.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