【正文】 (25)??2icozzxyz?? (26)2sin1rzzxyzar????????????上述公式中， 。方向的?? 45?應(yīng)變值， 為剪切應(yīng)變值。它是利用孔壁應(yīng)變解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量的儀器，可在單孔中通過(guò)一次套芯解除應(yīng)變獲得三維應(yīng)力狀態(tài)。J粘貼，然后再用環(huán)氧樹脂澆注外層，使電阻應(yīng)變片嵌在筒壁內(nèi)(外層厚度約為 )。使用時(shí)，將圓筒內(nèi)腔裝滿粘結(jié)劑，讓柱塞插入內(nèi)腔約 深處，用固定銷將其固定。 SDX 定向儀采用 SDX 水平定向儀確定水平或傾斜鉆孔中地應(yīng)力計(jì)應(yīng)變片的方向。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(dòng)臂相對(duì)固定不變，由于重力作用，重錘永遠(yuǎn)指向重力方向，所以滑動(dòng)臂的指向也固定不變。特點(diǎn)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。為了求算巖石的彈性模量和泊松比進(jìn)行率定，做出率定曲線。測(cè)量時(shí)，取出帶有空芯包體探頭的巖芯，使用圍壓率定機(jī)進(jìn)行率定，將套芯之后所取出的帶有元件的巖芯放入元件率定機(jī)中，用油泵將油打入圍壓器中，給巖芯施加均勻圍壓到預(yù)定值，然后退壓，同時(shí)進(jìn)行儀器讀數(shù)，就可以畫出率定曲線。17 地應(yīng)力測(cè)量工作流程（1）鉆進(jìn)測(cè)量孔：施工流程如圖 28 所示。然后鉆一個(gè)孔徑為 36mm 的測(cè)量小孔。定向儀的前部則用于安裝空芯包體應(yīng)變計(jì)。（4）解除前的準(zhǔn)備工作：經(jīng) 24 小時(shí)固化，在測(cè)量應(yīng)變計(jì)安裝角度之后，取出定向儀，解除前將導(dǎo)線從鉆頭、巖芯管、鉆桿穿過(guò)，最后從旋轉(zhuǎn)水接頭(鉆桿的水接頭)處引出，與儀器相連接，以便用儀器監(jiān)測(cè)各元件在解除過(guò)程中讀數(shù)變化情況，這時(shí)可以開始沖水試驗(yàn)，水溫應(yīng)與環(huán)境溫度一致，在沖水過(guò)程中，18儀器讀數(shù)稍有變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，儀器讀數(shù)就穩(wěn)定下來(lái)，此時(shí)可以開鉆解除?，F(xiàn)場(chǎng)取得的應(yīng)力接觸后的巖芯如圖 29 所示。（2）測(cè)量地點(diǎn)的地應(yīng)力值應(yīng)能確切反映該區(qū)域巖體應(yīng)力的一般水平，而地質(zhì)構(gòu)造往往是地應(yīng)力集中的區(qū)域，特別是構(gòu)造較復(fù)雜的階段。（3）測(cè)量中使用空芯包體應(yīng)變計(jì)，測(cè)量地點(diǎn)要盡量選在層厚合適的穩(wěn)定巖層中，巖石越致密、堅(jiān)硬、所含有的裂隙越少，測(cè)量的準(zhǔn)確率越高。根據(jù)巖石力學(xué)分析，巷道側(cè)向應(yīng)力影響范圍一般為巷道寬度的 2 倍以上，鉆孔深度通常在10～12m 之間。圖 211 硫磺溝煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置表 21 硫磺溝煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)基本情況測(cè)點(diǎn)編號(hào) 測(cè)點(diǎn)位置巷道寬度(m)地面標(biāo)高(m)井下標(biāo)高(m)深 度(m) 巖性1 (45)04 軌道順槽甩車場(chǎng)導(dǎo)線點(diǎn)拐 2 前 +1123 + 2 (45)04 皮帶順槽導(dǎo)線點(diǎn) P25前 54m +1201 + 3 集中回風(fēng)上山至+668m 水倉(cāng)開口向里 + + 細(xì)砂巖 硫磺溝煤礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及分析 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量主要包括應(yīng)力解除過(guò)程中空芯包體周圍 12 枚應(yīng)變片的應(yīng)變量20監(jiān)測(cè)及鉆取巖芯的圍壓率定。應(yīng)力解除過(guò)程中，取芯鉆桿每前進(jìn) 2cm 采集一次，每孔采集 20～25 次。以 3測(cè)點(diǎn)為例，率定曲線如圖 212 所示。 仰角/176。)表24 硫磺溝煤礦各測(cè)點(diǎn)22應(yīng)力分量測(cè)點(diǎn)編號(hào) 3 23 （注：表中 為 x 方向水平應(yīng)力； 為 y 方向水平應(yīng)力；為垂直方向正應(yīng)力； ， ， 分別為 xy，yz，xz 平面的剪應(yīng)力。并且垂直主應(yīng)力 量值上約為最大水平主應(yīng)力 的 ～ 倍，應(yīng)力場(chǎng)特征為 ，硫磺溝煤礦地應(yīng)力場(chǎng)目前以垂直應(yīng)力為主。差異的存在與該區(qū)地層的傾向及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。（2）水平主應(yīng)力方向的分布特征每個(gè)測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)主應(yīng)力方向接近水平方向，其傾角在177。之間，與硫磺溝煤礦多數(shù)工作面順槽軸向夾角均小于 35176。27（3）地應(yīng)力量級(jí)根據(jù)康紅普等對(duì)煤礦地應(yīng)力研究成果：最大主應(yīng)力 屬于0～10MPa 為低應(yīng)力區(qū)；10～18MPa 為中等應(yīng)力區(qū)；18～30MPa 為高應(yīng)力區(qū)；大于 30MPa 為超高應(yīng)力區(qū)。a 垂直主應(yīng)力： (218)b 最大水平主應(yīng)力： (219)c 最小水平主應(yīng)力： (220)圖 214 主應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律28由回歸方程可以得出，礦區(qū)的垂直主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力的大小均隨測(cè)點(diǎn)深度的增加而線性增加，如圖 214。硫磺溝煤礦+777～+665m 水平的側(cè)壓系數(shù)為 ～，如圖 215。（2）硫磺溝煤礦+777～+665m 水平屬于中低地應(yīng)力區(qū)，水平、垂直主應(yīng)力值隨著埋深的增加而增大。之間，與工作面順槽軸向夾角均小于 35176。303 （45）04 工作面掘進(jìn)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè) 巷道側(cè)向地質(zhì)構(gòu)造反射共偏移探測(cè) 基本原理及探測(cè)設(shè)備 單點(diǎn)探測(cè)原理單點(diǎn)探測(cè)是利用聲波在波阻抗不同的介質(zhì)界面反射原理來(lái)探測(cè)介質(zhì)中聲波的傳播速度和介質(zhì)厚度的。式中時(shí)間 ｔ 可由波形記錄上判讀，波速 須是一已知數(shù)，其取值準(zhǔn)確與否，直接影響到目的層距離或厚度探測(cè)的精度。如圖 32 所示，依據(jù)巷道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了單邊激發(fā)、多道接收的觀測(cè)系統(tǒng)。每激發(fā)一次接收一組波形，最后得到一張多道地震記錄。圖 31 共偏移多次覆蓋示意圖 探測(cè)設(shè)備KDZ11146A30 礦井地質(zhì)探測(cè)儀是新一代的便攜式多功能的智能礦井地質(zhì)探測(cè)儀器，主要用于解決井下采掘工作面前方及周圍未探明的不良地質(zhì)構(gòu)造（斷層、陷落柱等）和影響范圍及巷道余煤（巖）厚度等的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為礦井工程、隧道工程施工提供技術(shù)保障。 探測(cè)方案設(shè)計(jì)（45）04 工作面為硫磺溝煤礦（45）02 工作面的接續(xù)工作面，走向長(zhǎng)度2750m，工作面長(zhǎng)度 180m。測(cè)試點(diǎn)位于（45）04 軌道順槽上幫（以掘進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)）結(jié)實(shí)且完整區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)采用錘擊震源，三個(gè)檢波器均勻分布在以錘擊點(diǎn)為中心 ～1m 為半徑的圓上，試驗(yàn)時(shí)采用與儀器配套的 100Hz 的HDQS100 動(dòng)圈振動(dòng)速度檢波器。為探明掘進(jìn)范圍內(nèi)可能遇到伴生斷層或其它地質(zhì)異常的賦存狀況，決定在（45）04 皮帶順槽開展反射共偏移探測(cè)。圖 33 （45）04 軌道順槽上幫單點(diǎn)速度測(cè)試觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（2）反射共偏移探測(cè)方案設(shè)計(jì)（45）04 皮帶順槽掘至距聯(lián)絡(luò)巷 600m 位置時(shí)，掘進(jìn)范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)比較明顯，推測(cè)掘進(jìn)范圍內(nèi)可能有不良構(gòu)造的影響。目前正在進(jìn)行（45）04 工作面皮帶順槽掘進(jìn)。32本次反射共偏移探測(cè)采用 KDZ11146A30 型便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀和 TZBS系列（主頻為 100Hz）傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。工程中通過(guò)分析反射波同相軸位置及特征，并結(jié)合探區(qū)周圍地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)環(huán)境來(lái)對(duì)斷層、陷落柱、巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀進(jìn)行探測(cè)。反射回來(lái)的地震信號(hào)被一端的檢波器 Ri接收形成地震記錄。一般來(lái)說(shuō)，在一定的探測(cè)區(qū)域內(nèi)，巖、煤層的垂向波速都較穩(wěn)定，探測(cè)時(shí)可作波速調(diào)查，弄清各層波速分布狀況，為探測(cè)解析提供依據(jù)。它是通過(guò)接收巖、煤層界面的地震波垂直反射信號(hào)，來(lái)解析計(jì)算目的層距離或厚度的。因此回風(fēng)上山、主暗斜井、副暗斜井易受最大水平主應(yīng)力的影響，巷道變形較大。通過(guò)回歸方程可以估算+600m 水平以上區(qū)域的主應(yīng)力值。圖 215 側(cè)壓系數(shù)隨深度的變化規(guī)律需要說(shuō)明的是，由于測(cè)量方法、實(shí)測(cè)過(guò)程和計(jì)算程序等方面的原因，實(shí)測(cè)獲得的地應(yīng)力值及其方位或與實(shí)際有所偏差，但這種偏差對(duì)主應(yīng)力的分布規(guī)律和變化趨勢(shì)來(lái)說(shuō)是允許的。因此，考察硫磺溝煤礦井下地應(yīng)力值，只根據(jù)井下標(biāo)高是不夠的，要綜合井上、下標(biāo)高計(jì)算測(cè)點(diǎn)的埋深，從而獲得地應(yīng)力值。（4）主應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律硫磺溝煤礦主應(yīng)力值隨埋深的變化曲線如圖 214 所示。因此水平主應(yīng)力對(duì)回風(fēng)上山、主暗斜井、副暗斜井等上山巷道的影響較大。之間；每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力均接近垂直方向，與垂直方向偏角小于 20176。26圖 213 各測(cè)點(diǎn)水平主應(yīng)力方向通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果進(jìn)一步分析，可得到如下規(guī)律：（1）地應(yīng)力場(chǎng)類型硫磺溝煤礦+777～+665m 水平內(nèi)，最大水平主應(yīng)力 與最小水平主應(yīng)力 的比值介于 ～ 之間，在量值上相差較大，這使得水平應(yīng)力對(duì)巷道頂、底板的影響表現(xiàn)出較明顯的方向性。通常 ， H 為深度。 傾角/176。測(cè)量日期計(jì)算日期112.83315 0 2022228201331212 325 10 0 202236 201337310 3285 0 20133132013314 (注：安裝角是包體完應(yīng)力分量 量值/MPa應(yīng)力分量量值/MPa21成安裝后，以垂直向上為起點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到0176。圖 212 3測(cè)點(diǎn)巖芯圍壓率定曲線表 22 巖芯圍壓率定結(jié)果編號(hào) 彈模/MPa 泊松比1測(cè)點(diǎn)巖芯 17000 2測(cè)點(diǎn)巖芯 19000 3測(cè)點(diǎn)巖芯 19500 地應(yīng)力測(cè)量計(jì)算結(jié)果通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，采用 KX2022 型空芯包體應(yīng)力計(jì)算程序?qū)α蚧菧厦旱V地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)信息詳見表 23，各應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果見表 24，各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果匯總，如表 25 所示。如果應(yīng)變片工作正常，最終各條曲線都將趨于平穩(wěn)，這個(gè)穩(wěn)定值即作為計(jì)算地應(yīng)力的數(shù)據(jù)。圍壓率定是為了獲取巖芯在圍壓條件下各方向的彈性模量和泊松比。打鉆使用的是金剛石鉆頭，鉆孔過(guò)程中需要大量的水用來(lái)潤(rùn)滑，因此要保證測(cè)量地點(diǎn)具備較高的水壓。（4）空芯包體應(yīng)力解除法必須使用全液壓坑道鉆機(jī)(如圖 210 所示)，為了能夠擺放鉆機(jī)且保證鉆孔工作的正常進(jìn)行，所選巷道的寬度至少要 。因此選擇的地點(diǎn)應(yīng)避開褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶，且無(wú)采動(dòng)影響。由于地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，要比較準(zhǔn)確的反映整個(gè)礦井區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力分布情況，就必須在開采區(qū)進(jìn)行一定數(shù)量的“點(diǎn)”測(cè)量，通常不少于兩個(gè)點(diǎn)。應(yīng)力解除槽逐漸加深，在應(yīng)力解除過(guò)程中要跟蹤測(cè)量，當(dāng)套芯進(jìn)尺超過(guò)應(yīng)變計(jì)安裝位置時(shí)，且各應(yīng)變片讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，停止鉆進(jìn)取出巖芯。將空芯包體應(yīng)變計(jì)按規(guī)定方向安裝于定向儀的前部，引出測(cè)量導(dǎo)線，調(diào)整好定向插頭，先將A、B 兩種膠結(jié)劑按比例倒入應(yīng)變計(jì)空腔內(nèi)，固定好柱塞，用帶有定向儀的安裝桿小心地將應(yīng)變計(jì)送到小孔內(nèi)，用力將柱塞推入應(yīng)變計(jì)空腔內(nèi)，將膠結(jié)劑擠入應(yīng)變計(jì)與小孔之間的縫隙中，此時(shí)應(yīng)變計(jì)安裝完畢。測(cè)量小孔打成后，用清水將孔內(nèi)沖洗干凈。便于水和巖粉順利排出)；用相同口徑的尖鉆頭打一個(gè)導(dǎo)向用的喇叭口，深度約 6～8cm(如果孔較淺，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育時(shí)，一般尖孔打 5cm 左右，以使開鉆解除時(shí)不致于因起始巖芯壁薄破碎掉塊，而卡斷巖芯，導(dǎo)致解除失敗。同時(shí)圍壓率定機(jī)還要檢測(cè)應(yīng)力計(jì)可靠性。圖 26 圍壓率定設(shè)備圖 圖 27 圍壓率定設(shè)備結(jié)構(gòu)圖在應(yīng)力解除之后，將帶有元件的巖芯進(jìn)行密封處理，之后放入率定機(jī)中進(jìn)行率定。圖 25 為 KX2022 型空芯包體應(yīng)變計(jì)和KJF327F 礦山壓力監(jiān)測(cè)分站。測(cè)出電壓的變化即可算出探頭的安裝角度。顯示器由三位半袖珍式數(shù)字萬(wàn)用表改裝而成，它的作用是供給轉(zhuǎn)換器一個(gè)恒壓電源和顯示測(cè)量讀數(shù)。將應(yīng)變計(jì)送入15鉆孔中預(yù)定位置后，用力推動(dòng)安裝桿，可使固定銷切斷，繼續(xù)推進(jìn)可使粘結(jié)劑經(jīng)柱塞小孔流出，進(jìn)入應(yīng)變計(jì)和小孔壁之間的間隙里，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，粘結(jié)劑固化后，即可進(jìn)行套芯解除。圖 23 三組應(yīng)變花的分布位置示意圖從左到右依次為：截面投影圖，A、B、C 三組應(yīng)變花的粘貼關(guān)系圖，鉆孔中的坐標(biāo)關(guān)系圖KX2022 型空芯包體三軸地應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。應(yīng)力計(jì)由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12 個(gè)電阻應(yīng)變片組成。這種應(yīng)變計(jì)是澳大利亞 CSIRO 應(yīng)變計(jì)的一種改進(jìn)型，由G14（3）關(guān)于空芯包體式應(yīng)變計(jì)的修正由于空芯包體應(yīng)變計(jì)中，應(yīng)變片不是粘貼在孔壁上，而是與孔壁有 左右的距離，因而其測(cè)量出的應(yīng)變值和孔壁真實(shí)的應(yīng)變值之間是存在差異的。a?柱坐標(biāo)系的 θ 角從 x 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)為正。接下來(lái)對(duì)空芯包體式應(yīng)力解除法原理進(jìn)行具體闡述。 空芯包體式應(yīng)力解除法的基本原理空芯包體測(cè)量方法屬應(yīng)力解除法(也稱套芯法)，是測(cè)量地應(yīng)力絕對(duì)值的常用方法。它可在單孔中通過(guò)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)變計(jì)的結(jié)構(gòu)不一樣。的四個(gè)直徑方向的直徑變化。通過(guò)貼有應(yīng)變計(jì)的觸頭與孔壁相接觸，量測(cè)鉆孔直徑的變化。（3）USBM 鉆孔變形計(jì)該變形計(jì)是由美國(guó)礦物局研制的，是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)方法委員會(huì)建議采用的一種變形計(jì)。（1）KX2022 型空芯包體式三軸地應(yīng)變計(jì)KX2022 型空芯包體式三軸地應(yīng)變計(jì)是由地質(zhì)力學(xué)研究所制造的。變形計(jì)上的壓力變化與鉆孔孔徑變化有關(guān)。使用的傳感器稱為鉆孔變形計(jì)。放射性類 放射法利用?射線穿透巖石，重復(fù)測(cè)定其衰減強(qiáng)度等。研究范圍從 到幾十米。地 震 類地震波法 人工地震法重復(fù)進(jìn)行人工爆破，用地震檢波器接收地震波。一般用于測(cè)量地應(yīng)力的方向和應(yīng)力的相對(duì)變化。儀器有超聲波傳感器。主要用于地應(yīng)力的方向，目前尚無(wú)法確定地應(yīng)力的大小。顯微構(gòu)造分析法根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)與應(yīng)力的線性關(guān)系進(jìn)行定量計(jì)算。鉆孔崩落橢圓形法測(cè)量鉆孔橢圓形狀，長(zhǎng)軸代表最小主應(yīng)力方向，長(zhǎng)短軸之比可粗略估算壓力值。鉆孔應(yīng)力法把剛性探頭安裝在鉆孔中，測(cè)量解除前后的應(yīng)力變化。鉆孔位移法通過(guò)測(cè)量解除前后鉆孔孔徑的變化，推算應(yīng)力狀態(tài)?？椎讘?yīng)力解除法通過(guò)測(cè)量解除前后孔底的應(yīng)變變化，計(jì)算應(yīng)力。9孔壁應(yīng)力解除法通過(guò)測(cè)量解除前后