（岩土工程专业论文）山西大同煤矿地应力测量及其地应力场反演分析.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 随着地下空间技术的迅速发展，地下工程不仅数量越来越多，而且规模也日趋大型 化，同时埋藏深度也越来越大，因此，地下工程的围岩稳定性问题就变得尤为突出，为 工程界和理论界所关注。解决该问题的关键在于深入认识和分析研究初始地应力场。 本论文采用空心包体套孔应力解除法，通过对山西大同煤矿地应力现场实测和矿区 及其周围区域地质构造的研究，对该矿区的地应力状态，包括大小、方向及其分布规律 分别进行了定性和定量的分析。 首先，通过对各测点进行套孔应力解除试验，并对试验结果进行分析处理得到各测 点的地应力大小和方向。 其次，根据现有的区域和矿区的地质构造资料，运用地质力学原理对矿区的构造应 力场进行了定性的分析，同时也验证了实测结果的可靠性：结合构造应力分析研究的结 果和地应力实际测量结果对矿区地应力场进行深入的综合研究，得到整个矿区的地应力 场分布规律。 最后，为了更好地了解大同煤矿现今地应力场状态，为设计提供依据，利用已获得 的各测点的地应力大小和方向，根据实测地应力资料、工程地质资料和数理统计理论， 利用a n s y s 软件，采用三维有限元建立矿区的地应力场分布模型，对矿区地应力场进 行反演模拟，并将有限元计算得到的计算值与实际测量值进行比较，再运用多元回归分 析寻优法进行了优化计算，使计算值与实际测量值之间的误差最小，得到最优解，从而 保证回归的地应力场最大限度地接近真实情况。 通过分析矿区的地应力分布规律，得到如下结论：大同矿区地应力特点是水平主应 力显著大于垂直主应力，侧压系数均大于1 5 ；最大水平挤压应力方向基本上为s e n w 向，但后期有所发展，均有向s s e - - n n w 转动的变化趋势，这种变化是对燕山构造运动 时期构造应力s e n w 水平挤压应力的继承和发展。这种地应力分布特征正是采矿工作 面和回风巷道( 顺槽) 形成冲击地压的力学原因。 关键词：地应力测量地质构造反演有限元数值模拟 北京科技大学硕士学位论文 m e 龇e m e mo f i n - s i t us t r e s sa n da n a l y s i so f r e g i o n a li n - s i t us t r e s sf i e l d a b o u td a t o n gc o a lm i n ei ns h a n x ip r o v i n c e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n ds p a c et e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r e u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gt e n dt ob eh u g e ra n db ep u ti n t od 啪n 蹦晌峰s 洲l 毋o f w a l l r o c ko f u n d e r g r o u n d 既i g i 珊：e r i i l gg r o w sm o l ea n dm o r e 托m 缸k a 柳ea n di sn o t i c e db yt h e o r i s t s a n da l 西1 1 胱慨t h ec r i t i c a lf a c t o ri st oa l l a l y z ea n dr e s e a r c ht h ei n - s i t us t r e s st h o r o u g h l yt os o l v e t h ep r o b l e m s t h i st h e s i si i l 舡i ) d i l c e st h eg a n e m l1 h 哆，t e c h n i q u e , p r o c e d u r ea n dr e s u l t so f i n - s i t us t r e s s m e a s u r e m e n ti nd a t o n gc o a lm i n ei ns h a n x ip r o v i n c e t h r o u g ht h em e a s m e n a e ma n da n a l y s i s o f 钯c t o n i c si nt h en f i n ea n di t sm r o u m u n g 咄n s ，t h es t r e s ss t a t ea n di t sd i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t i e sa r eq u a n t i t a t i v e l yo rq u a l i t a t i v e l yd e t e r m i n e d f i r s to f a l l , d i dt h ea 中d 如】c 虹ti ne v e r yp o i n ta n do b l a i n e dt h em a g n i t u d e sa n dd i l - e 血o n s o f r o c ks t r e s s o f e v e r y p o i n t t h r o u g h t h e a n a l y s i s a n d p r o c e s s o f d a t a s e c o n d l y o nt h eb a s i so f t h es l m c t m c a lg e o l o g yd a mo f t h en f i u e 锄龆a n dt h es m m m r a l m e c h a n i c sp r i n c i p l e ，t h es l r e s sf i e l do f t h em i n ea 蝴w a sq u a l i t a t i v e l ym 劫z e d m e a n w h i l e , t h e r e s e a r c hr e s u l t sw e r et e s t e da n dv e r i f i e d f i n a l l y u s e dt h er e s u l t so f a n a l y s i sa n dn m a 霸卫n l e n t t od oap r o f o u n da n ds y n t h e t i c a la n a l y s i so ft h es l r e s sf i e l d , a n do b t a i n e dt h ed i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t i e so f t h ew h o l em i n ea 髋 f i n a l l y , a a e ro b t a i m gt h em a g n i t u d e sa n dd i 蒯伽so f r o c ks t r e s so f e v e r yp o i n t , i no r d e r t ok n o wb e t t e rt h es t r e s sf i e l do fd a t o n gc o m i n ea r e a , t h i st h e s i sc r e a t e sf i l em o d e lo ft h e d i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e so ft h ew h o l em i n ea 僦a n dn 越i k e st h ec a l c u l a t i o nc o n s i d e r i n gt h e f a c t o r sw h i c he f f e c t sr o c ks t r e s sb yt h ed a t ao fg e o l o g ya n dt h et h e o r yo fd a t as t a t i s t i c sw i t h a n s y s t h e nc o m p a r et h ev a l u eo f c a l c u l a t i o nw i t ht h ev a l u eo f m 翩s i 矾啪a 氐哪曲：i l i z et h e v a l u eo f c 盈l c u l a t i o na n dm e a s u r e m e n ti nt h ew a yo f r e g r e s s i o nm u l t i v a r i a t ea n a l y s i st od e c r e a s e t h ed i f f e r e n c eo f t h et w oa n dt og e tt h eb e s ta n s w e r s , s oa st oa n s 睇t h a tt h er e g r e s s i v es t r e s s 丘e l di sc l o s et ot h er e a ls i t u a t i o n b yt h ea n a l y s i so ft h ei n - 萄t us t r e s sd i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e s ，t h i s t h e s i sm a k e st h e c o n c l u s i o no f t h ei n - s i t us t r e s so f d a u m gc o a ll n i l 砖a sf o l l o w s ：t h eh o r i z o n t a lp l i n c i 叫曲r e 璐 i sg r e a t e rt h a nt h ev e r t i c a lo n e , t h ec o c 伍d a n t so fl a t e r a lp r e s s u r ei na l lb o r e h o l e s 躺g r e a t e r t h a n1 5 ：t h eo r i e n t a t i o no f t h em a x i m u mm a i nh o r i z o n t a lp r m c i p a ls i i 七s sw a su e a r l ys e ，n w , b u tt r e n d st i 硷r o t a t i o no f s s e - n n ws u b s e q u e r r d y t h i sc h a n g ei st h eh e r e d i t ya n dd e v e l o p m e n t 2 北京科技大学硕士学位论文 o f t h es e 0 wh o r i z o n t a le x t r u s i o ns t r e s si ny a n s h a nt e c t o n i cm o v e - m e r i t t h e s ei n - s i t us l r e s s d i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e sa r ce x a c tt h em e c h a n i c a lr e a s o no fr o c k b u r s ti nw o r k i n gf a c ea n da i r r e t u r nt u n n e l k e yw o r d s ：i n - s i t us t r e s sm e a s u r e m e n t ；g e o l o g i cs t r u c t u r e ；r e g r e s s i v ea n a l y s i s ；f a f i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京科技 大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：董煎日期：型i ：星：2 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：童璐导师签名：垄丝造 日期：2 1 立：呈：丝 北京科技大学硕士学位论文 1 1 地应力研究的历史和现状及其分布规律 地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，是引起采矿、水利水电、土木 建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。 另外，地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、 岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也都具有重要意义。 随着矿山开采深度的不断增加，地应力对采矿工程的影响愈来愈严重，使得井巷工 程的支护更加困难，煤与瓦斯突出的可能性也随之增大，在某些地方还频频发生岩爆。 了解和研究煤矿地应力场的分布情况，通过地应力场分析，掌握地应力空间分布的基本 规律，通过计算模型研究开采顺序、采矿方法和围岩支护方式以及围岩应力集中与岩爆 的关系，优化开采顺序和采矿方法等，从而减少采矿工程围岩和露天边坡的破坏及危害， 预测预防岩爆形成的冲击地压，对整体提高采矿的经济效益和社会效益有着重要意义， 对采掘方式的选择与设计，巷道支护，瓦斯突出的防治也具有重要的参考价值。 1 1 1 地应力研究历史和现状 地壳岩体的天然应力状态是多种应力在一个地区以特定方式组合作用的结果，它取 决于该地区的地质条件和岩体所经历的地质历史。人们对于任何一个问题的认识，不仅 需要一个过程，而且也需要有一定的研究、测试手段。在这些条件具备之前，一个正确 而完整的概念是不可能建立起来的。长期以来，人们对于岩体天然应力状态的认识也是 如此，曾产生了多种观点；特别是随着地应力实测理论和方法的不断成熟，尤其是上世 纪中叶以来普遍使用的套孔应力解除法以及自上世纪8 0 年代以来迅速发展的水压致裂 法，丰富的资料和大量的研究成果，促使地应力场的研究产生了一个质的飞跃。 ( 1 ) 定性研究阶段 在研究的早期，人们为了解决与之有关的各类实际问题，往往以某些局部的资料或 某些理论为依据，提出一些观点或假说，研究地应力场的产生及其发育的规律。尽管有 些观点或依据不够完善，甚至包含着错误，但大都反映着该问题的某些侧面，了解它对 全面地认识问题是有益处的。 “静水应力式”分布的特点 北京科技大学硕士学位论文 1 9 1 2 年瑞士地质学家海姆( a h e l m ) 在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分 析，首次提出了地应力的概念【1 l ，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一 点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即自重应力。 1 9 2 6 年，苏联学者金尼克( a h g e n n i k ) 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中 各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力( 水平应力) 是泊松效应的结果，其 值为乒r 彳乘以一个修正系数。他根据弹性力学理论，认为这个系数等于p ( 1 一们，其中p 为上覆岩层的泊松比。 以上两个观点实际上是一致的，海姆假设和金尼克的弹性理论计算法仅仅适应一定 的场合，而不是初始地应力场分布状态的普遍规律，因为构造运动及其他地质作用不仅 改变了岩体的结构，而且也使岩体中的地应力状态发生变化；此外，绝大多数自然岩体 均为各向异性非均质体，所以第一种地应力的成因观点的条件是很少满足的。大量的地 应力测量结果表明，水平正应力与垂直应力的比经常大于1 ，并且水平正应力也不是地 应力的最大主应力呒，最大主应力q 与区域的构造关系密切，也不是水平方向的( 一般 与水平面呈锐角) 。这些均与岩体中地应力的自重力成因矛盾。 垂直应力为主的观点 此观点认为：岩体内的应力主要是重力场作用下形成的白重应力。1 9 5 2 年，t e r z a g h i 和r i c h a r t 提出了如下的岩石应力计算方法：在地质上未受扰动区域内的沉积岩，若岩层 是由许多水平层组成的，且水平尺寸保持不变，则侧向的水平应力以与正，相等。 水平应力为主的观点 许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明地壳中水平应力的存在。事实上，早在上世 纪2 0 年代，我国地质学家李四光就曾预言，在许多地质构造中水平应力可能高于垂直应 力，并认为这种现象在很大程度上归因于地球旋转，尤其是旋转速度周期性变化有关的 角动量田。他指出：“在构造应力的作用仅影响上层一定厚度的情况下，水平应力分量 的重要性远远超过垂直应力分量。”阿说明地壳运动是以水平运动为主，应力场是以水 平应力为主导。己有的大量实测资料表明，世界上大多数地区地壳岩体内的天然应力状 态是以水平应力为主。 其它的一些观点 1 9 5 8 年，哈斯特( n h a s t ) 首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量的工作，发 现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平主应力一 般为垂直应力的1 - - - 2 倍，甚至更多；在某些地表处，测得的最大水平应力高达7 m p a 。这 就从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点p 一。 北京科技大学硕士学位论文 后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以 水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近次的构造 运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来，地球经历了无数次大小小 的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造。另外，地应力场 还受到其他多种因素的影响，因而造成了地应力状态的复杂性和多变性。即使在同一矿 区，不同点的地应力状态也可能是很不相同的。 在哈斯特假设提出以后的几十年时间里，对初始地应力所作的研究工作大多属于定 性研究的范畴，例如将初始地应力场区分为自重应力场、构造应力场、温度应力场和地 磁应力场，分析它们的影响因素，以及研究水平地应力和垂直地应力之间的数量关系， 即侧压力系数的变化特征。 ( 2 ) 定量研究阶段 近2 0 年来，随着计算机技术和数值计算分析方法的进步，使得进行大型的数值模拟 及计算成为可能，岩体初始地应力场的研究开始进入到定量研究的阶段，各种数值计算 方法不断涌现。 在近期研究中建立的初始地应力定量计算方法，大多是以某些位置的初始地应力实 测值为依据的数值拟合分析计算方法，这些数值拟合计算分析方法主要以分析工程所在 区域局部范围的初始应力场为目标，由于初始地应力场的分布规律比较复杂，已有经验 不能为大范围内进行初始地应力场的分析计算建立比较合理的力学模型。当局限在较小 范围内进行初始地应力场的数值分析时，计算区域的边界应力可简单地假设为均布应力 或只是线性规律变化的应力等。这类问题的计算可简化为边值问题，求得边界应力量值 后，即可得出整个计算区域的初始地应力值1 6 ，”。 1 9 8 2 年白世伟、李光煌等提出边界荷载调整法，该方法建议在工程地点按有限元计 算水平荷载。用有限元方法求在这一水平分布荷载及自重作用下的应力场。对边界荷载 做逐步调整，使得有限元方法求得的应力场在给定几个观测点位置等于或接近地应力的 观测值，则所得的应力场即可作为初始地应力场。但因为边界荷载的调整没有可遵循的 规律，难以保证计算过程逐步收敛到所求值，该方法的使用并不广泛。 1 9 8 4 年水利水电科学研究院张有天、胡惠昌提出“地应力场的趋势分析法”，该方 法用四次多项式应力函数根据少数测点及地表边界条件对地应力场进行计算，并推导了 相应的公式，虽然该方法简便可行但四次应力函数只能描述二次应力张量场，当地形起 伏变化大，地质上有断层破碎带，应力变化剧烈甚至不连续，这时只能用高阶的应力函 北京科技大学硕士学位论文 数。此外，若岩性比较单一，用趋势面分析法甚为便利，但若研究区域中有几种介质， 采用此法时则应分区拟合，并保证界面上的连续，这就增加了复杂性。 1 9 9 6 年武汉水利电力大学朱焕春等提出了“河谷地应力场的数值模拟方法”，该方 法以河谷地应力场的成因为基础，采用三维弹塑性有限元和正交设计理论相结合的手段， 实现了对河谷区三维地应力场的数值模拟和对测点处地应力测量结果代表性的评价。 在数值拟合分析方法研究取得进展的同时，理论反演分析方法研究也有所进展，其 与数值拟合方法的区别在于反演分析建立计算过程的依据是直接由连续介质力学推导得 出的关系式，而不是单纯的数值拟合，实践中可供工程所在地进行初始地应力研究采用 的则主要是位移反分析法和应力反分析法。 1 9 8 3 年冯紫良发表“初始地应力的反推原理”，提出了初始地应力位移反分析计算 的有限元计算原理，包括弹性问题计算的基本关系式，以及弹塑性问题计算的数值处理 技术等。1 9 8 5 年杨林德、黄伟等发表的“初始地应力位移反分析计算的有限单元法”， 建立了平面应变弹性问题和弹塑性问题反演计算的有限单元法的具体计算方法。上述的 方法均为理论位移反演分析法。 由于进行区域初始地应力场研究的应力反分析法属于空间问题，目前取得成果比较 少。1 9 8 3 年天津大学郭怀志、马启超等发表“岩体初始地应力场的分析方法”，文中采 用了三维空间的力学模型为基础的理论应力拟合方法，并在计算过程中引入数理统计中 的多元回归分析原理，取得了较好的结果。同济大学的冯紫良教授在小湾电站初始地应 力场的回归分析中将这一方法做了进一步的发展，对初始地应力的实测值引入了可考虑 各因素综合影响的加权系数，使分析更为合理。1 9 9 4 年水利水电科学院朱伯芳院士在郭 怀志教授的基础上做了改进，把自重应力作为已知值，在地应力反分析中，只反演构造 应力，但其只从理论上做了解释。 1 9 9 6 年北京科技大学的蔡美峰、于波、乔兰等根据地应力实侧数据，使用灰色建模 理论建立了矿区地应力分布规律的模型，并应用于峨口铁矿，与水压致裂法和应力解除 法两种方法所获得的测量值比较，服从相同的分布规律，具有良好的一致性。 在国外，日本的樱井春辅提出了位移应变反馈方法确定初始地应力与地层弹性参 数的有限元法。大爆正幸在提出的位移预报法中涉及了初始地应力的反演确定，对圆形 洞室的粘弹性问题提出了解析法，其比较实用的近似方法同时考虑了洞室开挖的空间效 应和对位移量澳4 结果的影响，不足之处是在理论分析中首先假定了初始地应力场的分布 规律符合海姆假设，使适用场合受到限制。除日本外，美国、意大利等国的学者对位移 反演理论也早有研究，其中美国学者古德曼( r e g o o d m a n ) 在7 0 年代出版的岩石力学 北京科技大学硕士学位论文 专著中已提到可依据位移量反算初始地应力，意大利学者焦德( g i o d a ) 从事位移反演理 论研究多年，并已取得系列成果，包括提出了可同时确定初始地应力和地层特性参数的 优化反演分析理论。 1 1 2 地应力分布的一些基本规律 通过理论研究，地质调查和大量地应力测量资料的分析研究，已初步认识到浅部地 壳应力分布的一些基本规律 墨卿。 ( 1 h 也应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时问和空间的函数。岩体现 今应力场是它在地质历史动态演变过程中现阶段相对稳定的表现，它不仅与现今地质条 件如岩性、地质构造等密切相关，而且受历史地质作用过程的影响。 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小 和方向是随着空间和时间而变化的，因而它是个非稳定的应力场。 地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的，从一个矿山到另一个 矿山，从某一点到相距数十米外的另一点，应力的大小和方向也是不同的。但就某个地 区整体而言，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西 到近于东西的主压应力。 ( 2 ) 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 对实测垂直应力统计资料的分析表明，在深度为2 5 2 7 0 0 m 的范围内，其值呈线性 增长，大致相当于按平均容重计算出来的重力值。但在某些地区的测量结果有一定幅度 的偏差，除了有一部分可能归结于测量误差外，板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不 均匀膨胀等也都可引起垂直应力的异常。从我国实测资料看，实测垂直应力普遍大于上 覆岩层自重，这可能是因为我国测点普遍在地壳较浅处( 2 0 0 米左右) 的缘故【“。 值得注意的是，在世界多数地区并不存在真正的垂直应力即没有一个主应力的方向 完全与地表垂直。但在绝大多数测点都发现有一个主应力接近于垂直方向，其与垂直方 向的偏差不大于2 0 0 。这一事实说明，地应力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其 它因素的影响。 ( 3 冰平应力普遍大于垂直应力 实测资料表明，在绝大多数( 几乎所有) 地区均有两个主应力位于水平或接近水平 的平面内，其与水平面的夹角一般不大于3 0 。最大主应力位于水平方向，其值一般为垂 直应力的1 5 2 5 倍。垂直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力， 只在个别情况下为最大主应力。这再次说明，水平方向的构造运动如板块移动、碰撞对 地壳浅层地应力的形成起控制作用。 北京科技大学硕士学位论文 ( 4 坪均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度 很不相同。实测结果表明，在深度不大的情况下，o - h 。吒的值相当分散，随着深度增 加，该值的变化范围逐步缩小，并向l 附近集中，这说明在地壳深部垂直主应力将逐渐 占主导地位，并有可能出现静水压力状态。 ( 5 ) 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。与垂直应力不同的 是，在水平主应力线性回归方程中的常数项比垂直应力线性回归方程中常数项的数值要 大些，这反映了在某些地区近地表处仍存在显著水平应力的事实。 ( 6 ) 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。 ( 7 ) 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力 学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。 另外地形对原始地应力的影响是十分复杂的。在具有负地形的峡谷或山区，地形的 影响在侵蚀基准面以上及其以下一定范围内表现特别明显。一般来说，谷底是应力集中 的部位，越靠近谷底应力集中越明显。最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两 岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面相平行。近地表或接近谷坡的岩体，其地应 力状态和深部及周围岩体显著不同，并且没有明显的规律性。随着深度不断增加或远离 谷坡则地应力分布状态逐渐趋于规律化，并且显示出和区域应力场的一致性【l l 】。 在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动。断层端部、拐角处及 交汇处将出现应力集中的现象。端部的应力集中与断层长度有关，长度越大，应力集中 越强烈，拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关。当最大主应 力的方向和拐角的对称轴致时，其外侧应力大于内侧应力。由于断层带中的岩体一般 都比较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以成为应力降低带，其最 大主应力和最小主应力与周围岩体相比均显著减小。同时，断层的性质不同对周围岩体 应力状态的影响也不同。压性断层中的应力状态与周围岩体比较接近，仅是主应力的大 小比周围岩体有所下降，而张性断层中的地应力大小和方向与周围岩体相比均发生显著 变化1 2 1 。 1 2 地应力测量原理和方法 由于地应力状态的复杂性和多变性，即使在同岩层，同一水平，不同点的地应力 状态也可能差异很大，因此单单依靠数学计算或其它方法的推钡i 不可能获得地应力的精 确数据，要了解某一地区的地应力状态，唯一的办法就是进行现场地应力实测1 3 ，1 4 1 。 北京科技大学硕士学位论文 根据近三十年实测与理论分析证明，地应力场是一个具有相对稳定的非稳定应力场， 原岩应力状态是岩体工程的空间与时间的函数。但是除少数构造活动带外，时间上的变 化可以不予考赳1 5 1 。 目前世界上大约有二十多个国家开展了地应力工作，其中美国、南非、澳大利亚、 瑞典等国家都进行了大量的地应力测量的试验和研究工作，取得的成果也比较显著，其 主要测量方法有数十种之多，测量仪器也有数百种之多。一些著名的研究单位都以自己 研制的仪器进行了实地测量和研究，如瑞典岩石应力测量实验室( r s m ) ，南非科学和 工业研究委员会( c s i r ) ，美国矿务局( u s b m ) 等。 我国地应力测量的试验和研究开始于上世纪6 0 年代。1 9 6 4 年，在陈宗基教授的带 领下，中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次地应力解除测量， 测量深度为8 0 m t 阍。我国著名科学家李四光教授对地应力测量工作也十分重视，在他的 倡导下，1 9 6 6 年3 月在河北省上尧县建立了全国第个地应力观测站。1 9 8 0 年1 0 月， 首次水压致裂应力测量试验在河北易县进行，以后又在华北、西南等地进行了多次的现 场实测他”一9 1 。 近年来，我国科研工作者进行了大量而又广泛的地应力测量工作，丰富的地应力实测 资料不仅为工程设计提供了可靠的依据，而且对中国大陆浅层地壳应力的分布规律有了 初步的认识。测量结果表明，中国大陆地区地应力状态有下列明显的分区特点：华北地区 以太行山为界，东西两个区域有较大差别，太行山以东的华北平原及其周边地区，其最 大主压应力的方向为近东西向，而太行山以西最大主压应力的方向则为近南北向。秦岭 构造带以南的华南地区，最大主压应力的方向为北西西至北西向。东北地区主压应力方 向以北东东向为主。西部地区测得的最大主压应力以北北东向为主，个别为近南北向。 在滇西南北构造带上，小江断裂带附近最大主压应力的方向为近东西向，从此断裂带向 西，包括澜沧江断裂以北、鲜水河断裂以南地区，最大主压应力的方向逐渐转为北西向 或北北西向。地应力值的大小在我国东、西部地区也是不同的，般来说西部地区大于 东部地区 6 , 2 0 - 2 2 1 。 1 2 1 地应力测量基本原理 地应力测量就是要确定存在于地层或岩体中的未受扰动的原始三维应力状态，这种 测量通常是通过一点一点的量测来完成的嘲。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标 系中的六个分量( 啦，毋，西，钿，酝，毛) 来表示，如图l - 1 所示。 北京科技大学硕士学位论文 0 图1 - 1 岩体中任一点三维应力状态示意图 这种坐标系是可以根据需要和方便任意选择的，但一般取地球坐标系作为测量坐标 系，由六个应力分量可求得该点的三个主应力的大小和方向，这是唯一的。在实际测量 中，每一测点所涉及的岩石可能从几立方厘米到几千立方米，这取决于采用何种测量方 法。但不管是几立方厘米还是几千立方米，对于整个岩体而言，仍可视为一点。虽然也 有一些测定大范围岩体内的平均应力的方法，如超声波等地球物理方法，但这些方法很 不准确，因而远没有“点”测量方法普及。由于地应力状态的复杂性和多变性，要比较 准确地测定某一地区的地应力，就必须进行充足数量的“点”测量，在此基础上，才能 借助数值分析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法，进一步描绘出该地区的全部地 应力场状态。 为了进行地应力测量，通常需要预先开挖一些洞室，以便人和设备进入测点。然而， 只要洞室一开挖，洞室周围岩体中的应力状态就受到了扰动。有一类方法，如早期的表 面应力恢复法的代表扁千斤顶法以及表面应力解除法的代表中心钻孔法、平行钻孔法就 是在岩体洞室表面进行应力测量，然后在计算原始应力状态时，再把洞室开挖过程引起 的扰动作用考虑进去。由于这些表面应力测量只能测量岩体表面的一维或二维应力状态。 而这种应力状态也受到开挖扰动影响，并非原岩应力。而且，岩体表面因开挖会受到不 同程度的破坏，使它们与未受扰动的岩体的物理力学性质大不相同。同时洞室开挖对原 始应力场的扰动也是十分复杂的，不可能进行精确的分析和计算。所以这类方法得出的 北京科技大学硕士学位论文 原岩应力状态往往是不可靠的，甚至是完全错误的。为了克服这类方法的缺点，另一类 方法是从洞室表面向岩体中打小孔，直至原岩应力区，地应力测量是在小孔中进行的【2 4 】。 由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的，这就保证了测量是在原岩应力区中 进行。这类方法称为“钻孔测量法”，目前普遍采用的应力解除法和水压致裂法均属此 类方法嘲。 1 2 2 地应力测量方法简介 地应力的测量方法并没有统一的分类标准。有人根据测量手段的不同，将在实际测 量中使用过的测量方法分为五大类，即：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。 也有人根据测量原理的不同分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、 水压致裂法、声发射法、x 射线法、重力法共八类。但根据国内外多数人的观点，依据 测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。 直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平 衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过 程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁 千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致 裂法在目前的应用最为广泛，声发射法次之刚。 在间接测量法中，不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些介质，测量 和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密 度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间 接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了 计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。 套孔应力解除法和其它的应力或应变解除方法以及地球物理方法等是间接法中较常用 的，其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方 法印。 ( 1 ) 水压致裂法 水压致裂法地应力测量，是二十世纪7 0 年代发展起来的能够测量地壳深部应力可靠 而有效的方法。该方法是1 9 8 7 年国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力 建议方法中所推荐的方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔地应力测量的先进 方法嘲。 2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，费尔赫斯特和海姆森最早将水压致裂法用于原位地应 力测量网。7 0 年代后期，李方全等人将这一方法引入我国嗍。该方法无需知道岩石的力 北京科技大学硕士学位论文 学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可在任意深度进行连 续或重复测试、测量速度快、测值稳定可靠等特点，因此近年来发展很快，并取得了大 量的成果。 但是水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，亦即平行于最大 主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。如果孔壁本来就有天然 节理裂隙存在，那么初始裂痕很可能发生在这些部位，而并非切向应力最小的部位。因 而，水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。 ( 2 ) 套孔应力解除法 套孔应力解除法是发展时间最长，技术上比较成熟的一种地应力测量方法。应力解 除法是把原始岩体视为处于一定应力状态下的理想弹性体，此时岩体已有一定的弹性变 形，通过套取岩芯的方法解除测量点的应力，通过测试解除应力前后的变形反算原岩应 力【3 ”。在测定原岩应力( 绝对应力) 的适用性和可靠性方面，目前还没有哪种方法可以 和应力解除法相比【1 0 l 。 1 9 4 9 年，奥尔森( o l s o n ) 将一组应变片粘贴在岩石的表面，然后用个大口径的薄 壁钻头垂直于岩石的表面打钻套孔，使应变片周围的岩石和岩石母体相割离，从而解除 了岩体应力对应变片周围岩石( 即套孔岩芯) 的作用，并由此引起套孔岩芯的变形。如 果套孔前岩体处于压缩状态，则套孔后套孔岩芯将产生膨胀；如果套孔前岩体处于拉伸 状态，则套孔后套孔岩芯将产生收缩，应变片将测得岩石表面的这种变形。根据测得的 变形，可以计算出岩体表面在套孔前所受的应力状态。这是人类第一次将应力解除法用 于岩体应力测量【3 2 】。 目前，套孔应力解除法已形成一套标准化的测量程序，具体步骤如图l - 2 。 从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、峒室或其它开挖的表面向岩体内部打大 孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔直径为下一步即将打的用于安装探头的d , ：y l 直 径的3 倍以上，小孔直径一般为3 6 , - , 3 8 m m ，因此大孔直径一般为1 3 0 - , 1 5 0 r a m 。大孔深 度为巷道、隧道或己开挖峒室跨度的2 5 倍以上，从而保证测点是未受岩体开挖扰动的 原岩应力区。 用平钻头将孔底磨平，并用锥形钻头打出喇叭口，然后从孔底打直径为3 6 m m 的 同心小孔，小孔深3 2 , - 4 0 c m 。喇叭口对保证小孔的同心度及下一步使空心包体应变计能 顺利进入小也将起重要作用，因此必须保证喇叭口的质量。小孔打完后用水冲洗干净， 并将用丙酮浸泡过的擦拭头送入小孔中来回擦洗，以彻底清除小孔中的油污和其他脏物。 北京科技大学硕士学位论文 7 睦 f l l f - - 安 li l e 6 6 a - - a a j ：口_ _ _ - 。一 旨m _ _ 日_ _ 啪 图1 - 2 应力解除法测量步骤示意图 将粘结剂( 环氧树脂) 和固化剂按比例混合，搅拌均匀后注入应变计空腔内，用 插销固定好柱塞，然后用带有定向器的安装杆将其送入小孔中预定位置。待应变计前部 的锥形头碰到小孔底后，用力推安装杆，以切断插销，使柱塞进入空腔内，空腔内的胶 结剂通过柱塞中心孔和后部的径向孔流入应变计和钻孔壁之间的环状间隙中。应变计两 端的密封圈将阻止胶结剂从此间隙中流出。当胶结剂固化后，应变计即和小孔紧密胶结 在一起。 待胶结剂固化后( 一般需要2 0 小时左右) ，即可进行应力解除试验。应力解除前 首先将应变计的导线电缆从岩芯管、钻杆及其后部的水线三通管穿出，接入电桥转换装 北京科技大学硕士学位论文 置中。然后用直径为1 3 0 m m 的薄壁钻头继续延深大孔，使应变计周围的岩石逐渐与围岩 脱离，从而实现套孔岩芯的应力解除。应力解除过程中，应变计中各应变片所测得的应 变值由电桥转换装置和数据采集器自动记录下来。根据指令，每进尺2 a n 记录一次应变 数据，同时记录一次热敏电阻的读数。 应力解除完成后，谶- t h l 算机将数据采集器贮存的应变数据打印出来，并据此绘制 出应力解除曲线，即各应变片的应变值随应力解除深度变化的曲线。 根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围的原岩应力状态( 即地 应力) 。 从理论上讲，不管套孔的形状和尺寸如何，套孔岩芯中的应力都将完全被解除吲。 但是，若测量探头对应力解除过程中的小孔变形有限制或约束，它们就会对套孔岩芯中 的应力释放产生影响，此时就必须考虑套孔的形状和大小。般来说，探头的刚度越大， 对小孔变形的约束越大，套孔的直径也就需要越大。对绝对刚性的探头，套孔的尺寸必 须无穷大，才能实现完全的应力解除。这就是刚性探头为什么不能用于应力解除测量的 原因。对于孔径变形计、孔壁应变计和空心包体应变计等，由于它们对钻孔变形几乎没 有约束，因此对套孔尺寸和形状的要求就不太严格。一般只要套孔直径超过小孔直径的 3 倍以上即可。 3 ) 声发射法 上世纪5 0 年代，德国入凯泽( j k a i s e r ) 发现多金属的应力从其历史最高水平释放 后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到 或超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象称作凯泽效应。从很少产生声发 射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应 力。后来，许多人通过试验证明，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、安山岩、辉长 岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应p l 。 凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件， 通过对不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，由应力一声发射事件数( 速率) 曲线， 即可确定每次试验的凯泽点，从而获得每个试件方向以前所受的最大应力，并进而求出 取样点的原始( 历史) 三维应力状态。 声发射法所给出的是岩石曾经承受过的最大地应力，而其它应力测量方法给出的是 岩石正在承受的应力，通过对两者的对比，能了解地应力的变动趋势，进而为构造应力 场的研究提供新的资料。 北京科技大学硕士学位论文 大同煤田位于山西地台北端，吕梁山北部的黄土高原，四周为强烈上升的中高山地 形，西北为牛心山，西南为洪涛山，西面为西石山，东南为口泉山，东北为雷公山，呈 北东南西方向不对称向斜构造，东南翼窄，地形及构造复杂；西北翼宽广，地层平缓。 煤田中部为一广阔起伏的低山丘陵台地，沟谷发育，相对高差2 0 0 3 0 0 m 3 5 】。 煤田内沉积岩厚度达数百米，从地表第四系至煤层基底，均为泥质岩和碎屑岩相问 成层，岩石胶结致密，裂隙少，且纵横方向上连通性差，影响了含水层的发育及相互间 的水力联系，加之降水量少，又无常年性地表迳流及大型她表水体，因此，地下水补给 来源贫乏，岩石含水性从上至下逐渐变弱，中深部、深部的石盒子组、山西组、太原组、 本溪组地层含水性较弱【3 习。 1 3 1 地层特征 本井田地层出露较全，自下而上为：奥陶系下统、石炭系中统本溪组和上统太原组， 二叠系下统山西组，侏罗系下统永定庄组、中统大同组和云岗组，以及第四系。太原组 和大同组是主要的含煤地层，山西组和云岗组亦含薄煤层或煤线。现将各地层由老至新 概述如下1 3 5 j ： ( 1 ) 奥陶系下统( 0 1 ) ：在本井田东部边缘有出露，厚度大于5 0 6 米以绿灰色