地质力学测试供参习.docx

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地质力学测试供参习

煤矿急倾斜煤层

——地应力学测试方案

1前言

1.1地质力学的基础地位

巷道围岩是一个极其复杂的地质体。

与其它工程材料相比，它具有两大特点：

其一是岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏。

因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是锚杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。

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。

巷道围岩变形和破坏取决于地应力、围岩性质及支护方式。

地应力的大小和方向对巷道围岩稳定影响极大。

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，实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。

支护设计是锚杆支护中的一项关键技术，对充分发挥锚杆支护的优越性和保证巷道的安全具有十分重要的意义。

如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端：

其一是支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度；其二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故。

为了对采矿工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查。

在诸多的影响岩体开挖工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要最根本的因素之一。

近几年来，随着煤巷锚杆支护技术的迅速发展，作为该技术中的关键内容之一，巷道围岩地质力学测试也逐步得到重视，测试结果应用于支护设计，显著提高了支护设计的合理性和可靠性。

锚杆支护有多种设计方法，目前，动态信息设计法得到广泛认可与应用。

动态信息法具有两大特点：

其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。

该设计方法包括五部分：

巷道围岩地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈与修正设计。

其中，巷道围岩地质力学测试与评估是锚杆支护设计的必要基础，包括：

①巷道围岩岩性和强度。

包括煤层厚度、倾角、抗压强度；顶底板岩层分布，强度；②地质构造和围岩结构。

巷道周围比较大的地质构造，如断层、褶曲等的分布，对巷道的影响程度。

巷道围岩中不连续面的分布状况，如分层厚度和节理裂隙间距的大小，不连续面的力学特性等；③地应力。

包括垂直主应力和两个水平主应力，其中最大水平主应力的方向和大小对锚杆支护设计尤为重要；④环境影响。

水文地质条件，涌水量，水对围岩强度的影响，瓦斯涌出量，岩石风化性质等；⑤采动影响。

巷道与采掘工作面、采空区的空间位置关系，层间距大小及煤柱尺寸；巷道掘进与采动影响的时间关系（采前掘进、采动过程中掘进、采动稳定后掘进）；采动次数，一次采动影响、二次或多次采动影响等。

2地质力学测试内容

项目涉及到地质力学测试内容，在…..煤矿，共进行2个测站的测试工作。

具体的测试内容包括地应力测量、煤岩体强度测量以及煤岩体结构观察。

见表1。

表1神新公司大洪沟煤矿地质力学测试内容

测试内容

测试仪器

测点数量

地应力测量

SYY-56型水压致裂地应力测量仪

2个测点

煤岩体强度测试

BHS-56型围岩强度测定装置

4个测点

煤岩体结构观察

KDVJ-400型矿用电子窥视仪

2个测点

3地质力学测试方法

煤岩体地质力学参数测试可分为实验室测试与现场测试。

实验室试验的岩块已经脱离岩体，在进行试验时很难比较准确地模拟和反映煤岩体在井下的实际状态，如应力环境、结构面分布，以及其它井下环境影响因素。

因此，实验室岩石力学数据往往与井下煤岩体的实际情况出入很大。

现场测试在井下煤岩体中进行，在实际的井下环境中测试，测试数据更接近实际。

目前，原岩应力只能通过现场测试获得，煤岩体变形与强度、结构面分布也可通过采用有效的测试仪器获得。

现场测试有着实验室无法比拟的优点，在煤岩体地质力学测试中占十分重要的地位。

3.1地应力测试

地应力测试的主要方法有：

应力恢复法、应力解除法、水压致裂法、地球物理法以及地质测绘法，见图2。

目前现场井下只有应力解除法与水压致裂法是可行的，其它集中只能作为辅助方法。

与应力解除法，水压致裂法有以下优点：

（1）能测量较深处的绝对应力状态；

（2）它是最直接的测量方法，无需了解和测定岩石的弹性模量，甚至连岩石的抗张强度也可以用水压曲线求出，最小主应力值完全与岩石力学参数无关；

（3）与套芯应力解除法相比，水压致裂测量应力的空间范围较大，受局部因素的影响较小；

（4）不需要套芯工序，可利用其它工程的勘探孔进行压裂；

（5）井下测量速度快，成功率较高。

神新公司大洪沟煤矿的井下地应力测量方法采用水压致裂法。

因此，该项目地质力学测试中地应力测量采用水压致裂法。

3.1.1水压致裂测量原理

水压致裂应力测量就平面应力测量而言，它的三个基本假设条件为：

（1）岩石呈线弹性且各向同性；

（2）岩石是完整的、非渗透性的；

（3）岩石中主应力之一的方向和钻孔轴平行。

因此，水压致裂的力学模型可简化为一个平面问题，即相当于两个垂直水平应力σ1和σ2作用在一个半径为a的圆孔的无限大平面上，其测试原理示意图如图1所示。

根据弹性力学计算可知孔壁夹角为90°的A、B两点的应力集中分别为：

（1）

若σ1>σ2，则σA<σB，因此，在圆孔内施加的液压大于孔壁上岩石所承受的压力时，将在最小切向应力的位置上，即A点及其对称点A‘点处产生张破裂。

并且破裂将沿着垂直于最小压应力的方向扩展，此时把使孔壁产生破裂的外加液压Pb称为临界破裂压力，临界破裂压力等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石抗张强度T，即：

（2）

若考虑到岩石中所存在的孔隙压力P0，将有效应力换为区域主应力，则上式将变为：

（3）

此处σh、σH分别为原地应力场中的最大和最小水平主应力。

在实际测量中被封隔器封闭的孔段，在孔壁破裂后，若继续注液增压，裂隙将向纵深处扩展，若马上停止注压并保持压裂系统封闭，裂隙将立即停止延伸，在地应力场的作用下被高压液体涨破的裂隙趋于闭合，把保持裂隙张开时的平衡压力称为瞬时关闭压力PS，它等于垂直裂隙面的最小水平主应力，即：

（4）

如果再次对封闭段注液增压，使破裂重新张开时，即可得到破裂重新张开的压力Pr，由于此时岩石已经破裂，抗张强度T=0，那么

（5）

用（4）式减去（5）式即可在现场得到岩石的抗张强度：

T=Pb-Pr（6）

根据（5）、（6）又可得到求取最大水平主应力σH的公式：

（7）

（5）式和（7）式是平面水压致裂应力测量中重要的公式，而垂直应力可根据上覆岩石的重量来计算：

（8）

式中，ρ为岩石密度，g为重力加速度，H为埋深。

地应力测量是在现场的巷道围岩钻孔中进行的（图2）。

在打好的钻孔中先用钻杆将一对橡胶封隔器送到钻孔的指定位置，然后注入高压水，将封隔器涨起，对两个封隔器之间的岩孔封闭。

对封隔器之间的岩孔进行高压注水，直至将围岩压裂。

压裂的方向即为最大水平应力方向。

为了得到水压裂缝的形态及方位，在压裂后需进行印模。

方法是把带有定向罗盘的印模胶筒放在已压裂的孔段，然后给印模器注水加压，压力的大小和加压时间一般根据压裂参数设定，在印模器的外层涂有半硫化橡胶，具有一定的塑性，因此，当印模器注水膨胀，当压力达到一定数值后，其外层橡胶就挤入压裂缝隙中，并在卸压后把印痕留在胶筒上，这样就得到了压裂缝和原生裂缝。

再根据印模装置中的定位罗盘测量出的胶筒基线方位确定出破裂的方位。

根据水压致裂测量原理，破裂方位就是最大主应力σH的方位。

根据上述理论和方法，可以通过实测和相应的计算，得到测点的原岩应力场中的最大水平应力的数值和方位。

图2水压致裂地应力测量装置示意图

3.1.2测试结果处理与分析

从水压致裂测量原理看出，水压致裂地应力测量关键是准确确定破裂裂缝的方向以及破裂压力、重张压力、关闭压力、孔隙压力的大小。

从水压过程中各回次的压力－时间曲线可以得到下列参数：

破裂压力Pb、重张压力Ps、关闭压力Pr,根据这些参数运用相关公式计算出最大水平主应力σH以及最小水平应力σh、岩石抗拉强度T等。

图4给出了一条标准压裂的各参数取值方法。

（1）关闭压力Ps的确定

在对水压致裂资料的解释和数值计算中，准确地确定关闭压力Pb的方法很多，如拐点法、切线法、流量压力法以及压力－时间的平均根法等。

当岩石因渗透率较大等原因造成拐点不好确定时，采用单切线法。

该方法是从关泵的那点作一条直线，把直线离开下降曲线的压力点即取为关闭压力Ps（如图3中B点）。

（2）重张压力Pr的确定

由于岩石的抗拉强度不易准确确定，常采用破裂重张压力Pr计算最大水平主应力σH。

在上述重张试验过程中，当压力－时间曲线在某一压力点明显偏离线性关系时，就把这一点记为重张压力Pr（如图3中的C点）。

为了更好地确定Pr，加压时应以稳定的流速泵进。

此外，为了克服岩石在第一、第二回次可能未完全破裂，和随机试验次数的增加Pr可能会减少所带来的影响，常采用的取值原则是：

其一是多次Pr值的平均值；其二是按第三回次的Pr的测值。

（3）破裂压力Pb的确定

一般将第一个压裂回次中的峰值压力定为破裂压力Pb。

（4）岩石的孔隙压力P0

按测段处的静水压力计算。

图3水压致裂应力测量中各压力参数选取

4地质力学测试仪器

4.1地应力测量装置

4.1.1地应力测量指标

传统的水压致裂地应力测量采用大孔径（钻孔直径在89mm以上），钻孔速度慢，压裂设备笨重，不能实现快速测量。

而北京开采所自主研制的水压致裂装置采用小孔径，大大减少了测试设备重量，提高了测试速度，实现快速测量。

具体指标如下：

（1）地应力测量钻孔直径56mm；

（2）最大深度30m；

（3）最大水压40MPa；

（4）定位精度：

±30；

（5）正常情况下每一测点的测量时间不超过2小时；

（6）地应力测试精度能够满足工程设计的要求。

4.1.2地应力测量装置组成

根据地应力测量指标，SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置的组成如下，见图4。

图4SYY-56型水压致裂地应力测量装置

（1）小孔径封隔器和印模器、定向仪；

（2）由隔爆电机驱动的超高压泵站；

（3）蓄存压裂介质水和油的储能器；

（4）静压水进水管路；

（5）便携式进水管路；

（6）快速连接的高压供水管路；

（7）高压手动泵站；

（8）封隔器（印模器）和注水管路的辅助提升装置。

4.1.3测试方法

（1）选取测试孔段，一般情况下，测试孔段的选取主要是根据岩芯完整程度，选择岩芯比较完整的孔段进行测量。

（2）钻杆泄漏试验。

正式压裂以前，对所有的钻杆进行高压下的泄漏试验。

对有轻微泄漏的钻杆及接头进行防漏处理或剔除，以保证试验的可靠性。

（3）压裂。

待相关的准备工作结束，各种仪器、设备运转正常的情况下，将封隔器下到某一预选的孔段，用手动泵给封隔器注压，并保持在某一压力下（压力的高低视各方面条件来定），然后接通高压油泵，向压裂段注压，直到岩石破裂后关泵停止加压，待压力稳定后，使压裂管道的压力与大气接通，这样第一个回次的试验就结束了。

（4）重张试验。

待压裂管道内的压力完全回零后，即可开始第二个回次的试验，直到第一次产生的破裂缝重新张开，其实时曲线表现为偏离线性关系，然后关泵，再继续记录一段压力随时间的衰减曲线后，将压裂管道与大气接通，使压力回零，一般情况下，重张试验需重复3-4次。

（5）印模。

将带有罗盘定向装置的印模胶筒下到已经产生压裂缝的孔段，加压并保持一段时间，然后把其拿出孔外，把印模胶筒上的裂隙痕迹描在专用薄膜上，记录好相应的参数，以备室内整理。

（6）确定裂纹方向。

在暗箱内从罗盘内取出像纸，放在显影液和定影液中冲洗照片，以确定基线与罗盘指针角度。

用一透明薄膜，将印模胶筒上的基线和裂纹迹线描在薄膜上，以测取裂纹与基线的夹角，并及时标注上下端。

根据罗盘指针与基线夹角和基线与裂纹之间的夹角，便可确定裂纹的方位角。

4.2煤岩体强度测试仪器

4.2.1煤岩体强度测试指标

煤岩体强度测试采用WQCZ-56型小孔径强度测量装置，具体指标如下：

（1）测量钻孔直径56mm；

（2）最大深度30m；

（3）最大水压100MPa；

（4）正常情况下每一测点的测量时间不超过0.5小时；

（5）测试精度能够满足工程设计的要求。

4.2.2煤岩体强度测试仪器组成

根据测量指标，北京开采所自主研制WQCZ-56型小孔径井下煤岩体强度测试装置的组成为：

（1）φ54mm探头；

（2）便携式探针位移指示仪；

（3）安装杆；

（4）高压供油管路；

（5）高压手动泵。

4.2.3仪器技术特征

该仪器的技术特征为：

防爆型式：

iI矿用本质安全型；

　　使用环境：

0～40C，相对湿度95%3%，周围不含有腐蚀性气体；

　　被测钻孔深度：

0～10m；被测钻孔直径：

562mm；

　被测岩体强度范围：

0～100MPa；

　　测定仪指示范围：

0～14mm；

　　测定仪精度：

5级；

图5WQCZ-56型围岩强度测定装置

手摇泵额定工作压力：

100MPa；

测试精度：

1.5级；

液压系统工作液：

20号机油。

5测试结果总结分析

利用地质力学测试设备进行地应力、煤岩体强度测试以及煤岩体结构观察，根据测试及观察结果，对神新公司大洪沟煤矿进行地质力学评估与总结，并且把测试成果直接应用于巷道支护参数设计、以及煤柱稳定性分析、巷道断面优化、巷道支护方案优化等。

地质力学测试主要针对以下内容进行总结分析：

（1）根据地应力测试结果，分析神新公司大洪沟煤矿的地应力分布规律；

（2）根据煤岩体强度测试结果，分析神新公司大洪沟煤矿的巷道煤岩体强度分布与变化规律；

（3）根据煤岩体观察结果，分析……煤矿的巷道煤岩体结构分布与变化规律。

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仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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