0 引言

地应力是存在于未扰动岩体内的天然应力，也称原岩应力，其形成主要与地心引力、地球旋转、地球内应力、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等有关，其中构造应力和自重应力是其主要组成部分。地应力是引起采矿工程变形和破坏的根本作用力，也是采空区和围岩稳定性分析、采矿工程设计和决策的必要前提，对采空区稳定性分析（包括力学分析、数值计算）、采场设计与布置具有重要意义。

1 地应力测定方法 1.1 孔壁应力解除法

目前采用的地应力测定方法有应力解除法、压磁电感法、光弹片法、水压致裂法及声发射法等，其中应力解除法是发展时间较长、技术较成熟的一种测定方法，是目前唯一的通过一孔测量就能比较准确地测定一点的三维原岩应力状态的方法，也是矿山测定地应力最经济有效的方法。

应力解除法又分为钻孔变形法、孔底应变法和孔壁应变法。其中孔壁应变法具有可以在深孔中测定及测量灵敏度较高等特点，在实际工程中得到广泛应用，也是本次研究所采用的地应力测定方法。测量元件为KX-81型空芯包体式三轴应变计，这种三轴应变计具有使用方便、安装简单、效率较高等优点，该应变计是澳大利亚CSIRO应变计的一种改进型^[1-4]。

1.2 KX-81型空芯包体式三轴应变计

KX-81型空芯包体式应变计由嵌入环氧树脂筒中的三组应变花组成，应变计顶部另有一个补偿应变片。应变花沿环氧树脂筒圆周相隔120 °粘贴，每组应变花有4个电阻应变片，分别沿周向、轴向和与轴向成±45 °夹角的方向布置，每个应变片均由电线引出与应变仪相接，如图 1所示。应变计外径35.5 mm，工作长度150 mm，可安装在直径36~38 mm的小钻孔中。

1.3 应变计安装步骤

(1) 在测点上钻一直径130 mm的上倾（倾角3 °左右，便于排水）钻孔，为避免开挖扰动的影响，钻孔深度为巷道宽度的3~5倍，图 2步骤1所示。

(2) 磨平孔底，打一个喇叭口，以便导向，再打直径36 mm同心测量小孔，孔深350~400 mm，图 2步骤2、3、4所示。

(3) 用水冲洗小孔，再用丙酮擦洗除油，等钻孔干燥后，将粘结剂注入应变计内腔，固定好栓塞，用带有定向器的安装杆将应变计送到预定位置，推断固定铝栓，将粘结剂从应变计内腔挤出进入应变计与小孔的间隙中，图 2步骤5所示。

(4) 粘结剂固化后即可进行应力解除，将130 mm的大孔继续延伸，为判断应变计工作状态并保证测量可靠性，要在套芯过程中进行监测，一般每进尺3 mm进行一次仪器读数，待读数不随进尺变化时停止套芯，图 2步骤6、7所示。

(5) 取出带有应变计的岩芯，放入围压率定仪中，测定弹性模量和泊松比。

2 测点布置

为了使测量数据能够真实反映测点附近原岩应力状态，测点要远离或尽量远离较大开挖体，同时避开巷道或采场的弯、拐、叉等应力集中区并远离断层、构造破碎带，布置在完整或尽量完整的岩体内。

基于上述测点布置原则并考虑施工方便，本次测试的4个测点均布置在420 m中段远离采空区的穿脉巷道内^[5]，它们与地表垂距分别为110 m、130 m、370 m、430 m。

3 试验结果 3.1 应力解除结果

完成套孔解除后，根据电阻应变仪读数绘制套芯过程中应变片的应变曲线，图 3所示，将最终稳定的应变值作为计算地应力的原始数据。

根据图 3的应力解除曲线，最后得到四个测点各12个应变片的稳定应变值，如表 1所示。

3.2 围压试验结果

根据应力解除得到的应变值计算地应力时，必须获得测点处岩石的弹性模量和泊松比，用套孔解除岩芯作围压试验是确定这二个参数的最简便方法。将带有应变计的岩芯由钻孔取出后，放入围压率定仪，给岩芯加围压并同时记录各应变片的读数，根据厚壁筒理论，一个无限长的中空厚壁圆筒，在均匀外压作用下为一个轴对称的平面应力问题，由此可推出弹性参数的计算公式。四个测点的岩石弹性模量和泊松比计算结果列于表 2。

3.3 地应力测定结果

由应力解除和围压试验结果，据有关公式^[6-8]计算得到各测点地应力状态如表 3。

4 结果分析 4.1 地应力场分布基本规律

(1) 每个测点均有二个主应力方向接近水平，与水平面夹角平均17.9 °，另一个主应力接近垂直，其中最大主应力接近水平，且随深度的增加而增大。三个主应力均为压应力，没有出现拉应力。

(2) 最大与最小水平主应力之比，1、2、3测点均大于2，4测点为1.29，平均为2.25，说明水平方向两个主应力相差较大，这将对采场稳定性产生不利影响；最大水平主应力与自重应力之比，1、2测点分别为2.5和2.7，3、4测点均为1.5；垂直应力与自重应力之比，1、2测点大于1，3、4测点小于1，平均为1.3。将以上数据与我国其他地区地应力统计规律相比较基本上一致，说明测试结果可靠。

(3) 最大主应力的走向3个为北东向，1个接近东西向，与区域构造应力场最大主应力的方向基本一致。

4.2 地应力场与地质构造的关系

研究地应力测定结果与矿区地质构造的关系表明：矿区新老构造体系有着密切的联系，新构造体系对较老的构造体系具有继承性，同时又表现出新生的作用，出现新的构造形迹。矿区的最大主应力方向与该地区最强烈的一期地质构造的主压应力方向一致，后期构造作用对它有一定的影响，只有当后期构造作用强度超过前期构造作用强度时，主应力方向才会发生改变。矿区初期构造形式的特点是主压性结构面为北西向，主应力轴为北东—南西向，同序次发育的还有近南—北向、倾向西为主的配套构造。因此，4个测点中有3个测点的最大主应力方向为北东向，1个测点接近东西向，这与上述矿区晚期新华夏系构造应力场方向是一致的。

5 结语

随开采深度增加，自重应力增大，地应力也随之增大，其对采空区和采矿工程稳定性的影响增加，地应力测试更显重要。然而，许多矿山并未进行地应力测定，更未按地应力分布状态最大限度地优化布置采矿工程，给矿山采空区和采矿工程稳定增加不必要的维护或支护成本。遂昌金矿本次地应力测定结果，对后续采空区和围岩稳定性分析（包括力学分析、数值计算）、矿块参数优化设计、采场优化布置具有重要指导意义。