D0L:10.13374/.issn1001-053x.2013.11.003 第35卷第11期 北京科技大学学报 Vol.35 No.11 2013年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2013 平煤十矿地应力测量及其应用 蔡美峰1,2，郭奇峰12)区，李远12)，杜振斐)，刘金辉12) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 2)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 3)北京矿治研究总院，北京100161 通信作者，E-mail:qifeng.024@163.com 摘要平煤十矿采用三维套孔应力解除地应力测量技术和具有温度补偿功能的空心包体应变计，完成了矿区6个水 平、11个测点的现场地应力实测，最大测点深度达到1123m.这是我国煤矿首次采用应力解除法进行系统的矿区地应 力测量并且测量深度超1100m.通过测量获得了矿区11个测点的三维地应力状态，揭示了矿区地应力场的分布规律， 建立了矿区地应力场模型.针对平煤十矿是我国典型的高瓦斯矿井、深部采矿存在引发煤（岩）爆和瓦斯爆炸的高危险 性，本文提出：根据实测地应力数据，采用数值模拟技术，定量计算开挖扰动引起的开采煤层和围岩中能量聚集状况及 其随采矿过程的变化规律，借助地震学的知识，根据能量聚集状态对未来开采可能引发煤（岩）爆的时间、地点和震级 进行预测 关键词煤矿：应力测量：应力分析：数学模型：岩爆：预测 分类号TD311 In situ stress measurement and its application in the 10th Mine of Pingdingshan Coal Group CAI Mei-feng.2),GUO Qi-feng.2,LI Yuan2),DU Zhen-fe),LIU Jin-hui2) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education of China),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Beijing General Research Institute of Mining Metallurgy,Beijing 100161,China Corresponding author,E-mail:qifeng-024@163.com ABSTRACT In situ stress measurements were carried out at 11 points of 6 levels in the 10th Mine owned by Pingdingshan Coal Group,using a three-dimensional(3D)overcoring stress measurement technique and hollow inclusion strain gages.The maximum measuring depth reaches 1123 m,and it is the first time to apply the overcoring technique to make systematical stress measurements with the measuring depth exceeding 1100 m at coal mines.3D in-silu stress states at these 11 points were determined by the measurements.Based on measuring results,the regularities of in situ stress states in the mine were obtained and a mathematical model of regional stress field was also established.According to the high risk of coal (rock)bursts and gas explosion in deep mining of the coal mine,a method for predicting coal (rock) bursts was provided as follows.Based on numerical simulation and in situ measurement results,quantitative calculations are made of energy accumulation and its variation with mining process in the rock(coal)mass and surrounding rock, and then according to accumulated energy distribution,the seismology technology is used to predict the place,time and magnitude of coal(rock)bursting induced by future mining. KEY WORDS coal mines:stress measurement;stress analysis;mathematical models;rock burst;prediction 收稿日期：2012-11-19 基金项目：“十一五”因家科技支撑计划资助项目(2006BAK04B02):因家自然科学基金重点资助项目(51034001)
第 35 卷 第 11 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 11 2013 年 11 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov. 2013 平煤十矿地应力测量及其应用 蔡美峰1,2)，郭奇峰1,2) ，李 远1,2)，杜振斐3)，刘金辉1,2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 北京矿冶研究总院，北京 100161 通信作者，E-mail: qifeng 024@163.com 摘 要 平煤十矿采用三维套孔应力解除地应力测量技术和具有温度补偿功能的空心包体应变计，完成了矿区 6 个水 平、11 个测点的现场地应力实测，最大测点深度达到 1123 m. 这是我国煤矿首次采用应力解除法进行系统的矿区地应 力测量并且测量深度超 1100 m. 通过测量获得了矿区 11 个测点的三维地应力状态，揭示了矿区地应力场的分布规律， 建立了矿区地应力场模型. 针对平煤十矿是我国典型的高瓦斯矿井、深部采矿存在引发煤 (岩) 爆和瓦斯爆炸的高危险 性，本文提出：根据实测地应力数据，采用数值模拟技术，定量计算开挖扰动引起的开采煤层和围岩中能量聚集状况及 其随采矿过程的变化规律，借助地震学的知识，根据能量聚集状态对未来开采可能引发煤 (岩) 爆的时间、地点和震级 进行预测. 关键词 煤矿；应力测量；应力分析；数学模型；岩爆；预测 分类号 TD311 In situ stress measurement and its application in the 10th Mine of Pingdingshan Coal Group CAI Mei-feng1,2), GUO Qi-feng1,2) , LI Yuan1,2), DU Zhen-fei3), LIU Jin-hui1,2) 1) School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education of China),University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy, Beijing 100161, China Corresponding author, E-mail: qifeng 024@163.com ABSTRACT In situ stress measurements were carried out at 11 points of 6 levels in the 10th Mine owned by Pingdingshan Coal Group, using a three-dimensional (3D) overcoring stress measurement technique and hollow inclusion strain gages. The maximum measuring depth reaches 1123 m, and it is the first time to apply the overcoring technique to make systematical stress measurements with the measuring depth exceeding 1100 m at coal mines. 3D in-situ stress states at these 11 points were determined by the measurements. Based on measuring results, the regularities of in situ stress states in the mine were obtained and a mathematical model of regional stress field was also established. According to the high risk of coal (rock) bursts and gas explosion in deep mining of the coal mine, a method for predicting coal (rock) bursts was provided as follows. Based on numerical simulation and in situ measurement results, quantitative calculations are made of energy accumulation and its variation with mining process in the rock (coal) mass and surrounding rock, and then according to accumulated energy distribution, the seismology technology is used to predict the place, time and magnitude of coal (rock) bursting induced by future mining. KEY WORDS coal mines; stress measurement; stress analysis; mathematical models; rock burst; prediction 收稿日期：2012-11-19 基金项目：“十一五” 国家科技支撑计划资助项目 (2006BAK04B02)；国家自然科学基金重点资助项目 (51034001) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.003
.1400 北京科技大学学报 第35卷 平顶山煤业集团有限责任公司十刊矿（简称平煤 力计算方法保证了应力测量计算结果的准确性，获 十矿)位于河南省平顶山市东部，距平顶山市区 国家技术发明奖的“实现完全温度补偿并考虑岩体 6km.该矿目前开采深度已超过1100m,随着开 非线性的地应力解除测量技术”使地应力测量的可 采深度的增加，地应力迅速增加，地质条件恶化， 靠性和精度得到大幅度提高. 造成高地压、煤（岩）爆、采场和巷道失稳破坏等严 20世纪60年代末提出的水压致裂法，本质上 重问题口.平煤十矿是我国典型的高瓦斯矿井，煤 只是一种二维应力测量方法，其测量可靠性和精度 (岩)爆引起的瓦斯爆炸将会造成巨大的灾难.高地 总的来说尚不及应力解除法.但在一些特殊的工程 应力是引起煤（岩）爆的直接原因.为了保证矿山开 或特殊的阶段，如深凹露天矿和地下矿的前期勘探 采安全，必须进行矿山开采设计的优化，并采用有 阶段，没有地下设施可接近测点，采用水压致裂法 效措施预测和控制煤（岩）爆、瓦斯爆炸以及采场和 对地下岩体的地应力状态进行初步测量，为工程设 巷道的失稳与破坏②.准确的现场地应力资料是进 计提供依据乃是最佳的选择.在地下矿的施工过程 行这种优化设计不可缺少的前提3-4，为此在平煤 中或施工结束后，由于有一系列井巷、隧道和通道 十矿进行了现场地应力实测 可到达测点，再使用应力解除法进行更详细的测量， 应力解除法和水压致裂法是目前国内外普遍 不但能获得更可靠和准确的地应力资料，而且经济 应用的两种地应力测量技术.其中，套孔应力解 上也是最合理的 除法是发展时间最长、技术上比较成熟的一种测量 1 测量技术与测点布置 方法5-6.最早的实用性地应力测量始于20世纪 50年代，哈斯特(H.Hast)采用套孔应力解除法在 1.1三维孔壁应变测量与空心包体应变计 瑞典和挪威的矿山进行地应力测量.20世纪60年 根据上述介绍，作为最佳选择，平煤十矿采 代中期以前，地应力测量基本上处于二维测量的水 用三维套孔应力解除法和空心包体应变计进行刊矿区 平，即通过一个钻孔的测量，只能确定一点的二维 地应力实测.为了采用完全温度补偿技术，对传 应力状态：要确定一点的三维应力状态必须进行相 统的空心包体应变计进行了设计上和结构上的重大 交于一点且互不平行的三个钻孔的测量.60年代中 改进同 后期，黎曼(E.R.Leeman)发明了以三轴孔壁应变 空心包体应变计是三轴孔壁应变计的改进技 计为代表的三维地应力测量技术，即通过一个钻孔 术，用于测量应力解除过程中小孔孔壁的三维应变 的套孔应力解除测量，就可以确定一点的三维应力 值.通常测量小孔孔壁上3个点(A,B,C)的应变 状态，这是地应力测量技术的一个重大进步.70年 值，3个点位于小孔表面的同一圆轴线上，相互间 代中期，沃罗特尼基(G.Worotnicki)和沃尔顿(R. 隔120°：在每一点，测量4个方向的应变值，其 Walton)发明了空心包体应变计，解决了三轴孔壁 中e。是周向应变，e2是轴向应变，e45是与钻孔轴 应变计因应变片胶结质量不稳定造成的问题.因优 线成45°的斜向应变，e-45是与钻孔轴线成-45° 点突出，目前空心包体应变计仍是全世界最广泛使 的斜向应变，如图1所示.根据测量得到的小孔表 用的一种地应力解除测量技术. 面12个方向的应变值，可以确定测点的三维应力 套孔应力解除法采用套钻的方法使钻孔岩芯 状态 实现应力解除，通过测量套孔岩芯中同心小孔的变 形或应变，计算出地应力.用于测量小孔变形或应 变的三轴孔壁应变计、空心包体应变计等均采用在 孔壁上胶结电阻应变片进行测量.电阻应变片对温 度变化非常敏感，必须通过温度补偿消除温度变化 的影响.传统的温度补偿方法不适用于胶结式应变 计，完全温度补偿技术解决了这一问题5，列.此外， 由测量的小孔应变值计算地应力需要知道岩石的变 形模量值.传统的计算理论假定岩石是线弹性的， 其弹性模量是一个常数.实际上一般岩石均具有非 线性，其弹性模量值是随应力水平而变化的.蔡美 图1三维孔壁应变测量示意图 峰等6，可提出的变形模量与应力水平相一致的地应 Fig.1 Sketch of hollow triaxial strain measurements
· 1400 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 平顶山煤业集团有限责任公司十矿 (简称平煤 十矿) 位于河南省平顶山市东部， 距平顶山市区 6 km. 该矿目前开采深度已超过 1100 m，随着开 采深度的增加，地应力迅速增加，地质条件恶化， 造成高地压、煤 (岩) 爆、采场和巷道失稳破坏等严 重问题 [1] . 平煤十矿是我国典型的高瓦斯矿井，煤 (岩) 爆引起的瓦斯爆炸将会造成巨大的灾难. 高地 应力是引起煤 (岩) 爆的直接原因. 为了保证矿山开 采安全，必须进行矿山开采设计的优化，并采用有 效措施预测和控制煤 (岩) 爆、瓦斯爆炸以及采场和 巷道的失稳与破坏 [2] . 准确的现场地应力资料是进 行这种优化设计不可缺少的前提 [3−4]，为此在平煤 十矿进行了现场地应力实测. 应力解除法和水压致裂法是目前国内外普遍 应用的两种地应力测量技术. 其中，套孔应力解 除法是发展时间最长、技术上比较成熟的一种测量 方法 [5−6] . 最早的实用性地应力测量始于 20 世纪 50 年代，哈斯特 (H. Hast) 采用套孔应力解除法在 瑞典和挪威的矿山进行地应力测量. 20 世纪 60 年 代中期以前，地应力测量基本上处于二维测量的水 平，即通过一个钻孔的测量，只能确定一点的二维 应力状态；要确定一点的三维应力状态必须进行相 交于一点且互不平行的三个钻孔的测量. 60 年代中 后期，黎曼 (E.R. Leeman) 发明了以三轴孔壁应变 计为代表的三维地应力测量技术，即通过一个钻孔 的套孔应力解除测量，就可以确定一点的三维应力 状态，这是地应力测量技术的一个重大进步. 70 年 代中期，沃罗特尼基 (G. Worotnicki) 和沃尔顿 (R. Walton) 发明了空心包体应变计，解决了三轴孔壁 应变计因应变片胶结质量不稳定造成的问题. 因优 点突出，目前空心包体应变计仍是全世界最广泛使 用的一种地应力解除测量技术. 套孔应力解除法采用套钻的方法使钻孔岩芯 实现应力解除，通过测量套孔岩芯中同心小孔的变 形或应变，计算出地应力. 用于测量小孔变形或应 变的三轴孔壁应变计、空心包体应变计等均采用在 孔壁上胶结电阻应变片进行测量. 电阻应变片对温 度变化非常敏感，必须通过温度补偿消除温度变化 的影响. 传统的温度补偿方法不适用于胶结式应变 计，完全温度补偿技术解决了这一问题 [5,7] . 此外， 由测量的小孔应变值计算地应力需要知道岩石的变 形模量值. 传统的计算理论假定岩石是线弹性的， 其弹性模量是一个常数. 实际上一般岩石均具有非 线性，其弹性模量值是随应力水平而变化的. 蔡美 峰等 [5,7] 提出的变形模量与应力水平相一致的地应 力计算方法保证了应力测量计算结果的准确性，获 国家技术发明奖的 “实现完全温度补偿并考虑岩体 非线性的地应力解除测量技术” 使地应力测量的可 靠性和精度得到大幅度提高. 20 世纪 60 年代末提出的水压致裂法，本质上 只是一种二维应力测量方法，其测量可靠性和精度 总的来说尚不及应力解除法. 但在一些特殊的工程 或特殊的阶段，如深凹露天矿和地下矿的前期勘探 阶段，没有地下设施可接近测点，采用水压致裂法 对地下岩体的地应力状态进行初步测量，为工程设 计提供依据乃是最佳的选择. 在地下矿的施工过程 中或施工结束后，由于有一系列井巷、隧道和通道 可到达测点，再使用应力解除法进行更详细的测量， 不但能获得更可靠和准确的地应力资料，而且经济 上也是最合理的. 1 测量技术与测点布置 1.1 三维孔壁应变测量与空心包体应变计 根据上述介绍，作为最佳选择，平煤十矿采 用三维套孔应力解除法和空心包体应变计进行矿区 地应力实测. 为了采用完全温度补偿技术，对传 统的空心包体应变计进行了设计上和结构上的重大 改进 [6] . 空心包体应变计是三轴孔壁应变计的改进技 术，用于测量应力解除过程中小孔孔壁的三维应变 值. 通常测量小孔孔壁上 3 个点 (A, B, C) 的应变 值，3 个点位于小孔表面的同一圆轴线上，相互间 隔 120◦；在每一点，测量 4 个方向的应变值，其 中 εθ 是周向应变，εz 是轴向应变，ε45 是与钻孔轴 线成 45◦ 的斜向应变，ε−45 是与钻孔轴线成 –45◦ 的斜向应变，如图 1 所示. 根据测量得到的小孔表 面 12 个方向的应变值，可以确定测点的三维应力 状态. 图 1 三维孔壁应变测量示意图 Fig.1 Sketch of hollow triaxial strain measurements
第11期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 .1401· 三轴孔壁应变计通过直接粘贴在小孔孔壁上 表1地应力各测点相关条件 的3组应变片，测量应力解除过程中小孔孔壁的 Table 1 Layout of stress measuring points with relevant 应变值.由于小孔表面岩石的缺陷等因素影响，很 conditions 难保证粘贴质量，而粘贴质量是保证孔壁应变计能 测点深度/m 岩性 钻孔长度/mRQD/% 1# 1123 石英粉砂岩 9.75 49.7 够准确测量孔壁应变值的关键.在空心包体应变计 2# 1061 粉砂泥岩 9.84 77.3 中，用于测量小孔孔壁变形的3组应变片嵌埋在一 3# 1061 粉砂泥岩 9.81 59.3 个厚度为1.5mm的空心圆筒的筒壁中，其位置排 4※ 785 白砂岩 8.68 44.0 列如图1所示.测量过程中，长1520cm的空心 5# 793 白砂岩 9.04 36.1 869 粉砂泥岩 9.70 10.5 圆筒的外壁和钻孔的孔壁整体胶结在一起.由于空 7# 869 石英粉砂岩 9.22 49.6 心圆筒的孔壁是非常柔性的，因而嵌埋在其中的应 8* 514 泥岩 11.28 92.9 变片能够自由地测量到应力解除过程中钻孔孔壁的 9* 514 泥岩 10.65 95.8 10# 应变值.该方法不但保证了胶结的质量，而且注入 914 泥岩 9.29 32.4 11# 914 泥岩 9.35 32.8 空心包体应变计和钻孔孔壁之间的胶结剂能够渗入 注：RQD为大于或等于10cm的岩芯长度之和与钻孔长 岩石表面使其固结化，从而保证应力解除测量的成 度的百分比值 功 根据由空心包体应变计12只应变片测量得到 2测量结果 的应变值，钻孔周围的三维应力状态（即测点的三 2.1应力解除试验结果 维应力状态)可以通过下列式计算同： 在应力解除开始时，由应力解除引起的应变值 0=言a.+h+21-叫 是很小的，随着套孔应力解除深度增大，监测到的 [(oy-0z)cos20-2Tzy sin 20]k2 -vo:ka},(1) 应变值逐渐增加，在套钻接近探头的粘贴部位时出 现应变值的急剧上升，套孔超过应变片粘贴部位后， 1 e:=Eo:-v(oz+og川， (2) 监测到的应变值逐渐趋于平衡，在应变值最终稳定 后停止套钻.2组代表性的应力解除曲线示于图2 Yo:=(1+)(Tv:cos0-Tazsin)ks, 4 (3) 11个测点的最终稳定应变值列于表2，它们是 1 用于地应力计算的未经修正的原始数据.应力解除 e±45o=2(e0+ea±0z) (4) 过程中各测点的温度变化值列于表2的最后一列. 式中：0z、0y、02、TyTy:和T红是位于三维直角 2.2温度标定试验结果 坐标系OXYZ中的测点三维应力的6个分量，由 完全温度补偿技术包含两个要点：(1)连续监 这6个分量可以确定3个主应力1、2和3的 测应力解除过程中测点温度的变化：(2)通过温度标 大小和方向：E和v为测点岩石的变形模量和泊松 定试验测定每一测点、每一应变片的温度应变率， 比：1、2、3和k4为四个修正系数 即温度变化1。产生的应变值.因此，温度标定试 若将式(1)和式(3)中的4个修正系数去掉，即 验是完全温度补偿技术最重要的一个环节.11个测 变成了由直接粘贴在钻孔壁上的3组应变片测量的 点的温度标定试验结果见表3.表中，8#测点e-45 应变值（即三轴孔壁应变计）计算地应力的式子.这 没有读数，以下计算采用该测点e45的结果 4个系数是为了修正在空心包体应变计中的应变片 2.3三维地应力测量结果 不是直接粘贴在孔壁上造成的影响. 1.2测点布置 由表3中的温度标定试验结果和表2所列的各 选定测量方法后，合理确定测点数目和测点位 测点的温度变化值，可以计算出应力解除过程中各 置对保证测量结果，较准确地从空间上反应整个矿 测点各应变片的虚假温度应变值.将其从表2中给 区的地应力状态及其分布规律具有十分重要的意 出的最终稳定应变值中剔除出去，就得到了真正由 义.根据这一原则，经过精心选择，平煤十矿地应 于应力解除引起的应变值.根据应力解除引起的应 力测量安排在6个水平、11个测点上进行，各点的 变值和式(1)~式(4)就可以计算出各测点的三维 相关条件见表1. 应力状态.在每一测点，每组应变花的测量结果可 得到4个方程，3组应变花可得到12个方程：即使
第 11 期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 1401 ·· 三轴孔壁应变计通过直接粘贴在小孔孔壁上 的 3 组应变片，测量应力解除过程中小孔孔壁的 应变值. 由于小孔表面岩石的缺陷等因素影响，很 难保证粘贴质量，而粘贴质量是保证孔壁应变计能 够准确测量孔壁应变值的关键. 在空心包体应变计 中，用于测量小孔孔壁变形的 3 组应变片嵌埋在一 个厚度为 1.5 mm 的空心圆筒的筒壁中，其位置排 列如图 1 所示. 测量过程中，长 15∼20 cm 的空心 圆筒的外壁和钻孔的孔壁整体胶结在一起. 由于空 心圆筒的孔壁是非常柔性的，因而嵌埋在其中的应 变片能够自由地测量到应力解除过程中钻孔孔壁的 应变值. 该方法不但保证了胶结的质量，而且注入 空心包体应变计和钻孔孔壁之间的胶结剂能够渗入 岩石表面使其固结化，从而保证应力解除测量的成 功. 根据由空心包体应变计 12 只应变片测量得到 的应变值，钻孔周围的三维应力状态 (即测点的三 维应力状态) 可以通过下列式计算 [5]： εθ = 1 E © (σx + σy) k1 + 2 ¡ 1 − υ 2 ¢ [(σy − σx) cos 2θ − 2τxy sin 2θ] k2 − υσzk4}, (1) εz = 1 E [σz − υ (σx + σy)] , (2) γθz = 4 E (1 + υ) (τyz cos θ − τzx sin θ) k3, (3) ε±45o = 1 2 (εθ + εz ± γθz) . (4) 式中：σx、σy、σz、τxy、τ yz 和 τ zx 是位于三维直角 坐标系 OXYZ 中的测点三维应力的 6 个分量，由 这 6 个分量可以确定 3 个主应力 σ1、σ2 和 σ3 的 大小和方向；E 和 υ 为测点岩石的变形模量和泊松 比；k1、k2、k3 和 k4 为四个修正系数. 若将式 (1) 和式 (3) 中的 4 个修正系数去掉，即 变成了由直接粘贴在钻孔壁上的 3 组应变片测量的 应变值 (即三轴孔壁应变计) 计算地应力的式子. 这 4 个系数是为了修正在空心包体应变计中的应变片 不是直接粘贴在孔壁上造成的影响. 1.2 测点布置 选定测量方法后，合理确定测点数目和测点位 置对保证测量结果，较准确地从空间上反应整个矿 区的地应力状态及其分布规律具有十分重要的意 义. 根据这一原则，经过精心选择，平煤十矿地应 力测量安排在 6 个水平、11 个测点上进行，各点的 相关条件见表 1. 表 1 地应力各测点相关条件 Table 1 Layout of stress measuring points with relevant conditions 测点 深度/m 岩性 钻孔长度/m RQD/% 1# 1123 石英粉砂岩 9.75 49.7 2# 1061 粉砂泥岩 9.84 77.3 3# 1061 粉砂泥岩 9.81 59.3 4# 785 白砂岩 8.68 44.0 5# 793 白砂岩 9.04 36.1 6# 869 粉砂泥岩 9.70 10.5 7# 869 石英粉砂岩 9.22 49.6 8# 514 泥岩 11.28 92.9 9# 514 泥岩 10.65 95.8 10# 914 泥岩 9.29 32.4 11# 914 泥岩 9.35 32.8 注：RQD 为大于或等于 10 cm 的岩芯长度之和与钻孔长 度的百分比值. 2 测量结果 2.1 应力解除试验结果 在应力解除开始时，由应力解除引起的应变值 是很小的，随着套孔应力解除深度增大，监测到的 应变值逐渐增加，在套钻接近探头的粘贴部位时出 现应变值的急剧上升，套孔超过应变片粘贴部位后， 监测到的应变值逐渐趋于平衡，在应变值最终稳定 后停止套钻. 2 组代表性的应力解除曲线示于图 2. 11 个测点的最终稳定应变值列于表 2，它们是 用于地应力计算的未经修正的原始数据. 应力解除 过程中各测点的温度变化值列于表 2 的最后一列. 2.2 温度标定试验结果 完全温度补偿技术包含两个要点：(1) 连续监 测应力解除过程中测点温度的变化；(2) 通过温度标 定试验测定每一测点、每一应变片的温度应变率， 即温度变化 1 ◦ 产生的应变值. 因此，温度标定试 验是完全温度补偿技术最重要的一个环节. 11 个测 点的温度标定试验结果见表 3. 表中，8 # 测点 ε−45 没有读数，以下计算采用该测点 ε45 的结果. 2.3 三维地应力测量结果 由表 3 中的温度标定试验结果和表 2 所列的各 测点的温度变化值，可以计算出应力解除过程中各 测点各应变片的虚假温度应变值. 将其从表 2 中给 出的最终稳定应变值中剔除出去，就得到了真正由 于应力解除引起的应变值. 根据应力解除引起的应 变值和式 (1)∼ 式 (4) 就可以计算出各测点的三维 应力状态. 在每一测点，每组应变花的测量结果可 得到 4 个方程，3 组应变花可得到 12 个方程；即使
.1402 北京科技大学学 报 第35卷 3000 1800 A, A,8: 1600 一 2500 , . A,Ev 1400 A,E- 2000 1200 一 .to 1000 1500 B ,E 800 1000 C, C,Eg 600 C,E 500 400 200 12162024283236 0 4 0 4 8 1216202428323640 -500 解除深度/cm 解除深度/cm (a) (b) 图2代表性应力解除曲线.(a)7号测点；(b)8号测点 Fig.2 Typical strain-overcoring distance curves:(a)test point 7;(b)test point 8 表2应力解除试验结果 Table 2 Measuring results of stress relief by overcoring experiments 应力解除最终稳定应变值/10-6 测点 A B 温度变化值/℃ E: e45 E-45 F:e45 e-45 E: E45 E-45 1※ 1363 19122425 823 137988511131010 136011971256 1534 2 2# 1050641 699 400 725420467 1353 814478 475 630 3# 953 11591429 1093 769 979 1229 843 1022 1026 1503 1140 3 4# 9101132 390 1015378 1063 1066 471 386 435 483 2 400 1175 1366 460 487 1262 1979 660 893 1675 424 1 6# 661 948 793 603 255 550 969 325 5701160 2438 2548 1 7* 860 1885 2970 439 569 574 1312 1113 1018 381 600 891 2 8# 1044 17181465 643 756 68311941304 6181095 4 9# 758 654 991 856 406 1764 2003 309 2446 1793 10# 691 11991079 661 844 11143040 2824 6511181 826 2 11# 859 1731 17131394 1714 1051 560 1732 1329 962 1593 1079 3 表3温度标定试验结果 Table 3 Measuring results of temperature calibration experiments 温度应变率/10一6 测点 A B C e45e0 E-45 E:E45 E-45 Ez e45 E-45 1# 4317 14 56 12 31 53 12 25 57 30 52 2# 56 44 44 25 40 35 14 56 25 28 19 3# 47 24 47 39 31 24 16 31 27 44 26 4# 32 西 30 39 19 41 47 30 32 18 56 5# 26 48 15 54 56 31 40 54 15 23 44 28 6# 33 39 46 17 26 47 28 52 25 22 49 7# 21 35 58 41 26 25 45 57 49 23 42 % 8# 29 11 60 31 37 37 9# 57 49 39 58 54 27 27 59 39 34 11 22 10# 32 31 23 18 39 40 41 29 11# 45 49 23 34 48 54 6 28 51 14 59 21
· 1402 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 2 代表性应力解除曲线. (a) 7 号测点; (b) 8 号测点 Fig.2 Typical strain-overcoring distance curves: (a) test point 7; (b) test point 8 表 2 应力解除试验结果 Table 2 Measuring results of stress relief by overcoring experiments 测点 应力解除最终稳定应变值/10−6 A B C 温度变化值/℃ εz ε45 εθ ε–45 εz ε45 εθ ε–45 εz ε45 εθ ε–45 1# 1363 1912 2425 823 1379 885 1113 1010 1360 1197 1256 1534 2 2# 1050 641 699 400 725 420 467 1353 814 478 475 630 2 3# 953 1159 1429 1093 769 979 1229 843 1022 1026 1503 1140 3 4# 910 1132 390 — 1015 378 1063 1066 471 386 435 483 2 5# 400 1175 1366 460 487 — 1262 1979 660 893 1675 424 1 6# 661 948 793 603 255 550 969 325 570 1160 2438 2548 1 7# 860 1885 2970 439 569 574 1312 1113 1018 381 600 891 2 8# 1044 1718 1465 643 756 683 1194 1304 618 1095 — — 4 9# 758 654 991 856 406 — 1764 2003 309 2446 1793 — 1 10# 691 1199 1079 661 844 1114 3040 2824 651 1181 826 — 2 11# 859 1731 1713 1394 1714 1051 560 1732 1329 962 1593 1079 3 表 3 温度标定试验结果 Table 3 Measuring results of temperature calibration experiments 测点 温度应变率/10−6 A B C εz ε45 εθ ε–45 εz ε45 εθ ε–45 εz ε45 εθ ε–45 1# 43 17 14 56 12 31 53 12 25 57 30 52 2# 56 44 44 25 40 35 14 56 25 28 18 19 3# 47 24 47 39 31 24 16 31 27 44 41 26 4# 32 18 30 39 19 41 47 30 32 18 56 35 5# 26 48 15 54 56 31 40 54 15 23 44 28 6# 52 33 39 46 17 26 47 28 52 25 22 49 7# 21 35 58 41 26 25 45 57 49 23 42 46 8# 28 39 29 25 11 60 31 39 37 30 37 — 9# 57 49 39 58 54 27 27 59 39 34 11 22 10# 42 56 32 31 23 43 18 39 40 41 42 29 11# 45 49 23 34 48 54 36 28 51 14 59 21
第11期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 1403· 有些测点缺12个方程，但3组应变花的测量结果 见文献5]. 至少可以提供6个独立方程，因而就可解出三维应 平煤十矿各测点的测量结果见表4.表中，σ1、 力状态的六个未知量(or,0y,O2,Txy,Ty2,Tx). 2和3分别为最大主应力、中间主应力和最小主 根据式(1)~式(4)，由测量应变值计算地应力 应力：倾角以水平面为基准，与水平面夹角朝上为 还需要知道测点岩石的弹性模量(E)和泊松比() 正，朝下为负（由于地应力是位于一条线上的一对 值.平煤十矿各测点岩石的E和v值通过套孔岩芯 矢量，如某点的一个主应力位于北东-南西方向， 的围压率定试验获得：套孔岩芯是每次应力解除试 从第一象限看它的倾角为正，从第三象限看它的倾 验完成后从现场取回的，从而保证了计算使用的E 角则为负)：走向以正北为0°，从北向东旋转计数， 和v值是真正对应于测点岩石的.具体试验方法参 转到正北为360°. 表4平煤十矿三维地应力测量结果 Table 4 Measuring results of 3D in-situ stress states in the 10th mine of Pingdingshan Coal Group 测点 01 02 03 数值/MPa方向/()倾角/() 数值/MPa方向/()倾角/() 数值/MPa方向/()倾角/（°） 1# 65.46 60.1 -1.0 38.06 209.4 -75.8 31.26 149.2 15.3 2# 43.06 228.1 13.3 26.10 60.5 76.2 22.36 137.5 -2.5 3# 44.06 60.4 -1.8 28.38 155.3 -71.6 24.20 149.1 17.5 4# 34.32 202.4 -16.9 22.19 219.0 71.4 18.29 293.4 -4.8 5# 36.19 60.3 15.0 25.07 49.3 -73.6 19.07 330.1 3.4 6# 44.40 56.0 -13.6 25.48 333.3 -11.5 17.18 21.5 70.4 7# 44.28 61.5 -5.6 26.09 330.3 -8.8 18.45 6.1 79.4 8* 31.43 53.2 6.1 17.48 131.1 -72.6 15.44 146.2 16.1 9# 29.30 229.1 -6.8 18.34 137.4 -16.9 17.10 160.2 72.2 10# 40.20 43.1 -7.8 28.27 132.2 2.3 14.24 27.5 81.4 11# 43.36 229.2 9.3 23.12 133.0 -4.5 16.42 42.0 79.1 3 测量结果分析与应用 表5可以看出：11个测点中有3个测点垂直应力值 3.1地应力测量结果分析 σv与自重应力的比值为0.98~1.13，说明两者是非 常接近的：有4个测点的比值为1.26~1.36，说明垂 表4中的测量结果显示了平煤十矿地应力状态 直应力大于自重应力：在其余的4个测点，比值为 具有如下规律 0.620.85,说明垂直应力小于自重应力，这与测点 (1)最大主应力σ1接近水平方向.在11个测 上方存在很多采空区，导致上覆岩层的重量减少有 点中有7个点的σ1的倾角小于10°，说明是非常接 很大关系，因为平煤十矿1964年正式投产，经过近 近水平的；σ1的倾角最大值为16.9°(4#测点).在 50年的开采，目前开采深度已超过800m,在采区 此情况下，最大主应力σ1标注为最大水平主应力 上部形成大量采空区 (oh.max),在每一测点还有一个主应力，可能是o2 (3)最大水平主应力大于垂直应力或自重应力 或3也接近于水平方向，标注为最小水平主应力 最大水平主应力与垂直主应力的比值各点平均为 (Ch.min). 1.99,最大值为2.82，最小值为1.44.最大水平主应 (2)每一测点另外一个主应力(a2或o3)接近 力和自重应力(H)的比值各测点平均为1.97，最 于垂直方向，其倾角均大于70°，称为垂直主应力 大值为2.45，最小值为1.62.表明平煤十矿的地应 (σ).表4显示各测点的垂直应力值接近于自重应 力场由水平方向的构造应力场所控制，而不是受自 力值YH(Y是岩石的容重，H为测点的深度).由 重应力场所控制. 表5相关应力的比值 Table 5 Values of ratio between relevant stresses 测点 1# 2￥ 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 平均值 av/H 1.360.981.071.131.260.790.851.361.33 0.62 0.72 1.04 Oh.max/dv 1.71 1.67 1.55 1.55 1.44 2.58 2.40 1.80 1.71 2.82 2.64 1.99 Ch.max/H 2.33 1.621.661.751.832.042.04 2.452.281.76 1.90 1.97
第 11 期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 1403 ·· 有些测点缺 1∼2 个方程，但 3 组应变花的测量结果 至少可以提供 6 个独立方程，因而就可解出三维应 力状态的六个未知量 (σx，σy，σz，τxy，τ yz，τ zx). 根据式 (1)∼ 式 (4)，由测量应变值计算地应力 还需要知道测点岩石的弹性模量 (E) 和泊松比 (υ) 值. 平煤十矿各测点岩石的 E 和 υ 值通过套孔岩芯 的围压率定试验获得；套孔岩芯是每次应力解除试 验完成后从现场取回的，从而保证了计算使用的 E 和 υ 值是真正对应于测点岩石的. 具体试验方法参 见文献 [5]. 平煤十矿各测点的测量结果见表 4. 表中，σ1、 σ2 和 σ3 分别为最大主应力、中间主应力和最小主 应力；倾角以水平面为基准，与水平面夹角朝上为 正，朝下为负 (由于地应力是位于一条线上的一对 矢量，如某点的一个主应力位于北东 – 南西方向， 从第一象限看它的倾角为正，从第三象限看它的倾 角则为负)；走向以正北为 0 ◦，从北向东旋转计数， 转到正北为 360◦ . 表 4 平煤十矿三维地应力测量结果 Table 4 Measuring results of 3D in-situ stress states in the 10th mine of Pingdingshan Coal Group 测点 σ1 σ2 σ3 数值/MPa 方向/(◦) 倾角/(◦) 数值/MPa 方向/(◦) 倾角/(◦) 数值/MPa 方向/(◦) 倾角/(◦) 1# 65.46 60.1 –1.0 38.06 209.4 –75.8 31.26 149.2 15.3 2# 43.06 228.1 13.3 26.10 60.5 76.2 22.36 137.5 –2.5 3# 44.06 60.4 –1.8 28.38 155.3 –71.6 24.20 149.1 17.5 4# 34.32 202.4 –16.9 22.19 219.0 71.4 18.29 293.4 –4.8 5# 36.19 60.3 15.0 25.07 49.3 –73.6 19.07 330.1 3.4 6# 44.40 56.0 –13.6 25.48 333.3 –11.5 17.18 21.5 70.4 7# 44.28 61.5 –5.6 26.09 330.3 –8.8 18.45 6.1 79.4 8# 31.43 53.2 6.1 17.48 131.1 –72.6 15.44 146.2 16.1 9# 29.30 229.1 –6.8 18.34 137.4 –16.9 17.10 160.2 72.2 10# 40.20 43.1 –7.8 28.27 132.2 2.3 14.24 27.5 81.4 11# 43.36 229.2 9.3 23.12 133.0 –4.5 16.42 42.0 79.1 3 测量结果分析与应用 3.1 地应力测量结果分析 表 4 中的测量结果显示了平煤十矿地应力状态 具有如下规律. (1) 最大主应力 σ1 接近水平方向. 在 11 个测 点中有 7 个点的 σ1 的倾角小于 10◦，说明是非常接 近水平的；σ1 的倾角最大值为 16.9◦ (4# 测点). 在 此情况下，最大主应力 σ1 标注为最大水平主应力 (σh.max)，在每一测点还有一个主应力，可能是 σ2 或 σ3 也接近于水平方向，标注为最小水平主应力 (σh.min). (2) 每一测点另外一个主应力 (σ2 或 σ3) 接近 于垂直方向，其倾角均大于 70◦，称为垂直主应力 (σv). 表 4 显示各测点的垂直应力值接近于自重应 力值 γH (γ 是岩石的容重，H 为测点的深度). 由 表 5 可以看出：11 个测点中有 3 个测点垂直应力值 σv 与自重应力的比值为 0.98∼1.13，说明两者是非 常接近的；有 4 个测点的比值为 1.26∼1.36，说明垂 直应力大于自重应力；在其余的 4 个测点，比值为 0.62∼0.85，说明垂直应力小于自重应力，这与测点 上方存在很多采空区，导致上覆岩层的重量减少有 很大关系，因为平煤十矿 1964 年正式投产，经过近 50 年的开采，目前开采深度已超过 800 m，在采区 上部形成大量采空区. (3) 最大水平主应力大于垂直应力或自重应力. 最大水平主应力与垂直主应力的比值各点平均为 1.99，最大值为 2.82，最小值为 1.44.最大水平主应 力和自重应力 (γH ) 的比值各测点平均为 1.97，最 大值为 2.45，最小值为 1.62. 表明平煤十矿的地应 力场由水平方向的构造应力场所控制，而不是受自 重应力场所控制. 表 5 相关应力的比值 Table 5 Values of ratio between relevant stresses 测点 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 平均值 σv/γH 1.36 0.98 1.07 1.13 1.26 0.79 0.85 1.36 1.33 0.62 0.72 1.04 σh.max/σv 1.71 1.67 1.55 1.55 1.44 2.58 2.40 1.80 1.71 2.82 2.64 1.99 σh.max/γH 2.33 1.62 1.66 1.75 1.83 2.04 2.04 2.45 2.28 1.76 1.90 1.97
.1404 北京科技大学学报 第35卷 (4)11个测点的最大主应力位于北东-南西方 巷道和采场的理想断面形状是椭圆，如果椭圆 向，平均走向为NE51.2° 的水平轴与垂直轴的比值和该断面水平应力与垂直 3.2平煤十矿地应力场模型 应力的比值相等，则巷道与采场边界上各点的切向 最大水平主应力，最小水平主应力和垂直主应 应力值均相等，即处于均匀压应力状态.这对减小 力值均随深度增加而增大，并且呈现近线性增长的 巷道和采场围岩的应力集中，保证其稳定性是有利 关系.采用线性回归的方法建立矿区的地应力场的 的.金川镍矿的建设过程是一个典型的例子.该矿 模型（即三个主应力随深度变化的规律），如式（⑤）~ 自20世纪60年代中期开始建设，由于运输和采矿 式()和图3所示.该模型提供了矿山采矿设计定 巷道的失稳破坏，开建10年后仍不能投产.主要问 量计算的力学边界条件 题是原有的运输和采矿巷道的断面形状不合理，其 高度大于宽度，而随后的地应力测量发现该矿的水 0h.max=0.04+0.0489H (5) 平应力明显大于垂直应力.在将巷道的断面形状改 0h.min=0.69+0.0276H, (6) 为宽度大于高度的“矮墙半圆拱”形状并改善喷锚 支护效果后，该矿即很快投产.金川镍矿是我国第 0v=0.01+0.0269H. (7) 一个进行实用性地应力测量的矿山同 式中：oh.max、oh.min和oy分别为最大水平主应力， 运输和采矿巷道、隧道的失稳与破坏也是平煤 最小水平主应力，垂直主应力，MPa:H是埋深，单 十矿面临的一个严重问题，上述优化方法和地应力 位为m. 实测成果为解决这个问题提供了有力的帮助. 应力/MPa 3.3.2采矿开挖设计优化 0 10 20 3040 50 60 70 采矿是一个非常复杂的过程，复杂性既来源于 各种开挖体多变的结构形状，也来源于多步开挖的 ·最大水平主应力 200 过程.采场周围的岩体通常是非线性、不连续、不 ·最小水平主应力 均质和各向异性的，不同的结构形状和不同的开挖 400 ▲垂直主应力 步骤都将导致采矿工程不同的稳定性状态.为了保 证采矿的稳定性和安全，必须进行开采结构与开挖 600 步骤的设计优化.传统的采矿设计是基于经验或者 800 工程类比的方法，当采矿开挖规模很小并位于近地 表的时候，这种方法还有一定应用效果.随着开采 1000 深度不断增加，开采规模不断扩大，简单的工程类 比方法失去了应用价值.合理的采矿设计必须根据 1200J 矿山实际的矿体、煤层赋存状况和工程地质条件， 图3 oh.max、oh.min和av随深度变化规律 通过定量的计算分析而做出.只有通过多种开采方 Fig.3 Change rules of oh.max:oh.min and ov with depth 案的系统定量计算分析与比较，才能做出优化的采 矿设计.所有的定量计算都有一个必需的前提条件， 3.3地应力测量结果在平煤十矿的相关应用 即已知的地应力状态，作为计算的力学边界条件. 3.3.1采矿工程设计优化 由于缺乏现场地应力资料，在很长一段时间内，大 在采矿工程中，对隧道、巷道和采场等进行优 量的采矿设计将自重应力作为力学边界条件.设计 化设计对保证矿山基本建设和随后采矿作业的安全 中垂直主应力大于水平主应力，这与实际的地应力 与高效是极为关键的. 状态通常是相反的，可能造成上述金川镍矿类似的 平煤十矿最大主应力方向平均为NE51.2°.根 采矿设计错误.平煤十矿的现场地应力实测结果和 据弹性力学理论，地下开挖体，包括巷道和采场的 建立的矿区地应力场模型为该矿的优化设计提供了 走向最好与最大主应力方向一致.因为在这种条件 可靠的基础. 下，作用于巷道和采场垂直剖面的是两个较小的主 3.3.3采矿过程中岩爆的有效预测 应力，对巷道和采场的稳定是有利的，当然这种布 平煤十矿存在煤（岩）爆及随之发生的瓦斯爆 置和设计还要服从矿山工程地质条件和采矿生产作 炸的危险倾向.煤（岩）爆是采矿开挖引起的能量聚 业的要求. 集和释放的动力过程，是一种由人工活动引发的地
· 1404 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 (4) 11 个测点的最大主应力位于北东 – 南西方 向，平均走向为 NE51.2◦ . 3.2 平煤十矿地应力场模型 最大水平主应力，最小水平主应力和垂直主应 力值均随深度增加而增大，并且呈现近线性增长的 关系. 采用线性回归的方法建立矿区的地应力场的 模型 (即三个主应力随深度变化的规律)，如式 (5)∼ 式 (7) 和图 3 所示. 该模型提供了矿山采矿设计定 量计算的力学边界条件. σh.max = 0.04 + 0.0489H , (5) σh.min = 0.69 + 0.0276H , (6) σv = 0.01 + 0.0269H. (7) 式中：σh.max、σh.min 和 σv 分别为最大水平主应力， 最小水平主应力，垂直主应力，MPa；H 是埋深，单 位为 m. 图 3 σh.max、σh.min 和 σv 随深度变化规律 Fig.3 Change rules of σh.max, σh.min and σv with depth 3.3 地应力测量结果在平煤十矿的相关应用 3.3.1 采矿工程设计优化 在采矿工程中，对隧道、巷道和采场等进行优 化设计对保证矿山基本建设和随后采矿作业的安全 与高效是极为关键的. 平煤十矿最大主应力方向平均为 NE51.2◦ . 根 据弹性力学理论，地下开挖体，包括巷道和采场的 走向最好与最大主应力方向一致. 因为在这种条件 下，作用于巷道和采场垂直剖面的是两个较小的主 应力，对巷道和采场的稳定是有利的，当然这种布 置和设计还要服从矿山工程地质条件和采矿生产作 业的要求. 巷道和采场的理想断面形状是椭圆，如果椭圆 的水平轴与垂直轴的比值和该断面水平应力与垂直 应力的比值相等，则巷道与采场边界上各点的切向 应力值均相等，即处于均匀压应力状态. 这对减小 巷道和采场围岩的应力集中，保证其稳定性是有利 的. 金川镍矿的建设过程是一个典型的例子. 该矿 自 20 世纪 60 年代中期开始建设，由于运输和采矿 巷道的失稳破坏，开建 10 年后仍不能投产. 主要问 题是原有的运输和采矿巷道的断面形状不合理，其 高度大于宽度，而随后的地应力测量发现该矿的水 平应力明显大于垂直应力. 在将巷道的断面形状改 为宽度大于高度的 “矮墙半圆拱” 形状并改善喷锚 支护效果后，该矿即很快投产. 金川镍矿是我国第 一个进行实用性地应力测量的矿山 [6] . 运输和采矿巷道、隧道的失稳与破坏也是平煤 十矿面临的一个严重问题，上述优化方法和地应力 实测成果为解决这个问题提供了有力的帮助. 3.3.2 采矿开挖设计优化 采矿是一个非常复杂的过程，复杂性既来源于 各种开挖体多变的结构形状，也来源于多步开挖的 过程. 采场周围的岩体通常是非线性、不连续、不 均质和各向异性的，不同的结构形状和不同的开挖 步骤都将导致采矿工程不同的稳定性状态. 为了保 证采矿的稳定性和安全，必须进行开采结构与开挖 步骤的设计优化. 传统的采矿设计是基于经验或者 工程类比的方法，当采矿开挖规模很小并位于近地 表的时候，这种方法还有一定应用效果. 随着开采 深度不断增加，开采规模不断扩大，简单的工程类 比方法失去了应用价值. 合理的采矿设计必须根据 矿山实际的矿体、煤层赋存状况和工程地质条件， 通过定量的计算分析而做出. 只有通过多种开采方 案的系统定量计算分析与比较，才能做出优化的采 矿设计. 所有的定量计算都有一个必需的前提条件， 即已知的地应力状态，作为计算的力学边界条件. 由于缺乏现场地应力资料，在很长一段时间内，大 量的采矿设计将自重应力作为力学边界条件. 设计 中垂直主应力大于水平主应力，这与实际的地应力 状态通常是相反的，可能造成上述金川镍矿类似的 采矿设计错误. 平煤十矿的现场地应力实测结果和 建立的矿区地应力场模型为该矿的优化设计提供了 可靠的基础. 3.3.3 采矿过程中岩爆的有效预测 平煤十矿存在煤 (岩) 爆及随之发生的瓦斯爆 炸的危险倾向. 煤 (岩) 爆是采矿开挖引起的能量聚 集和释放的动力过程，是一种由人工活动引发的地
第11期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 ·1405· 震，并具有与天然地震类似的规律.对未来开采可 (②)套孔应力解除法和空心包体应变计是最适 能出现的煤（岩）爆发展趋势、位置、时间与震级进 用于地下矿山地应力测量的方法.平煤十矿采用三 行预测，必须以开采过程中煤层和围岩聚集的能量 维套孔应力解除地应力测量技术和实现完全温度补 大小与分布为依据网.地应力不仅是引起开采煤层 偿的空心包体应变计测得矿区6个水平11个测点 和围岩能量聚集的直接动力，而且是定量计算的必 的三维地应力状态，揭示了矿区地应力场的分布规 要前提条件 律，建立了矿区地应力场模型，为平煤十矿工程建 在地应力场的作用下，开采煤层和围岩中的应 设和开采设计提供了科学依据.平煤十矿是我国第 力应变分布可以通过数值模拟，如有限元法和有限 一个采用应力解除法进行系统的矿区地应力测量并 差分法定量计算获得.根据计算得到的煤层和围岩 且测量深度超过1100m的煤矿. 中的应力和应变分布状态，储存于每一个计算单元 (3)平煤十矿具有煤（岩）爆和由其引发瓦斯爆 中的能量可以根据下式获得： 炸的危险倾向，正确进行煤（岩）爆预测对保证矿 W。=5o161+o262+ax, (8) 山安全生产极其重要.煤（岩）爆是由开采引起的能 量聚集和释放的动力过程，是一种人工诱发地震活 式中：W。是储存在单元体中的能量：o1、02和o3 动.根据实测地应力数据，采用数值模拟等方法，定 是单元体中的三个主应力：61、2和3是单元体中 量计算开挖扰动引起的开采煤层和围岩中能量聚集 三个主应变：Ve是单元体的体积 状态及其随采矿过程的变化规律，借助地震学的知 将所有单元中的能量进行累计，就得到了积累 识，根据能量计算地震级别，即可对未来开采过程 在开采煤层和围岩中的总能量.根据能量大小，可 可能诱发岩爆的地点、时间和级别做出预测. 由下式计算出煤（岩）爆的级别（震级） 1gE=4.8+1.5M (9) 参考文献 式中：E是开采煤层和围岩中聚集的能量，单位为 [1]The 4th Team of the Bureau of Coal Geology of Henan J;M为煤（岩）爆的级别（震级） Province.Geological Report of the 10th Mine of Pingding- 式（⑨）通常是地震界用来根据地震引起的地震 shan Coal Group Company.Zhengzhou:Bureau of Coal 波释放的能量确定地震级别的.著名的中国地震学 Geological Prospection of Henan Province,2008 家陈颗在报告中指出，汶川地震释放的地震波能量 (河南省煤田地质局四队.平煤十矿地质报告.郑州：河南 为1016.7J回，根据式(9)计算出的地震级别为7.933. 省煤田地质局，2008) 所以，中国地震局公布的汶川地震的震级为8级. [2 Cai M F.Optimization of Mining Design and Control of 蔡美峰和他的科研团队10首次采用式(9)进行煤 Ground Pressure in Metal Mines:Theory and Practice. (岩)爆预测，成功地预测了辽宁抚顺老虎台煤矿由 Beijing:Science Press,2001 (蔡美峰.金属矿山采矿设计优化与地压控制：理论与实 煤（岩）爆引起矿震的发展趋势和该矿历史上发生 践.北京：科学出版社，2001) 的最大级别的一次矿震(3.7级，2002年). [3]Kang H P,Lin J,Zhang X.Research and application of 现场地应力实测结果为采用上面介绍的理论 in-situ stress measurement in deep mines.Chin J Rock 和方法进行平煤十矿的煤（岩）爆预测和控制提供 Mech Eng,2007,26(5):929 了可能. (康红普，林健，张晓.深部矿并地应力测量方法研究与应 用.岩石力学与工程学报，2007,26(5)：929) 4结论 [4]Wu M L,Ma Y,Liao C T,et al.Study on recent state (1)地应力值随着深度的增加而增大，平煤十 of stress in depth 1000 m of Jinchuan mine.Chin J Rock 矿的开采深度已经超过1100m,深部开采将受到高 Mech Eng,2008,27(Suppl 2):3785 地应力的严重影响，引起采矿结构的破坏、煤（岩） (吴满路，马宇，廖椿庭，等.金川二矿深部1000m中段 地应力测量及应力状态研究.岩石力学与工程学报，2008 爆和其他潜在的动力灾害.为了保证开采的安全和 27(增刊2)：3785) 高效，必须进行采矿设计的定量计算和分析，做出 5 Cai M F.Principle and Techniques of In-situ Stress Mea- 优化的采矿设计.准确的矿山地应力测量资料对这 surement.Beijing:Science Press,2000 种定量计算和优化设计是极为关键的，因为地应力 (蔡美峰.地应力测量原理和技术.北京：科学出版社， 不仅是这种定量计算的力学边界条件，而且是引起 2000) 煤（岩）爆和其他开采动力灾害的直接动力. [6]Cai M F,Peng H.Advance of in-situ stress measurement
第 11 期 蔡美峰等：平煤十矿地应力测量及其应用 1405 ·· 震，并具有与天然地震类似的规律. 对未来开采可 能出现的煤 (岩) 爆发展趋势、位置、时间与震级进 行预测，必须以开采过程中煤层和围岩聚集的能量 大小与分布为依据 [8] . 地应力不仅是引起开采煤层 和围岩能量聚集的直接动力，而且是定量计算的必 要前提条件. 在地应力场的作用下，开采煤层和围岩中的应 力应变分布可以通过数值模拟，如有限元法和有限 差分法定量计算获得. 根据计算得到的煤层和围岩 中的应力和应变分布状态，储存于每一个计算单元 中的能量可以根据下式获得： We = 1 2 [σ1ε1 + σ2ε2 + σ3ε3] × Ve . (8) 式中：We 是储存在单元体中的能量；σ1、σ2 和σ3 是单元体中的三个主应力；ε1、ε2 和 ε3 是单元体中 三个主应变；Ve 是单元体的体积. 将所有单元中的能量进行累计，就得到了积累 在开采煤层和围岩中的总能量. 根据能量大小，可 由下式计算出煤 (岩) 爆的级别 (震级). lgE = 4.8 + 1.5M . (9) 式中：E 是开采煤层和围岩中聚集的能量，单位为 J；M 为煤 (岩) 爆的级别 (震级). 式 (9) 通常是地震界用来根据地震引起的地震 波释放的能量确定地震级别的. 著名的中国地震学 家陈颙在报告中指出，汶川地震释放的地震波能量 为 1016.7 J [9]，根据式 (9) 计算出的地震级别为 7.933. 所以，中国地震局公布的汶川地震的震级为 8 级. 蔡美峰和他的科研团队 [10] 首次采用式 (9) 进行煤 (岩) 爆预测，成功地预测了辽宁抚顺老虎台煤矿由 煤 (岩) 爆引起矿震的发展趋势和该矿历史上发生 的最大级别的一次矿震 (3.7 级, 2002 年). 现场地应力实测结果为采用上面介绍的理论 和方法进行平煤十矿的煤 (岩) 爆预测和控制提供 了可能. 4 结论 (1) 地应力值随着深度的增加而增大，平煤十 矿的开采深度已经超过 1100 m，深部开采将受到高 地应力的严重影响，引起采矿结构的破坏、煤 (岩) 爆和其他潜在的动力灾害. 为了保证开采的安全和 高效，必须进行采矿设计的定量计算和分析，做出 优化的采矿设计. 准确的矿山地应力测量资料对这 种定量计算和优化设计是极为关键的，因为地应力 不仅是这种定量计算的力学边界条件，而且是引起 煤 (岩) 爆和其他开采动力灾害的直接动力. (2) 套孔应力解除法和空心包体应变计是最适 用于地下矿山地应力测量的方法. 平煤十矿采用三 维套孔应力解除地应力测量技术和实现完全温度补 偿的空心包体应变计测得矿区 6 个水平 11 个测点 的三维地应力状态，揭示了矿区地应力场的分布规 律，建立了矿区地应力场模型，为平煤十矿工程建 设和开采设计提供了科学依据. 平煤十矿是我国第 一个采用应力解除法进行系统的矿区地应力测量并 且测量深度超过 1100 m 的煤矿. (3) 平煤十矿具有煤 (岩) 爆和由其引发瓦斯爆 炸的危险倾向，正确进行煤 (岩) 爆预测对保证矿 山安全生产极其重要. 煤 (岩) 爆是由开采引起的能 量聚集和释放的动力过程，是一种人工诱发地震活 动. 根据实测地应力数据，采用数值模拟等方法，定 量计算开挖扰动引起的开采煤层和围岩中能量聚集 状态及其随采矿过程的变化规律，借助地震学的知 识，根据能量计算地震级别，即可对未来开采过程 可能诱发岩爆的地点、时间和级别做出预测. 参 考 文 献 [1] The 4th Team of the Bureau of Coal Geology of Henan Province. Geological Report of the 10th Mine of Pingdingshan Coal Group Company. Zhengzhou: Bureau of Coal Geological Prospection of Henan Province, 2008 (河南省煤田地质局四队. 平煤十矿地质报告. 郑州：河南 省煤田地质局, 2008) [2] Cai M F. Optimization of Mining Design and Control of Ground Pressure in Metal Mines: Theory and Practice. Beijing: Science Press, 2001 (蔡美峰. 金属矿山采矿设计优化与地压控制：理论与实 践．北京: 科学出版社, 2001) [3] Kang H P, Lin J, Zhang X. Research and application of in-situ stress measurement in deep mines. Chin J Rock Mech Eng, 2007, 26(5): 929 (康红普, 林健, 张晓. 深部矿井地应力测量方法研究与应 用. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(5): 929) [4] Wu M L, Ma Y, Liao C T, et al. Study on recent state of stress in depth 1000 m of Jinchuan mine. Chin J Rock Mech Eng, 2008, 27(Suppl 2): 3785 (吴满路, 马宇, 廖椿庭, 等. 金川二矿深部 1000 m 中段 地应力测量及应力状态研究. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(增刊 2): 3785) [5] Cai M F. Principle and Techniques of In-situ Stress Measurement. Beijing: Science Press, 2000 (蔡美峰. 地应力测量原理和技术. 北京: 科学出版社, 2000) [6] Cai M F, Peng H. Advance of in-situ stress measurement
.1406 北京科技大学学报 第35卷 in China.J Rock Mech Geotech Eng,2011,3(4):373 mologist.Sci Technol Rev,2008,26(10):14 [7]Cai M,Qiao L,Yu J B.Study and tests of techniques for (陈颥.以地震科技工作者的眼光审视汶川大地震.科技导 increasing overcoring stress measurement accuracy.IntJ 报，2008,26(10)：14) Rock Mech Min Sci.Geomech Abstr,1995,32(4):375 [10]Cai M F,Ji H G,Wang J A.Study of the time-space- [8 Cai M F,Wang J A,Wang S H.Prediction of rock burst strength relation for mining seismicity at Laohutai coal with deep mining excavation in Linglong gold mine.J mine and its prediction.Int J Rock Mech Min Sci,2005. Univ Sci Technol Beijing,2001,8(4):241 42(1):145 [9 Chen Y.The Wenchuan earthquake in the eyes of a seis-
· 1406 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 in China. J Rock Mech Geotech Eng, 2011, 3(4): 373 [7] Cai M, Qiao L, Yu J B. Study and tests of techniques for increasing overcoring stress measurement accuracy. Int J Rock Mech Min Sci. Geomech Abstr, 1995, 32(4): 375 [8] Cai M F, Wang J A, Wang S H. Prediction of rock burst with deep mining excavation in Linglong gold mine. J Univ Sci Technol Beijing, 2001, 8(4): 241 [9] Chen Y. The Wenchuan earthquake in the eyes of a seismologist. Sci Technol Rev, 2008, 26(10): 14 (陈颙. 以地震科技工作者的眼光审视汶川大地震. 科技导 报, 2008, 26(10): 14) [10] Cai M F, Ji H G, Wang J A. Study of the time-spacestrength relation for mining seismicity at Laohutai coal mine and its prediction. Int J Rock Mech Min Sci, 2005, 42(1): 145