地应力测量方法综述 赵亚军孟楠楠（内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头０１４０１０） 摘要：通过对常用的地应力测量方法的归类分析，明确了各个方法基本原理、优缺点，阐述目前地应力测量方法的局限性，并指 出未来地应力测量发展的发展方向，为提高地应力测量效率提供了参考。 关键词：地应力；适用范围；测量方法 中图分类号：Ｐ５５３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００８－０１５５（２０１５）０５－０２０９－０２ ２应力解除法 地应力又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对 应力，是岩石在形成过程中受到的物理、化学变化以及 岩浆侵入等综合作用而产生。人们对地应力最初的认 识始于１９３２年美国人在胡佛大坝泄水隧洞里进行的 初次测量。相继，世界各国研制出不同的测量方法。 之所以地应力测量与研究已成科研人员和工程界最关 心的问题之一是因为地应力不仅是决定区域稳定性的 重要因素，而且是地下或地面开挖岩土工程变形和破 坏的作用力，并且确定工程岩体力学属性、进行围岩稳 定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前 提。随着我国西部大开发的持续推进，将兴建一些条 件复杂的大型地下工程，这将伴随着岩爆、顶板垮落等 一系列与地应力有关的地质灾害，所以选择合理有效 的地应力测量方法意义重大。 近几十年有关地应力测量等方面的研究越来越 多，随着科技的进步，地应力测量方法明显增加，测量 工具也有所提高。地应力测量方法根据不同的标准， 有不同的分类。最常用的方法有水压致裂法、应力解 除法、声发射法、应变恢复法、应变解除法，本文对各类 方法分别进行概述。 １水压致裂法 水压致裂法是在合适的岩层中选择一段钻孔，在 钻孔的两端分别用一个封隔器将其密封，然后从外侧 对封隔器的两端进行施压，使测试段钻孔在受到压力 下侧壁会产生裂痕，进行几个周期的施压，然后根据裂 痕的方向以及泵压的方向就可确定原岩应力的状态。 该方法使用设备简单、操作方便、可以直接测量应力 值，无须进行换算就能得到，还具备适应性强、测量值 代表性大，适合地壳深部测量等优点，但是这种方法测 量的主应力方向不准确，测量精度受到，这是水压 致裂法进一步推广的障碍点。 水压致裂法包括经典水压致裂法（ＨＦ）和原生裂 隙水压致裂法（ＨＴＰＦ）¨Ｊ。ＨＦ法是一种平面应力测量 法，测量周期短，无须钻孔实验，可进行岩石深部测量。 ＨＴＰＦ法在ＨＦ的方法基础上有所发展，它可以进行单 孔的三维地应力测量，但这种方法费时较大，并且测量 时产生的误差会使整个测量精度有所下降。 收稿日期：２０１５—０３—１６ 作者简介：赵亚军，正高级工程师，主要从事矿山安全研究。 应力解除法的基本原理是当测定岩体中的某点的 地应力时，就应人为地把该点岩体与周围岩体相分离， 该岩体就会发生弹性变形，此时，该点岩体上的应力就 会被解除。同时，此单元体的几何尺寸将逐渐得到恢 复。用一定的测量仪器，测定此弹性恢复的应变值或 变形值，并且假设岩体是连续、均质和各向同性的弹性 体，且加载和卸载时应力和应变关系是相同的，并具有 等同的函数值，于是就可以借助弹性理论的解答来计 算岩体单元所受的应力状态。 应力解除法是发展时间最长，技术上比较成熟的 地应力测量方法，能够客观地反映岩体内部地应力的 状况，测量精度比较高，可靠性比较高，适用于现有矿 山的巷道和硐室里。但这种方法测量地点是很有局限 性的，在运用技术上也存在一些困难。 根据测试方式不同，应力解除法包括表面应力解 除法、孔壁应力解除法、孔底应力解除法，其中孔壁应 力解除法又可分为探孔应力解除法、孔底应变解除法 和孔壁切割解除法。孔壁应变法可单孔准确测量岩体 的三维地应力，但要求岩体完整性好且测量元件受温 度、空气湿度等各方面影响较大；孔径变形法因测量元 件不与孔壁接触，因此可以排除孔壁变形法存在的缺 点，该方法具有适应性强、灵敏度高、周期短等优点；孔 底应变法对岩体的完整性要求低、测试成功率高但在 我国的影响度较低，且适合测量二维应力。 ３声发射法 声发射法（ＡＥ）是在凯瑟效应的基础上来测定地 应力的一种方法，其原理是材料受到外载荷作用之后， 材料内部会将储存的应变就会释放出来，材料释放形 式为弹性波，在应变释放的过程中就会发出声响，就可 以测量材料内部的应力值。而当测量岩体破裂时，每 一次的裂缝扩张，就引起能量的一次释放，产生一次声 发射，此时的传感器就接收到一次声发射信号，产生一 个声发射波，这就叫一次声发射事件 ］。 而所谓的凯瑟效应就是多晶金属的内部从最高应 力瞬间释放后，然后又重新对其进行加载，当没有达到 先前最高应力时，会产生很小的声发射，当达到或者超 过先前最高应力时，就会产生大量的声发射，这种能够 记忆岩石所承受过的最大应力的效应就叫作凯瑟效 应，从很少的声发射放出到大量的声发射释放的转折 点叫凯瑟效应点。 ‘ 声发射法既测地应力的大小，还可以通过定向取 心对岩心获取原地应力方向，常规的声发射方法能很 好地对地层表面的地应力进行测量。由于需要弹性波 的原因，声发射法不适合地层深处测量，也不适合测量 松软岩体的测量。 ４应力恢复法 应力恢复法又称作应力补偿法，是在侧墙的表面 或者壁面上找一完整的部位，这部位必须是液压枕的 双倍的长度 ］，随之壁面附近的应力被解除，沿着水平 方向切槽，应力状态也得到恢复。然后向槽内埋设压 力枕，对岩体进行施压，使岩体的应力达到应变没有解 除前的状态，岩体的应力状态完全恢复，这时测得的压 力枕的大小就是岩体原来受到的应力。通过应力恢复 后测量的应力和应变就可根据弹性力学推算出测试点 的应力状态。 应力恢复法是一种无须考虑岩体应力一应变关系 的直接测量方法，该方法简单、易操作、可直观的获得 数据。但这种方法是单孔测量，只能测得一个方向的 分量，无法获得六个方向的分量，且测量深度有， 适合于软岩测量。 ５其他 此外，还有地球物理探测法、原子磁性共振法、地 球物理探测法和震源机制探测法，不过，这些方法大部 分用于较大范围的岩石应力状态，为工程建设提供的 可靠资料较局限，但对于工程的不同阶段可以对岩体 进行不同程度的评估。 ６结束语 通过以上论述可以得出，地应力测量综合了测量 深度、岩体硬度、获得分量个数、打孔的个数、岩体温度 等多种测量因素，各种测量方法各有其优点和不足，在 实际的应用中必须多方面考虑。 通过大量实验证明了地应力属于一项综合性的研 究，在以往的任何一种地应力测量方法中，都不能较好 的确保测量的精度问题，因此，两种甚至多种地应力测 量的综合应用会成为将来地应力测量的一个发展方 向，这种综合应用会使不同的方法之间的劣势取消、优 点互补，从而达到可靠性要求，另外这种方法得到关注 后，下一步的关键就是提高岩体的测量精度，实现误差 补偿。 陴 院学 篙 是 ‘ 淼７施５［２远’’地应棚．力测量方谢．骨方洲 河南珲工女学学报 碱 ［Ｊ］． ¨・河南理工大学学报’ ２０１２，３ ３ （１ ）： ３０５ ３一 １０． （上接第２０３页ｌ 则以氢含量（Ｈｄａｆ％）确定的小类为准。区内各可采煤 层的分类划分结果统计见表２—６。 各可采煤层煤类划分结果表 表２—６ 煤层编号 挥发分（ＶｄａＰ￣） 氢含量（ＨｄａＰ／ｏ） 煤类 极值 平均值 极值 平均值 Ｋ７ ３．９４－－６．９５ ５＿３５ １．９１．２．９８ ２．９２ ＷＹ２ 从表２—６中可知：区内Ｋ７可采煤层煤类属于无 烟煤二号（ＷＹ２）。 ３工业用途 国家实施西部大开发及贵州省的“西电东送”、“黔 煤外运”战略，贵州省与广东省已鉴定了供电协议，从 ２００５年起贵州将每年向广东输送４０００ＭＷ的电力。由 于本区煤炭为中灰、高硫（洗选后降为中硫）无烟为主， 市场前景广阔，我省煤炭的主要省外市场是广东、广 西、四川、重庆、云南等省（市），煤炭消费主要是电力、 建材、化工、冶金等行业及城乡生活用煤。目前，区内 原煤除供应当地及附近县、市及火电厂外，还可销往广 西、云南等地缺煤地区。市场需求量较大，总体处于供 不应求状态。因此，原煤销售价格稳中有涨且较稳定， 省、内外市场前景较好。 龙县青龙台板燕煤炭详查区内Ｋ７煤层煤炭资源 丰富，资源量为２９１４万吨，全为硫分大于３％的资源 量，为中灰、高硫、高热值、中等固定碳、低挥发分、低磷 煤，较高热稳定性煤。由于煤层硫分主要为硫铁矿硫， 煤中硫铁矿硫较易脱除，在开采利用方面可对煤进行 洗选脱硫，应建立一个洗选厂，选用适当介质进行洗 选，以降低煤中硫分含量，最大限度的合理利用资源， 并减少煤燃烧后所产生的二氧化硫对大气的污染和对 金属管道的腐蚀。区内Ｋ７原块煤和精块煤的热稳定 性较好，是安龙县电煤基地和煤化工基地生产合成氨 和煤气的重要煤化工原料。 ４结语 区内煤系地层为上二叠统龙潭组（Ｐ，１），主要由黏 土岩、炭质黏土岩、粉砂岩、砂岩、黏土岩、煤层（线）、泥 灰岩、含燧石灰岩及灰岩等组成，地层厚度３９１．１８— ４２０．７４ｍ，平均４０６．５４ｍ。含煤层线７—２４层。其中， 可采３层。与下伏地层茅口组为假整合接触，与上覆 地层长兴组为整合接触。 Ｋ７煤层赋存于龙潭组中段，为陆相沉积环境为 主，厚度较稳定，资源量较丰富，其原煤具有较高的灰 分，较高的硫分，较高的热值。原煤经洗选后，精煤为 中灰低硫高热值煤，具有较好的工业用途，可作为电 力、化工等行业用煤，产生较好的经济效益。 誓磊薹 苒 Ｍ］．中国 大学出 … 沣笪 ； 州ｚｕ省ｕ．地３． 质矿 ＪｌＪ，Ｊ划且川 … ∞ ／＼ ’…一 、“ ““ 。ｒ
