特征研究〔17.岩石力学与工程学报,2004,23(23):4033-4037.[81庞俊勇,吴忠.应力区不良岩层中巷道支护技术的研究〔7].东北煤炭技术,1994 , (4) :11-14.[9]李光煌,朱作铎,汪鸣明.大瑶山隧道现场测试及稳定性分析〔J7.岩土力学,1988, 9(4): 32-36..45,万方数据Study on In一situ Stress Measurement and the Stability of RoadwaysZHANG Bai-hong''2,HAN Li-jun'(1. China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008, China;2. Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou, 221008,China) [Abstract] In一situ stress is a basic parameter to the stability of surrounding rocks and supportingstructure of underground projects. Stress measurement was carried out at Tangkou Coal Mine of Shangdongprovince at three different structural positions,each as deep as 1024一1030 m,in the ventilated and the westassistance conveyance stone door by hollow inclusion measuring method. This paper provides a detailedintroduction of the calculation of the 3D in一situ stresses and principal stresses, and with reference to themeasured stress data analyzes the strength of in一situ stresses,changes of directions and distributioncharacteristics,and further obtains set data about in一situ stresses in the mine area. This paper also gives aprimary analysis of the effect of in一situ stresses on the stability of roadways, which provides reliable referencefor the design of supporting structure.[Ke y words] deep mine;in一situ stress measurement;distribution characteristics;the stability ofroadway(上接第31页)参考文献[1」时振强.大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施[J1.承德职业学院学报,2006,(1).[2〕戴新明.大体积混凝土裂缝成因与防治措施[J1.山西建筑,2006,(7).[3」赵志绪.高层建筑施工[M].同济大学出版社,2001.Causes for the Cracking of Large Volume ConcreteMembers and its PreventionGAO Wen-ju(Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou, 221008, China)[Abstract]Crackingin large volume concrete members directly affects the quality of construction. In thispaper,causes forcrackingis analyzed,and some preventative measuresconcerningthe choosing of materials,adding of admixtures,andconstructionand maintenance methods are proposedto ensure the quality ofconstruction.[Key words] large volume concrete members; cracking;temperature;shrinkage;hydration heat・46・