第七章 地应力测量方法(11.13)

1、7.1 应力恢复法7.2 应力解除法7.3 水压致裂法第七章第七章 地应力测量方法地应力测量方法一、基本原理一、基本原理 应力恢复法又称扁千斤顶法，可以在地下巷道岩壁中量测天然应力。7.1 应力恢复法应力恢复法扁千斤顶试验装置 7.1 应力恢复法应力恢复法 在地下巷道洞壁上布置一对或若干对测点，每对测点间的距离视所采用的引伸仪尺寸而定。一般每对测点间的距离为15cm左右。 在两测点之间中线处，用金钢石锯切割一道狭缝槽。由于洞壁岩体受到环向压应力的作用，在狭缝槽切割后，两测点间的距离就会从初始值 d0 减小到 d 。 把扁千斤顶塞入狭缝槽内，并用混凝土充填狭缝槽，使扁千斤顶与洞壁岩体紧密胶结在一

2、起。 对扁千斤顶泵入高压油，通过扁千斤顶对狭缝两壁岩体加压。使岩壁上两测点的间距缓缓地由 d 恢复到d0。这时扁千斤顶对岩壁施加的压力pc，即为所要测定的洞壁岩体的环应力值。 二、仪器设备二、仪器设备 扁千斤顶、油泵、凿岩机、引伸仪三、操作步骤三、操作步骤1、在巷道岩壁上布置几对测点，每对测点间安装引伸仪，测定距离d0。2、在两测点之间的中线处，用金钢石锯切割一道狭缝槽。3、把扁千斤顶塞入狭缝槽内，并用混凝土充填狭缝槽，使扁千斤顶与洞壁岩体紧密胶结在一起。4、对扁千斤顶泵入高压油，通过扁千斤顶对狭缝两壁岩体加压。使岩壁上两测点的间距缓缓地恢复到d0，观测扁千斤顶对岩壁施加的压力pc。5、在巷道

3、顶部再进行一次测量。6、由两次测量的结果计算天然应力值。7.1 7.1 应力恢复法应力恢复法7.2 应力解除法应力解除法一、基本原理一、基本原理 在钻孔中安装变形或应变测量元件，通过量测套芯应力解除前后，孔壁表面应变变化值来确定原始应力的大小和方向。 所谓套心应力解除是用一个较测量孔径更大的岩芯钻，对测量孔进行同心套钻，把安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天然受力状态。 由套孔应力解除引起的钻孔应变和变形可由孔径变形计、孔底应变计、孔壁应变计和空芯包体应变计进行测量。 其中，孔径变形计和孔底应变计基本上是一种二维应力测量方法，要确定一点的三维应力状态需进行交会于一点的、互不

4、平行的三个钻孔的应力解除测量。 孔壁应变计和空心包体应变计则只要通过一个孔的应力解除测量就能确定一点的三维应力状，因而得到了广泛的应用。在三维应力场作用下，一个无限体中钻孔表面岩石及其周围的应力分布状态可以由现代弹性理论给出精确解。通过应力解除测量钻孔表面的应变，即可求出钻孔表面的应力，并进而精确地计算出原岩应力的状态。 空芯包体应变计的主体是一个用环氧树脂制成的壁厚3mm的空芯圆筒，其外径为36mm，内径为30mm。 在其中间部位，即直径35mm处沿同一圆周等间距（120o）嵌埋着三组电阻应变花。每组应变花由四支应变片组成，相互间隔45o。制作时，该空芯圆筒是分两步浇注出来的。 第一步，浇注

5、直径为35mm的空芯圆筒，在规定位置贴好电阻应变花后，再浇注外面一层，使其外径达到36mm。在应力计的顶部有一个补偿应变片，以消除温度变化对测量结果的影响。 空芯包体地应力计结构空芯包体地应力计结构7.2 7.2 应力解除法应力解除法BACCBACBA应变计电缆2.安装杆3.连接销4.封闭圈5.环氧树脂6.空腔（内装粘结剂）7.电阻应变花8.固定销9.应变计与孔壁间空隙10.活塞岩石钻孔12.出胶小孔13.封闭圈14.导向头空心包体地应力测量原理与方法 岩体中一点的应力状态可由选定坐标系中的六个分量来表示。现场测量原始地应力，就是通过现场测试确定岩体的三维应力状态。一般情况下，地应力的六个应力

6、分量是非零的，处于相对静止的平衡状态，无法直接得知。因此，任何一种实测方法都是通过扰动（通常的方法是打钻孔），打破原有状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态的过程中，通过对应力效应的间接测量来实现。 一点的应力状态（六个应力分量） 7.2 应力解除法应力解除法 力或应力最直观的物理效应是产生应变和位移。可以通过应变和位移传感器将岩体应变和位移的变化记录下来，取得测量数据。根据岩石的本构关系即应力-应变关系，建立相应的力学计算模型，由观测到的应变或位移，就能计算出地应力的六个分量或者三个主应力的大小和方向。 应力解除技术，是改变岩体应力状态，使岩体产生应变响应的简捷方法。所谓钻孔应力解除技术，就是

7、将一段岩石通过取芯（套芯技术）从周围岩体施加给它的应力场内隔离开来的方法 。地应力测量钻孔结构示意图 7.2 应力解除法应力解除法7654321空芯包体应变法应力解除过程示意图空芯包体应变法应力解除过程示意图 1打大孔；2磨平大孔底；3打锥形孔；4打小孔；5装包体；6应力解除过程；7折断带包体岩芯7.2 应力解除法应力解除法安装空芯包体探头的定位器 岩芯弹模和泊松比的率定器 仪器设备仪器设备1、钻机2、金刚石钻头 （包括小口径、大口径钻头）3、空心包体应变计4、导向器5、电阻应变仪1、在测点所在巷道壁上打130150mm的水平钻孔，孔深为巷道跨度的35倍，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。具

8、体解除位置由钻孔岩心的情况决定，钻孔稍向上倾斜（1 3）以便于排水并易于清洗钻孔。2、用平钻头将孔底磨平，并用锥形钻头打出喇叭口，然后从孔打直径为36mm的同心小孔，小孔深35 40mm。小孔打好后，用水冲洗干净，再用酒精或丙酮浸泡过的擦拭头送入小孔来回擦洗，以彻底清除小孔中的油污和其他杂物。3、安装应立计。在安装应力计之前做好准备工作，包括粘结剂的配制，钻孔深度的计算，安装深度的控制等。准备工作就绪后，将粘结剂注入应力计的内腔，固定好柱塞，用带有定向器的安装杆将空心包体应变计送入小孔中的预定位置，推断固定销，使粘结剂从应力计内腔挤出进入应力计与小孔之间的间隔中以便胶结。7.2 7.2 应力解

9、除法应力解除法4、待胶结剂固化后（一般需要20h左右)，即可进行应力解除试验。在解除之前，将应力计电缆依次从岩心管、钻杆及其后部的水电三通管穿出，接上电阻应变计，并对电阻应变计进行调零。然后用直径为130mm的薄壁钻头继续延伸大孔，在套心过程中进行监测，每隔2cm读数一次，记录应变计读数和热敏电阻读数。待读数不随进尺变化时（大约为钻头超过应力计中心45cm)停止套芯。套芯结束后，取出带有应力计的岩芯。7.2 7.2 应力解除法应力解除法地应力分量与方向的计算 设地下某一点的应力为，主应力大小为，与大地坐标系XYZ关系用9个方向余弦或9个夹角值可以完全确定。但在实测中，钻孔与岩层、与大地坐标总会

10、呈某一角度（仰角或俯角）。设xyz为钻孔坐标系，在该坐标系下的地应力是实测地应力。由此，只要有了两套坐标系的相对关系和实测地应力的的全部分量，通过坐标变换就可得到XYZ坐标下的应力分量，并由此求得主应力的大小和方向。 由空芯包体应变计所测量应力解除过程中应变数据计算地应力的公式为： 式中： 分别是空芯包体应变计所测周向应变、轴向应变和剪切应变值。2sin22cos)(1 (2)(14221kkkEzxyxyyx)(1yxzzE3)sincos)(1 (4kEzxyzzzz,7.2 应力解除法应力解除法7.2 应力解除法应力解除法 二、徐州矿区工程地质条件二、徐州矿区工程地质条件 徐州矿区处于苏

11、鲁豫皖四省交界的徐州市境内，矿区总面积2094km2，含煤面积361.3 km2，煤系地层系石炭二叠纪。目前生产矿井11对，分布在东部、西部和北部，主采煤层为下二叠系下石盒子组1、2、3层煤，山西组7、9层煤和上石炭系太原组20、21层煤，详见徐州矿区东部和西部矿井分布图。 东山省义安矿新河矿卧牛井夹河矿张小楼井张集矿庞庄矿诧城矿马坡井贾旺韩桥矿韩桥井三号井青山泉矿董庄矿旗山矿权台矿大黄山矿新河井夏桥井京铁路杭大运河京陇海铁路云龙湖黄故陇海铁路江苏省安徽省徐州市区二号井东城井河道徐矿集团孔庄矿三河尖沛县枣庄市区微山湖沪徐州矿区各煤矿位置分布图2.1 2.1 旗山煤矿工程地质条件旗山煤矿工程地质

12、条件 旗山井田位于贾汪潘家庵含煤盆地的东南部，为全隐蔽煤田，旗山煤矿生产能力在150万t/a以上。开拓方式为立井多水平分区式上下山开采目前主采水平为-850m，正在向-1000m延伸。-1000北翼轨道联络大巷和-850联络胶带下山是本次地应力测量的选点位置。 u 地层岩性地层岩性 第四系第三系二迭系石炭系奥陶系旗山煤矿地层结构简图u地应力测量巷道顶底板岩性地应力测量巷道顶底板岩性 旗山矿地应力测量1号孔位于-1000水平北翼轨道联络大巷，本巷道为一穿层巷道，不牢河向斜轴斜穿巷道中部。根据巷道实测剖面图，巷道揭露岩性主要为砂质泥岩、泥岩和砂岩。围岩节理发育，受断层影响，围岩比较破碎。1号测点1

13、03610261018.710.39.117.48岩性描述埋深(m)厚度(m)柱状泥岩，泥质结构，致密，断口平坦，性脆，含植物化石碎片砂岩，灰白色，成分以石英长石为主，中粒，小蜂窝状泥岩，灰色泥质结构，致密，含黄斑281064砂泥岩，灰色，砂泥质结构，中部夹有粉细砂岩旗山煤矿-1000水平北翼轨道联络大巷测点局部柱状图灰色砂泥岩，夹大量砂岩块，局部以砂岩为主泥岩，泥质结构，致密，断口平坦，底部滑面发育，含不清晰水草化石964.0945.8938.418.27.425.9岩性描述埋深(m)厚度(m)柱状灰色砂岩，细粒结构，上部中粒，以石英为主，层面夹黑色炭纹，蜂窝状2号测点 旗山矿地应力测量2号

14、孔位于-850北翼联络胶带下山 ，揭露岩性主要为砂质泥岩、泥岩和砂岩。旗山煤矿-850北翼联络胶带测点局部柱状图2.2 2.2 夹河煤矿工程地质条件夹河煤矿工程地质条件 夹河煤矿是徐州矿务集团的主要生产矿井之一，位于徐州市西北九里区内，生产能力在120万t/a以上。开拓方式为立井多水平分区式上下山开采，地面标高为+37+43m，目前主采水平为-800m和 -1010m水平。本次地应力测量的选点位置在-1010皮带暗斜井石门和-1010回风暗斜井。 u地应力测量巷道顶底板岩性地应力测量巷道顶底板岩性 地应力测量的1、2号孔均位于-1010水平7煤底板，根据巷道实测剖面图，巷道揭露岩性主要为砂质泥

15、岩、泥岩和砂岩。围岩节理发育，受断层影响，围岩比较破碎。沉积不稳定的可采中厚煤层沉积较稳定的可采中厚煤层灰白色中细粒石英、长石砂岩，具有交错层理，局部含泥质条纹，裂隙节理发育9煤砂岩7煤砂岩2012.3柱状厚度(m)名称岩性描述23白色砂岩，具有水平或微波层理，坚硬致密1号测点夹河煤矿-1010胶带暗斜井石门测点局部柱状图20.8岩性描述名称厚度(m)柱状2.3120砂岩7煤砂泥岩9煤灰白色中细粒石英、长石砂岩，具有交错层理，局部含泥质条纹，裂隙节理发育沉积较稳定的可采中厚煤层沉积不稳定的可采中厚煤层灰白色砂泥岩，具有水平或微波层理，偶见砂岩2号测点夹河煤矿-1010回风暗斜井底平巷测点局部柱

16、状图18.4岩性描述名称厚度(m)柱状0.833砂岩9煤砂泥岩灰白色细中粒砂岩，坚硬，夹有页岩和炭纹，层理发育，局部有砂页岩互层黑色，半亮-光亮型，块状深灰-灰黑色泥岩或者砂质泥岩，局部含砂高，偶为细砂岩，致密性脆1号测点张小楼井地应力测点局部柱状图2.3 2.3 三河尖煤矿工程地质条件三河尖煤矿工程地质条件 三河尖煤矿位于徐州市沛县龙固镇境内，现主要开采山西组7、9煤层，南翼采区正在开拓过程中，生产能力在180万t/a以上。开拓方式为立井多水平分区式上下山开采，地面标高为+35m，目前主采水平为-700m和 -980m水平。本次地应力测量的选点位置在-980南翼回风巷和-700东四东轨。 u

17、地应力测量巷道顶底板岩性地应力测量巷道顶底板岩性 根据巷道实测剖面图，巷道揭露岩性主要为砂质泥岩、泥岩和砂岩。围岩节理发育，受断层影响，围岩比较破碎。 1号测点1015.91007.510007.66.74.8岩性描述埋深(m)厚度(m)柱状细砂岩夹粉砂岩粉砂岩细砂岩夹粉砂岩8.61025.9泥岩7.51033.4细砂岩夹粉砂岩三河尖煤矿-980南翼回风巷1#测点局部柱状图2号测点1016.11007.58.611.5岩性描述埋深(m)厚度(m)柱状细砂岩夹粉砂岩粉砂岩8.61024.7泥岩7.51032.2细砂岩夹粉砂岩三河尖煤矿-980南翼回风巷2#测点局部柱状图三、徐州矿区区域构造体系分

18、析三、徐州矿区区域构造体系分析 徐州矿区位于秦岭构造带的东延部分，新华夏系第2沉降带的东侧，第2隆起带的西侧，东邻郯庐大断裂带，本区受东西向和华夏方向构造体系的作用比较明显。3.1 3.1 区域构造背景区域构造背景 徐州矿区在区域地理位置上应该属于广义的徐淮地区，包括从山东省台儿庄经江苏徐州、安徽淮北并向东南至定远县城以北。这是一个北部完整、南部断续相连的半圆形造山带。它位于东北部的胶南苏北造山带和南部大别山造山带之间，发育于中朝大陆板块，东边以郯城庐江大断裂带与扬子板块相接。通常将这个半圆形造山带的淮北以北部分称为“徐州弧” ，东部被郯庐断裂带截割，北部是山东的泰山隆起，西面和南面均被第四系

19、覆盖。此区域与胶南苏北、大别山和东部张八岭地区在晚古生代中生代都处于同一个应力场内。 中国东部超高压变质带大地构造图 郯庐断裂带两侧运动图案示意图 徐淮推覆体与有关构造示意图 3.2 3.2 矿区各矿构造现状矿区各矿构造现状 旗山煤矿局部构造旗山煤矿局部构造 旗山井田断裂构造及褶曲构造分布特征展示出至少受两期不同方向、不同其次的应力作用叠加复合的产物：前期构造受印支运动的影响，处于南北均布挤压地壳运动下的产物，显示主压性而呈东西向，属纬向构造体系，如北部向斜；后期受燕山运动的影响，来自北西南东挤压，呈现显著的NNE、NE向线性褶皱和逆冲断裂，如东大吴背斜、不牢河向斜、董1号、w-6号断层等，它

20、破坏、改造和包容前期的构造形迹并为其所制约。两期构造应力方向呈大角度交叉，北北东向构造叠加在近东西向构造之上，形成典型的横跨反接式断裂褶皱构造复合类型。 旗山井田位于贾汪-潘家庵向斜含煤盆地的东南部，潘家庵复向斜总体走向北北东，含煤面积约170km2，二叠纪山西组(小湖系)9煤层最大赋存深度达-1300m,介于徐州皇藏峪背斜与大庙背斜之间。北以台儿庄断裂与山东省枣台煤田相对；南至废黄河断裂，与安徽省淮北闸河煤田为邻；西以擂鼓山华祖庙逆冲断层为界；东有两山口迷羊山逆冲断层将老地层抬起，构成一个封闭的构造系统 。废黄河断两山口迷羊山逆断层台儿庄断裂徐州市区徐州复背斜微山湖擂鼓山华祖庙逆断层贾旺裂大

21、黄山矿权台矿旗山矿董庄矿青山泉矿夏桥矿韩桥矿02号测点1号测点旗山煤矿局部构造示意图夹河煤矿局部构造夹河煤矿局部构造 夹河井田总体为一走向略有变化的单斜构造，地层产状沿走向和倾向变化较大。井田内无大型褶皱，仅在F1逆断层上盘和下盘分别发育一个不完整的褶曲，这两个次级褶曲对井田的煤层覆存产生了一定的影响，如图3.5，大中型断层发育规律如下：（1）大中型断层在其延展方向上多为斜交正断层，而且和煤层走向的交角较大，结构面大都以张扭性，高角度为主。（2）展布方向明显，大体可分为三组，以近SN向、NE5060为主，NW向次之。（3）构造分区明显，-280水平以上构造简单；-280水平以下至F1逆断层，随

22、着开采深度的增加，大中型断层相继出现，条数逐渐增多，落差逐渐加大；F1逆断层上盘构造简单。（4）F1逆断层下盘断层的延展长度大多较长，斜交正断层的倾向上有明显的组合规律，以地堑和地垒交替出现。（5）深部靠近F1逆断层附近，受其影响，断层走向稍有变化，多为NENEE。1号测点2号测点夹河煤矿局部构造示意图三河尖煤矿局部构造三河尖煤矿局部构造 三河尖井田位于丰沛煤田的西北隅，滕鱼背斜向西南的延伸部分。受构造运动的切割，形成了一套不完整的NE向次一级复背斜构造，以龙固背斜为主体向东西两翼又伴生次一级的向背斜构造及逆断层；后经燕山期剧烈的构造运动，产生一系列较大张性断裂，破坏了龙固背斜的完整性，伴随有

23、岩浆岩侵入。 煤田经过多次构造运动形成了四个主要构造体系，即EW向、SN向（NNE向）、NE向、NW向。后经过印支,燕山和喜山运动的改造,各构造系列之间经过互相切割、控制、改造和继承，形成了以EW向、SN向（NNE向）构造系列为骨架，NE向、NW向构造系列为内容的构造面貌。1号测点2号测点3号测点三河尖煤矿局部构造示意图3.3 3.3 徐州矿区构造体系分析徐州矿区构造体系分析 徐州矿区东邻郯庐大断裂带。矿区内各种构造形迹，包括隆起、坳陷、断裂、褶皱等，其方位、规模、性质和成生时期有很大差别。本区受东西向和华夏方向构造体系的作用比较明显。该区域构造体系可以划分为：C 东西向构造体系C 华夏方向构

24、造体系C 徐宿弧形推覆构造体系C 旋扭构造 旗山矿夹河矿张小楼井三河尖矿1-第三系；2-白垩系；3-上侏罗统；4-中下侏罗统；5-寒武系至三迭系；6-寒武系至二迭系；7-震旦系；8-中下元古界；9-中元古界；10-下元古界；11-太古-下元古界；12-太古界；13-火山岩；14-次火山岩；15-酸性-中酸性岩体；16-基性、超基性岩体；17-火山口18-东西向构造；19-南北向构造；20-华夏系构造；21-华夏系（式）构造；22-华夏式构造；23-新华夏系；24-山字型构造；25-弧形构造；26-旋扭构造；27-北西向构造；28-伴生张性、张扭性构造；29-隆起与坳陷分界线；30-背斜；31-

25、向斜；32-复式背斜；33-复式向斜；34-倒转背斜；35-倒转向斜；36-片理 苏北地区地质构造示意图u东西向构造体系东西向构造体系 C 太古代早元古代东西向构造，主要表现在丰县沛县地区至山东枣庄以南的苏鲁边界，干榆西北及连云港地区也有其片段；C 震旦纪印支期东西向构造，其中在本区表现比较明显的是海西期东西向构造，徐州至淮南一带，华北型石炭二叠纪地层中的含煤层位，受东西向构造控制北低南高，表明含煤盆地逐步向南迁移；C 燕山期喜山期东西向构造带，在本区内反映的最清楚，自北向南相对集中于四个带中：丰沛构造带、洪泽建湖构造带、南京南通构造带、高淳宜兴嘉定构造带。这些东西向构造带经历燕山期构造运动的

26、反复铸造，喜山期又有继承性活动。 u华夏系构造体系华夏系构造体系 主要包括：古老的北东向构造、华夏系、华夏式、新华夏系四个不同的体系 F古老北东向构造，主要发育苏北东海、连云港地区，整体作北5060东展布，一般向南东倾斜，其中包括一系列挤压性构造形迹，如紧密同斜褶皱和褶劈带，成生年代早于震旦纪； F华夏系，区内华夏系开始于震旦纪，止于三叠纪。苏鲁隆起出现在本区东部，构成区内华夏系第一级构造，隆起西北的坳陷为华北形地层区，隆起上部为古老的北东向构造；F华夏式构造，区内华夏式构造有两种：其一作为华夏系构造成分在燕山及喜山期的继承性活动；其二，燕山和喜山期新生的北东向构造如苏北盆地内部的次一级北东向

27、凸起与凹陷； F新华夏系，由北北东向压性、压扭性断裂、褶皱、大义山式与泰山式扭裂和北西西向张性断裂以及坳陷组成。其中北1030东主干断裂尤其突出。郯庐大断裂是纵贯苏鲁皖的一条重要构造带，由一系列平行的压性、压扭性断裂组成。郯庐大断裂具有东盘向北的扭动，另一条重要的新华夏系构造带出现在茅山地区。江苏地区华夏方向构造体系主要特征一览表 u徐宿弧形推覆构造体系徐宿弧形推覆构造体系 徐宿弧形构造为本区的主要控煤构造，弧形构造可以分为内、中和外三带F 内带在邳县、灵壁西北，主要由震旦系组成，其中褶皱很开阔，伴生一系列扭性断裂，构造由东部北东东向南西渐转为南北向；F 中带是弧形构造的主体，由一系列复式褶皱

28、构成，著名的有贾汪复式向斜、徐州复式背斜、闸河复式向斜等，复背斜中一般有寒武、奥陶系局部震旦系组成，褶皱紧密；复向斜中为石炭二叠分布区，褶皱开阔，为重要的煤炭产地，与褶皱伴随有一系列压扭性断裂产生；F 外带隐伏于淮阴山脉西侧的平原之下，为马坡向斜所在。徐宿弧形推覆构造简图u旋扭构造体系旋扭构造体系 区内的旋扭构造一般较小，而且可能为其他体系的派生部分。对本区煤矿开采的影响不是很大。 除上述构造体系外，徐州东北尚存在一些南北向挤压性构造形迹，结合郯庐带在区内十分接近南北方向及山东资料，将它归属于区域南北向构造带。 F区域构造体系发育程序分析区域构造体系发育程序分析 上述各种构造体系之间呈现了复杂

29、的复合和联合关系，各种交接类型包括交接、归并、包容、重叠等在本区均有表现。区内每一个构造体系都有其发生发展的历程，他们大都经历过两次以上的构造运动的铸造。而每一个运动期又有两个构造体系成生，时代越新，形成的构造体系可能增多，并且显示了东西向构造成生在先，然后是扭动作用形成的华夏方向构造、山字型构造，南北向构造更晚。从构造图上可以看出北东向构造在矿区占据很大的比例，现今的构造运动很好的继承了古地质运动。 构造体系发育程序示意表 3.4 3.4 矿区现今构造应力场分析矿区现今构造应力场分析 F 华北地区构造应力场华北地区构造应力场 根据已有资料得出中国现代构造应力场的基本特征：现代构造应力场作用在

30、一定区域和地质时期是持续稳定的；并且以水平作用为主，存在着明显的分区特征；现代构造应力场在深、浅部显示出较好的一致性；相对于东部，西部地应力绝对值高。中国现代构造应力场的格局明显受制于周边板块的约束作用：印度洋板块的碰撞是形成中国大陆现代应力场的主要力源，其影响范围和作用强度均大于太平洋板块的俯冲和菲律宾板块的拥挤。其中华北-东北地区的主应力方向以北东东-南西西方向为主导，近乎东西向，而华南地区以北西-南东到南东东到北西西方向占优势。 以太行山为界，以西地区的应力场方向为北东-南西向，以东地区为北东东-南西西向，近乎东西向，这与已有的地应力实测资料也是比较一致的。华北大部分地区的最大主应力和最

31、小主应力均位于水平或近似水平面内，中间主应力均位于垂直或近似垂直平面内，因此华北大部分地区处于走滑应力状态。 中国现代构造应力场 徐州徐州中国大陆构造应力场水平主应力方向图 四、四、 地应力现场测量地应力现场测量 地应力测点的选择地应力测点的选择地应力测量包含多个技术环节：F 需要精确可靠的传感器及数据采集系统；F 科学合理地选择地应力测量地点；F 对钻孔平直度、孔径偏差、大小孔同芯度和钻机操作等有严格的技术要求。地应力测点必须满足以下三个方面的要求： 测试地点的地应力状态应能反映该区域的一般情况，所选地点应具有代表性； 根据地应力测试方法的要求，应尽可能地在较完整、均质、层厚合适的煤层顶底板

32、稳定岩层中进行； 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。2号测点1号测点850联络轨道下山850联络胶带下山1000北翼轨道联络巷北H=8458501000北翼轨道下山8501000 北翼胶带下山旗山煤矿地应力测点钻孔位置 1号测点1010皮带暗斜井1010轨道暗斜井1010回风暗斜井皮带机道2号测点北夹河煤矿地应力测点钻孔位置 测点位置张小楼井地应力测点钻孔位置 北翼南轨道下山南翼运输下山山下风回翼南-979.4-979.6-979.9-980.0-979.6-979.923211113218183-971.5-971.5643102845-1060-1080-914.8-

33、914.8-1040-10201号测点北-928.9-928.9-928.9-979.5-979.9-980.0-926.9-979.7B-957.0DF11南翼回风下山山下输运翼南南翼轨道下山2号测点3号测点H=3.2 35H=1.5 70H=0.4 75H=2.554H=0.660-700 东 翼 运 输 大 巷-700 东 翼 辅 助 运 输 大 巷三河尖地应力测点位置图 徐州矿区地应力测点技术特征表 地应力测量过程曲线地应力测量过程曲线 将包体安装在小孔之内，待20小时之后环氧树脂完全固化，包体与周围岩体胶结在一起，利用130mm薄壁钻头进行套芯解除，岩芯由于周围压力解除就会发生弹性恢

34、复，包体应变片就会产生相应的变化，每次解除进尺3cm，然后读数，直到解除进尺超过包体工作长度（应变片前方45），得到仪器读数与解除深度的变化曲线，称为应力解除曲线 旗山1#孔应力解除过程曲线 （a）（b）旗山2#孔应力解除过程曲线 （a）（b）夹河1#孔应力解除过程曲线 （a）（b）夹河2#孔应力解除过程曲线 张小楼1#孔应力解除过程曲线线 （a）（b）（a）（b）夹河矿地应力测量套取岩芯 三河尖矿地应力测量套取岩芯 张小楼井地应力测量套取岩芯 用于地应力计算的各矿岩石力学参数汇总表 五、徐州矿区深部地应力分布规律研究五、徐州矿区深部地应力分布规律研究5.1 5.1 旗山煤矿局部地应力场分布规

35、律旗山煤矿局部地应力场分布规律 旗山煤矿地应力测量成果表旗山煤矿地应力测量成果表旗山煤矿地应力测量成果分析旗山煤矿地应力测量成果分析F 在每一个测点均有二个主应力接近水平方向，与水平面的夹角平均为8.1， 最大为17.34；另外一个主应力方向接近于垂直方向，与水平面的夹角平均 为77.6,最大达到83.45;F 最大主应力位于水平方向，其值约为自重应力的1.481.56，说明该矿区的地 应力场是以水平构造应力场为主导的;F 最大水平主应力的走向总体上为北西南东向，个别测点方向偏离较大的原因 与测点的局部地质构造和岩石力学性质有关;F 垂直应力基本上等于或者略小于单位面积上覆岩层的重量; 271

36、23423452324516669461531717893123423452451669415718933中1764212022口3P2-842.420538400-775.5-775.0-770.854635口6-843.11-842.025-842.2-842.1-822.34-820.7-809.7-809.732口182韩 桥 煤 矿旗 山 煤 矿北翼-850水平车场-808.0-807.3-809.8-809.9-702.55533中1764212022口3P2-842.41-842.025-842.2-842.1-822.34韩 桥 煤 矿旗 山 煤 矿北翼-850水平车场24F3

37、0 H=1070 4060DF67 H=010 50DF58 H=014 6570DF51 H=014 6070DF44 H=010 60DF49 H=020 40DF65 H=015 45北 部 向 斜徐煤局复(94)65号两 妥许 场-700-800-720-740-780-820-840-860-880-900-920-940-960-720DF2 H=015 6570W-6 H=0100 6065-720-700-680-660-740-723.53-842.1-778.0-760-842.5-700 西 二 运 输 下 山-700 西 二 轨 道 下 山30.62-705.29313

38、4.6631732.29-874.115.4931.53-927.48P1112.48P1903.8430.29-749.33 -825.1131.652.85318-869.873.61P18931.30-918.3131.25P1971.4930.29-845.595.50P110二 0 六 国 道-900-920-840-820-800-820-780-760-780-800-800-780-740-760-810.8-843.9-844.0-843.6-843.4-842.8-842.9-842.7-842.66-842.6-842.4-842.3-842.3-842.0临3-733.

39、7-673.3-669.2中2新23二 0 六 国 道320959.422.7232.65-9207-691.18-683.310-666.911-664.8126-688.0-682.59-679.413206 材 料 道13204运输道-670.2-666.0切眼口泵房变电所447-642.68-646.710101115-639.816-651.85-745.13- 8 3 7 反 坡口1-845.5基36基37-846.56256-819.3710总 工 程 师日期科长资 料 来 源审校图号制图比例 尺编制矿长1:200038050003805200380460038048003804

40、200380440038040003803800380360038034002053860020538800205390002053920038056002053940020539600205390002053880020538600DF63 H=010 6520537400380380020537600380360020537800205380003803400205382002053840038032003煤3.03煤H=3.0 45H=4.5 30H=8.0H=9.02005.5.13位置 65 60DF45 H=012 65-1000东西翼联络轨道大巷C11A基3419新12口副 水

41、842.0-834.995-841.91130-862.46-866.011-851.47-896.38-900.514-925.79-938.515-941.910-955.11611-969.8-988.112-998.1-991.019-998.5-998.5-997.51816171514-998.4-998.4133804000205372003804200205374003804400380460020537600380480038050002053780038052002053800038054003805600205382003805800380600

42、020538400380600038058002053940020539200124-850.43口-850.41-850.213-850.3-851.0-850.32-850.42-835.6-835.5-850.25-849.9-844.6-850.8口E18-850.5198-836.1-835.79-835.714-758.3-754.715-835.41020口-850.1-850.5E19-850.1-835.3111-849.811-835.0-835.01213-849.9-818.2-758.8-759.617161213-849.9-751.7-753.6181921-84

43、9.6E20-849.4-848.922-848.7232120-749.6-751.5-848.524基40-848.6基39-848.0-681.88-691.8-847.7基38-666.8121076-706.2-716.1513206 运 输 道26242322-751.9-751.6-732.7-714.3新11 H=015 7075-760-78013309运输道13309切眼-844.2144主水仓4溜1622187-844.8-841.9口16-838.3-844.2-844.4-844.6-844.4-848.020-845.0-844.320-844.4-847.93-8

44、44.5基35-842.5-860-880-900-940-960-980-1000-980-10002.3-980.13煤1.9-987.9H=8.0 4513A16-1000.21-1000.5-1000.5-1000.5-1000.5-1000.514157-1000.1-999.81217-986.9910-924.3-964.9-956.2-916.2654-883.2-840.0-881.4-850北翼联络轨道下山-831.6-841.6-844.6-822.5-844.5-844.6等候车室B沉淀池-837.210-844.6-848.8-844.0-844.2131-843.9

45、-844.2-844.4-844.132-847.9-750.5-745.4-696.6-749.1-744.7-750.5-738.4-737.6-750.5-755.8-748.6-697.4-720.5-720.9-714.4-711.55-698.0-691.3-691.6-694.34-691.6-720.9-709.1-715.34-706.6-771.0-771.1-749.0-752.4-751.4-744.8-746.5-777.7-770.9-771.5-771.4-771.7-771.5-770.15-770.0-769.1-739.82-749.34-750.5-850

46、北翼轨道下山-850北翼胶带下山-820.0-820-840-860-877.5-800-820-840-860-880-850北一采区3煤底板等高线图徐州矿务集团旗山煤矿3-998.94-999.07-998.82-842.03-842.8-12-842.2-1110-979.99-997.8-997.8-850北翼回风下山5-999.37-850北翼联络胶带下山8-896.01号测点2号测点1、3煤合层区1、3煤分层区-906.21030m40.5MPa132.213137.3MPa940m(MPa)02040实测最大主应力方向旗山煤矿实测最大主应力方向图 5.2 5.2 夹河煤矿局部地应

47、力场分布规律夹河煤矿局部地应力场分布规律 夹河煤矿地应力测量成果表夹河煤矿地应力测量成果表夹河煤矿地应力测量成果分析夹河煤矿地应力测量成果分析F 在每一个测点均有二个主应力接近水平方向，最大主应力与水平面的夹角平均为9.6，最小主应力与水平面的夹角平均为28.7；另外一个主应力方向基本接近于垂直方向，与水平面的夹角平均为60,最大达到69.8；F 最大主应力位于水平方向，其值约为自重应力的11.1，说明该矿区的地应力场以自重应力场为主导的，构造应力在矿区的作用不明显；F 最大水平主应力的走向总体上为北西南东向，个别测点方向偏离较大的原因与测点的局部地质构造和岩石力学性质有关；F 垂直应力基本上

48、等于或者略小于单位面积上覆岩层的重量。 夹河煤矿实测最大主应力方向图 张小楼-1166西翼采区九煤回风巷，实测最大主应力1的方向是方位角124145, 1=32MPa。井在-1000以下，K1断层以东有一向斜构造和一背斜构造，分别称为东翼深部向斜和东翼深部背斜。K1断层以西有一向斜构造和一背斜构造，称为西翼深部向斜和西翼深部背斜。其轴向多在N40E左右，而实测的主应力方向为N135E，这符合褶皱构造形成的力学机理，即最大主应力方向垂直与褶皱构造的轴向。 张小楼井地应力场与区域构造关系分析张小楼井地应力场与区域构造关系分析张小楼井实测地应力测量成果表张小楼井实测地应力测量成果表（MPa）4020

49、00实测最大主应力方向135.632MPa1176m测点位置张小楼井实测最大主应力方向图 5.3 5.3 徐州矿区深部地应力场分布规律徐州矿区深部地应力场分布规律 矿区构造应力场矿区构造应力场F 各个测点均有两个主应力方向接近于水平方向，而且最大水平主应力都大于垂直应力，水平最大主应力与水平面的平均夹角为10.1，其中夹河矿水平最大主应力与水平面的夹角平均为9.6，张小楼井最大主应力与水平面的夹角平均为18.5，旗山矿最大主应力与水平面的夹角平均为6.6；矿区水平最小主应力与水平面的平均夹角为18.7，其中夹河矿最小主应力与水平面的夹角平均为28.7，张小楼井最小主应力与水平面的夹角平均为18

50、，旗山矿最小主应力与水平面的夹角平均为9.6。 徐州矿区实测最大主应力方向图 六、深井高地应力现象及其机理研究六、深井高地应力现象及其机理研究岩芯饼化现象岩芯饼化现象 此次测量过程中，在西北部的三河尖矿和孔庄矿打大孔和套孔应力解除时出现饼状岩芯，岩石沿孔轴方向断裂成一层一层薄饼状结构，厚度有大有小 。 在徐州矿区三河尖-980大巷地应力测点实测过程中出现了岩芯饼化现象，断裂的岩饼呈灰色，致密坚硬，无明显的节理，显然不是因为节理或者裂隙所导致的断裂，有的岩芯还出现了裂而未断的情况；断口平整，有明显的擦痕和拉坎存在；岩饼平均厚度为23cm，直径11cm，岩饼近似圆形，长短轴之分不明显。 钻孔径缩现

51、象钻孔径缩现象 高地应力另外一个主要标志是钻孔发生径缩现象。钻孔发生径缩现象是由于高地应力另外一个主要标志是钻孔发生径缩现象。钻孔发生径缩现象是由于孔壁应力超过岩石强度所致。它是高地应力条件下岩石发生流变或者柔性剪破坏孔壁应力超过岩石强度所致。它是高地应力条件下岩石发生流变或者柔性剪破坏所致。所致。 ap0p0钻孔径缩示意图孔壁破碎塌孔现象孔壁破碎塌孔现象 在徐州矿区的测量过程中，始终遇到一个问题孔壁破碎塌孔现象，一旦发生这种现象，包体探头就无法正常安装，岩石碎块和裂隙会阻挡导向定位器的前进，此时必须对孔进行处理否则无法进行测量。 究其原因，一可能是因为孔位本身处于岩体破碎带内，围岩裂隙发育，结构连接丧失，孔壁围岩失去自身承载能力，在自重作用下塌落；二是在高地应力情况下，孔壁完整结构围岩体应力由于开挖而集中，应力达到超过其强度极限而破碎，岩体结构由完整转化为碎裂或者散体结构。 通过以下两种方法解决孔壁破碎情况：一是进行高压注浆处理，利用高压注浆泵将水泥浆液压入到孔壁围岩的裂隙中区，