深部矿井地应力测量方法研究与应用

有意义

第26卷 第5期

岩石力学与工程学报 Vol.26 No.5

2007年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2007

深部矿井地应力测量方法研究与应用

康红普，林 健，张 晓

(煤炭科学研究总院 北京开采研究所，北京 100013)

摘要：目前地应力测量方法有很多种，可分为力学法、地球物理法及地质构造信息法等。在分析各种测量方法特点的基础上，介绍适用于深部煤矿巷道的地应力快速测量方法——小孔径水压致裂地应力测量法，包括小孔径水压致裂地应力测量原理、测量装置的组成部分和技术特征。在我国煤矿典型的深部矿区——新汶矿区井下巷道中，完成9个测点的地应力测量。其中5个测点的埋深超过1 000 m，最深达1 220 m。测量结果表明，7个测点的最大水平主应力大于垂直主应力；最大水平主应力高达42.1 MPa；最大水平主应力与垂直主应力的比值为1.004～1.550；新汶矿区超过1 000 m深井地应力以水平应力为主，最大水平主应力方向主要集中在N3°E～N43.5°W。通过井下实测，确定出所测区域地应力状态及其分布规律。同时证明，小孔径水压致裂地应力测量法可为深部矿井提供有效、快速的地应力测量手段，为深部巷道布置和支护设计优化提供可靠的基础参数。 关键词：岩石力学；地应力测量；深部矿井；小孔径；水压致裂；应用

中图分类号：TD 311 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)05–0929–05

RESEARCH AND APPLICATION OF IN-SITU STRESS MEASUREMENT

IN DEEP MINES

KANG Hongpu，LIN Jian，ZHANG Xiao

(Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：There are many kinds of in-situ stress measurement methods at present，which can be classified into mechanical，geophysical and geological structure information methods. Based on the analysis of the features of various stress measurement methods，a new method—hydraulic fracturing in-situ stress measurement with small borehole，which is suitable for rapid in-situ stress measurement in deep coal mine roadways，is introduced. The in-situ stress measurement principle，device and technical properties are introduced. Nine points of in-situ stress measurement have been completed in underground roadways in typical deep coal mining area，Xinwen coal mining area in China. There are 5 measurement points with buried depth more than 1 000 m，and the maximum is 1 220 m. The measurement results indicate that：(1) there are 7 measurement points with the maximum horizontal principal in-situ stress more than the vertical principal stress；(2) the value of the maximum horizontal principal stress amounts to 42.1 MPa；(3) the ratios of the maximum horizontal principal stresses to the vertical principal stress are 1.004–1.550；and (4) the in-situ stress field in Xinwen coal mining with buried depth more than 1 000 m is dominated by horizontal stress；and the orientations of the maximum horizontal principal stresses mainly concentrate on N3°E–N43.5°W. The in-situ stress states and the distribution law in the measured area have been determined through the measurement results. It is also proved that the hydraulic fracturing in-situ stress

收稿日期：2007–01–10；修回日期：2007–02–13

基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490270)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB202203)

作者简介：康红普(1965–)，男，博士，1985年毕业于山西矿业学院采矿工程系，现任研究员、博士生导师，主要从事岩石力学与巷道支护技术方面的研究工作。E-mail：kanghp@

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measurement with small borehole can provide an effective and rapid stress method for deep mines and can offere reliable basic parameters for roadway layout and support design.

Key words：rock mechanics；in-situ stress measurement；deep mine；small borehole；hydraulic fracturing；application

深处的绝对应力状态，是最直接的测量方法，无需了解和测定岩石的弹性模量，测量应力的空间范围较大，受局部因素的影响较小；不需要套芯等复杂工序，成功率较高。这种方法在水利水电工程、金属矿山、隧道工程等方面已得到广泛应用[7

～9]

1 引 言

地应力是引起采矿及其他各种地下工程变形和破坏的根本作用力，其大小和方向对巷道围岩稳定影响很大，地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析以及实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。随着矿井开采深度不断增加，地应力的作用表现得越来越明显。深部高地应力巷道的维护、冲击地压等灾害现象都与地应力有着密切的关系。弄清开采范围内地应力的大小和方向，据此进行合理的巷道布置，不仅可以显著改善巷道维护状况，避免灾害发生，而且可节约大量支护和维修费用，显著提高矿井的经济效益。

地应力测试理论与技术一直是岩石力学与工程学科的重要研究内容。目前地应力测量方法有很多种[1

～4]

。蔡

美峰等[10]利用煤矿勘探钻孔进行了煤矿深部水压致裂地应力测量，最大测量深度达1 105 m。但是，水压致裂法主要用于地面深井测量，所用设备庞大，钻孔孔径大，钻孔工程量大，测量仪器昂贵，测试费用极高，只能适用于地面大型工程，无法用于井下地应力的快速测量。为了在煤矿井下巷道和其他矿山坑道内能采用水压致裂法快速测量地应力，安徽理工大学、煤炭科学研究总院西安分院及沈阳煤炭研究所等单位，引进了前苏联20世纪80年代水压致裂仪器，并作了一些修改，用于煤矿井下巷道内地应力测量。但是，这套系统比较笨重，所需钻孔直径大，钻孔时间长，大大影响了地应力测量速度。

本文针对煤矿井下条件，特别是深部矿井地应力测量存在的问题，开发出适合深部矿井巷道中使用的小孔径水压致裂地应力测量装置，并在典型的深部矿区进行了实测，分析了深部矿井地应力分布特征与规律。

，根据测量原理可分为三大类：第一类是以

测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律[5]、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。

应力解除法又称套芯法，它是目前应用最广的一种应力测量方法。这一方法是在岩石中先钻一测量孔，将测量传感器安装在测孔中并观测读数，然后在测量孔外同心套钻钻取岩芯，使岩芯与围岩脱离。岩芯上的应力因被解除而产生弹性恢复。根据应力解除前后仪器所测得的差值，计算出应力值的大小和方向。应力解除法测量结果比较准确，而且有些方法采用一个钻孔就可获得三维应力。如蒲文龙等[6]采用空心包体应力解除法，测量了深部煤矿(深度1 025 m)的三维应力，测出最大水平应力达28.6 MPa。但是，在深部矿井，由于地应力高，钻孔变形严重，岩芯破裂，导致取芯困难，限制了测量深度与范围，测量成功率较低，测量结果的可信度受到明显影响。

水压致裂法对环境的要求比较宽松，能测量较

2 水压致裂地应力测量原理与装置

水压致裂地应力测量一般分为平面应力测量和三维应力测量[11

，12]

，本文采用平面应力测量。为了

减小钻孔变形，提高测量深度与速度，适应深部高地应力巷道条件，测量钻孔设计为小孔径(φ 56 mm)。 2.1 测量原理

小孔径水压致裂地应力测量原理与一般水压致裂法相同(见图1)，该法利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在选定的测量深度封隔一段裸露的岩孔，然后通过泵入流体对这段钻孔增压，压力持续增高直至钻孔围岩产生破裂，继续加压使破裂扩展。压裂过程中记录压力、流量随时间的变化，根据压力–时间曲线即可求出原地主应力的大小。主应力方位可根据印模确定的破裂方位而定。

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第26卷 第5期 康红普，等. 深部矿井地应力测量方法研究与应用 931

封隔器 注水阀门水压管

采用传统的锚杆支护技术，基于二次支护理论，先让后抗、先柔后刚，一次支护在保持围岩稳定的条件下允许一定的变形，然后在适当的时机实施二次支护，保持巷道的长期稳定。但是，当开采深度超过1 000 m时，二次支护理论受到挑战。一些困难巷道二次支护后仍然变形很大，需要三次、更多次的维修与支护，甚至经过多次维修与支护后，巷道围岩变形仍很大，长期处于不稳定状态。出现这种局面的主要原因是深部开采引起的高地应力及深部

图1 水压致裂地应力测量示意图

Fig.1 Schematic plan for hydraulic fracturing in-situ stress

measurement

煤岩层地质构造复杂。为此，在新汶矿区选择有代表性的深部巷道，采用SYY–56型小孔径水压致裂地应力测量装置进行了原岩应力测量。 3.1 地应力测量结果

在新汶矿区共进行了9个测点的地应力测量。测点埋深为790～1 220 m，其中，华丰煤矿－1 100 m大巷测点的深度最大(1 220 m)。

－1 100 m

2.2 测量装置

根据深部煤矿井下特点，采用小孔径(φ 56 mm)，不仅可减小高地应力条件下测量钻孔的变形，而且可显著减少测量设备质量，提高测量速度，实现快速测量。具体指标如下：测量钻孔直径为(56±2) mm；最大深度为30 m；最大水压为40 MPa；定位精度为±3°。

根据上述测量指标，开发研制了SYY–56型小孔径水压致裂地应力测量装置(见图2)[13]。该装置主要由封隔器、印模器、定向仪、超高压泵站、储能器及数据采集仪组成，可在井下进行快速、大面积地应力测量。同一钻孔还可用于巷道围岩强度测量。

大巷顶板取出的岩芯为：巷道顶部为

0.4 m的灰色细砂岩，取芯率较低，裂隙发育破碎；细砂岩以上为0.7 m的灰白色粗砂岩，硅质胶结，纵向裂隙发育；往上为灰色细砂岩，厚度为0.85 m；细砂岩之上为1.15 m的灰白色中砂岩，纵向裂隙发育，取芯率较高；其上为灰色细砂岩，厚度为2.7 m，岩芯呈圆饼状，取芯率低；再往上为小煤，厚度为0.5 m，取芯率极低，裂隙发育；其上为5.3 m的灰色细砂岩，岩芯破碎，呈薄饼状，水平层理发育，取芯率低；再往上为灰黑色泥岩，厚度为1.1 ｍ，水平层理发育，取芯率低。

－1 100 m大巷断面为直墙半圆拱形，宽3.7 m，

高3.85 m，墙高2 m，采用锚喷支护。巷道附近没有受到采煤工作面或掘进工作面的采动影响。根据弹塑性力学理论，当围岩深度超过巷道半径的5倍以上时，开挖引起的应力影响变得很小，接近原岩

图2 SYY–56型小孔径水压致裂地应力测量装置[13] Fig.2 SYY–56 device for hydraulic fracturing in-situ stress

measurement with small borehole[13]

应力状态。为此，测量孔段选在距孔口11 m、岩芯完整性较好的细砂岩中(其他测点位置也据此确定)。华丰煤矿－1 100 m大巷地应力测量压裂曲线如图3所示。经水压致裂数据处理分析可得：最大水平主应力σH = 42.1 MPa，最小水平主应力σh = 22.8 MPa，垂直主应力σv = 32.33 MPa。

孔壁岩石压裂完成后，对孔壁压裂部位进行印模，取得水压裂缝的走向，印模结果见图4。

新汶矿区深部矿井9个测点的地应力测量结果见表1。

3.2 地应力测量结果分析

地应力测量结果表明，新汶矿区深井地应力分

3 深部矿井地应力测量及分析

新汶矿区是我国煤矿典型的深部矿井，平均开采深度已超过1 000 m，最大采深达1 300 m。新汶矿区集中了采深大、地质构造复杂、矿井灾害性现象多重条件，使开采支护极为困难。

在巷道支护方面，开采深度小于1 000 m时，

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最大水平主应力的最小值(潘西矿435运巷临时变

压力/MPa

电所)也在20 MPa以上；最小水平主应力达22.8 MPa，最小水平主应力的最小值也在10 MPa以上。

从新汶矿区各矿地应力情况来看，潘西矿开采

测试时间/s

深度较浅(小于1 000 m)，所测地应力数值相对较小，最大水平主应力在20 MPa左右；协庄矿和华丰矿测点位置的深度大多超过了1 000 m，地应力数值均比较大，最大水平主应力在30 MPa以上。

(2) 原岩应力场以水平应力为主

新汶矿区深部主要有两种地应力场：① σH＞

图3 华丰煤矿－1 100 m大巷地应力测量压裂曲线 Fig.3 Hydraulic fracturing curve of stress measurement in

－1 100 m main roadway in Huafeng Coal Mine

N σv＞σh，共7个测点，包括协庄矿3个测点，华丰

矿3个测点，潘西矿1个测点。σH/σv最小为1.004(潘西)，最大为1.55(协庄)。② σv＞σH＞σh，共2个测站，全部为潘西矿测点，σv/σH分别为1.20和1.27。

可见，新汶矿区目前超千米深井地应力(协庄矿、华丰矿)主要以水平应力为主，而在潘西矿附近主要以垂直应力为主。最大水平主应力方向主要集中在

N3°E～N43.5°W。

已有的大量实测数据表明，矿井浅部地应力以水平应力为主，深部以垂直应力为主。新汶矿区的地应力测量结果与上述规律相反，即使矿井深度超过1 000 m，仍以水平应力为主。表明在地质构造复杂的矿区，深部矿井地应力仍以水平应力占优势。

(3) 地应力随深度的变化

将新汶矿区9个测点的主应力值进行回归，得出地应力随深度的变化情况(见图5)。

深度/m

地应力/MPa

图4 华丰煤矿－1 100 m大巷地应力印模图 Fig.4 Hydraulic fracturing printed curve in －1 100 m main

roadway in Huafeng Coal Mine

表1 新汶矿区深部矿井地应力测量结果

Table 1 In-situ stress measurement results in Xinwen Deep

Coal Mines

序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

巷道 名称

协庄矿1202西回风巷

协庄矿1202东运输巷

协庄矿－850二采区轨道下山

华丰矿－1 100 m大巷

华丰矿－1 010 m水平大巷

华丰矿－920 m水平

煤仓石门

潘西矿7192主巷1号机窝

潘西矿7192主巷3号机窝

潘西矿435运巷临时变电所

垂直主最大水平 最小水平最大水平

埋深

应力σv主应力σH 主应力σh主应力/m

方向 /MPa /MPa /MPa 790 20.94 32.39 16.56 N33.5°E1 150 30.48 34.60 17.89 N12.5°E1 071 28.38 39.77 20.64 N39.7°E1 220 32.33 42.10 22.80 N3.0°E1 130 29.95 33.15 19.10 N31.5°E1 040 27.66 31.35 16.20 N23.5°W964 25.55 25.65 12.23 N32.3°E967 25.63 21.42 10.87 N43.5°E961 25.47 20.06 10.12 N25.9°E

图5 新汶矿区深部地应力值随深度的变化情况 Fig.5 Variation of in-situ stress values with depth in Xinwen

Coal Mining Area

布有以下特征：

(1) 地应力大

新汶矿区深部矿井地应力总体较大。9个测点中有5个埋深超过1 000 m，最深达1 220 m。最大

图5的结果表明，最大、最小水平主应力随深度增加基本呈线性增加，开采深度越大，水平应力越高。但是，有些测点的数值离散性比较大，主要原因是本次所测3个矿区的距离比较远，而且新汶矿区地质构造非常复杂，导致构造应力分布规律性

水平主应力高达42.1 MPa(华丰矿－1 100 m大巷)，

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差。同时说明，地应力测点数还比较少，需进行更多点的测量。

Qiang，ZHU Baolong，HU Houtian. Experimental research on measurement of in-situ stress field by Kaiser effect[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(7)：1 370–1 376.(in Chinese))

[6] 蒲文龙，张宏伟，郭守泉. 深部地应力实测与巷道稳定性研究[J].

矿山压力与顶板管理，2005，22(1)：49–51.(PU Wenlong，ZHANG Hongwei，GUO Shouquan. Crustal stress measurement and stability of the tunnel to survey[J]. Ground Pressure and Strata Control，2005，22(1)：49–51.(in Chinese))

[7] 李满洲，余 强，郭啟良，等. 地应力测量在矿床突水防治中

的应用[J]. 地球学报，2006，27(4)：373–378.(LI Manzhou，YU Qiang，GUO Qiliang，et al. The application of in-situ stress measurement to the prevention of mine water burst[J]. Acta Geoscientia Sinica，2006，27(4)：373–378.(in Chinese)) [8] 马秀敏，彭 华，李金锁. 新疆西部地应力测量在隧道工程中

的应用[J]. 地质力学学报，2005，11(4)：386–393.(MA Xiumin，PENG Hua，LI Jinsuo. Application of hydraulic fracturing in-situ stress measurements to tunnelling in Western Xinjiang[J]. Journal of Geomechanics，2005，11(4)：386–393.(in Chinese))

[9] 李金锁，彭 华，马秀敏，等. 水压致裂地应力测试方法在云

2006，25(5)：南大理—丽江铁路隧道工程中的应用[J]. 地质通报，

644–648.(LI Jinsuo，PENG Hua，MA Xiumin，et al. Application of hydraulic fracturing in-situ stress measurements to tunneling along the Dali—Lijiang Railway，Yunnan，China[J]. Geological Bulletin of China，2006，25(5)：644–648.(in Chinese))

[10] 蔡美峰，陈长臻，彭 华，等. 万福煤矿深部水压致裂地应力测

量[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(5)：1 069–1 074.(CAI

4 结 论

(1) 水压致裂法是最直接的地应力测量方法。对环境要求比较宽松，测量应力的空间范围较大，能测量较深处的绝对应力状态，受局部因素的影响较小，不需要套芯等复杂工序，对钻孔设备要求低，成功率较高。采用水压致裂法进行深部矿井地应力测量是可行的。

(2) 根据深部矿井巷道特点开发研制的SYY–56型小孔径水压致裂地应力测量装置，采用小直径钻孔(φ 56 mm)，不仅测量钻孔变形小，而且可在井下进行快速地应力测量，为深部矿井提供了有效、快速的地应力测量手段。

(3) 新汶矿区深井地应力测量结果表明：78%的测点最大水平主应力大于垂直主应力；最大水平主应力高达42.1 MPa；最大水平主应力与垂直主应力的比值为1.004～1.550；超千米深井地应力主要以水平应力为主。

(4) 深井水平主应力随深度增加而增大，开采深度越大，水平应力越高。但部分测点的数值离散性较大，表明新汶矿区地质构造非常复杂，从而导致构造应力分布规律性较差。 参考文献(References)：

[1] HUDSON J A，CORNET F H，CHISTIANSSON R. ISRM suggested

method for rock stress estimation—part 1：strategy for rock stress estimation[J]. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.，2003，40(7/8)：991–998. [2] CHISTIANSSON R. The latest development for in-situ rock stress

measuring techniques[C]// Proceedings of the International Symposium on In-situ Rock Stress. Trondheim，Norway：[s. n. ]，2006：3–10. [3] 蔡美峰. 地应力测量原理与技术[M]. 北京：科学出版社，2000.(CAI

Meifeng. Principle and techniques of in-situ stress measurement[M]. Beijing：Science Press，2000.(in Chinese))

[4] 刘允芳，肖本职. 西部地区地震活动与地应力研究[J]. 岩石力学与

工程学报，2005，24(24)：4 502–4 508.(LIU Yunfang，XIAO Benzhi. Study on seismic activity and geostress in West China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(24)：4 502– 4 508.(in Chinese))

[5] 陈 强，朱宝龙，胡厚田. 岩石Kaiser效应测定地应力场的试验研

Meifeng，CHEN Changzhen，PENG Hua，et al. In-situ stress measurement by hydraulic fracturing technique in deep position of Wanfu coal mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(5)：1 069–1 074.(in Chinese))

[11] 刘允芳. 在单钻孔中水压致裂法的三维地应力测量[J]. 岩石力

学与工程学报，1999，18(2)：192–196.(LIU Yunfang. Three- dimensional geostress measurement by hydraulic fracturing technique in one borehole[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，18(2)：192–196.(in Chinese))

[12] 陈群策，李方全，毛吉震. 水压致裂法三维地应力测量的实用性研

究[J]. 地质力学学报，2001，7(1)：69–78.(CHEN Qunce，LI Fangquan，MAO Jizhen. Application study on three-dimensional geostress measurements by use of hydraulic fracturing method[J]. Journal of Geomechanics，2001，7(1)：69–78.(in Chinese)) [13] 康红普，林 健. 我国巷道围岩地质力学测试技术新进展[J]. 煤炭

科学技术，2001，29(7)：27–30.(KANG Hongpu，LIN Jian. New development in geomechanics measurement and test technology of mine roadway surrounding rock[J]. Coal Science and Technology，2001，29(7)：27–30.(in Chinese))

究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(7)：1 370–1 376.(CHEN

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