1. 引言
地应力又称原岩应力，是影响地下工程安全与稳定的关键因素，是使工程结构发生变形与破坏的根本原动力。随着采矿工程、大型地下岩体工程的快速发展及地应力测量技术的进步，目前地应力已经越来越多地应用于矿山井巷设计与施工、地下工程结构的设计与稳定性分析。依据中华人民共和国煤炭行业标准(GB/T 35056-2018)《煤矿巷道锚杆支护技术规范》要求，提出地质力学评估是煤巷锚杆支护设计的主要依据之一，锚杆支护设计前应进行地质力学评估，而地应力测量是地质力学评估的一个重要内容。
三维地应力的测量方法目前已发展到许多种 [1] [2] [3] [4] [5] ，如应力解除法，水压致裂法，声发射测试法等。但任何一种实测方法都需要通过扰动(通用的做法是打钻孔)打破原有状态。在从一种平衡状态到新的平衡状态的过程中，通过对应力效应(通常是应变和位移)的间接测量来实现应力测试分析。测试过程中，通过应变或位移传感器将应变和位移的变化传递给二次仪表(例如数据采集装置)，取得测量数据。由观测到的应变或位移，根据应力–应变关系、力学模型等力学基本原理，即可计算出地应力的六个分量或者三个主应力的大小和方向。因此，地应力测试过程实际测得的是应变或位移，首先需要具备精巧、完备和先进的测量仪器和测试技术，来保障应变或位移的精确获得；其次，由于地应力结果的计算分析最终是由应变转换为应力的，故其测试效果不仅要靠实测数据(应变)的测试准确性，还强烈依赖于力学模型及由此推演的地应力分量解算公式是否正确及是否与客观实际相符。
《煤矿巷道锚杆支护技术规范》(GB/T 35056-2018)指出原岩应力测量宜优先采用应力解除法或水压致裂法。空心包体应力测量法即是应力解除法中的一种，该方法可以通过单一钻孔内预置测量探头来确定原岩三维应力的大小和方向，相对其它测量方法施工简单，工程量较小且测量精度高。因此，研究过程中采用空心包体应力计法进行矿井地应力原位测量 [6] [7] [8] [9] 。
2. 测试方法及原理
空心包体应力计它是由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成。该应力计将三组应变花(每组应变花有4个应变片)沿环氧树脂筒圆周相隔120˚粘贴(图1)，然后用一个环氧树脂浇注成厚度约为0.5 mm的外层使电阻应变片嵌在筒壁内(图2，图3)。应力计的外径为35.5 mm，工作长度为150 mm，可安装在直径为36~38 mm的小钻孔中。应力计绝缘度高，防水性能好。环氧树脂圆筒有一个足够大的内腔，用来装粘结剂。另有1个柱塞，一端插入圆形胶筒内，用于安装应力计时将胶体挤出并涂抹在应力计与岩体之间；另一端有一导向定位棒，便于引导应力计顺利进入安装小孔内。
使用时，首先将圆筒内腔装满粘结剂，然后将柱塞插入内腔约40 mm深处，用铝丝将其固定。将应力计送入钻孔中预定位置后，用力推动安装杆，可使铝丝切断，继续推进可使粘结剂经柱塞小孔流出，进入应力计和钻孔孔壁之间的间隙里。经过一定的时间(通常1昼夜)，粘结剂完全固化后，即可进行套芯解除。
Figure 1. Schematic flower position distribution map (A, B, C are three sets of strain gauges)
图1. 应变花位置分布图(A、B、C为三组应变片)
Figure 2. Hollow inclusion stress meter
图2. 空心包体应力计
Figure 3. Schematic diagram of the hollow inclusion triaxial stress meter
图3. 空心包体三轴应力计结构示意图
3. 空心包体法测量地应力的方法与步骤
空心包体法测量地应力的钻孔结构主要包括1个直径为142 mm的大孔、1个锥形孔和一个直径为36 mm的测试小孔(见图4)。
Figure 4. Schematic diagram of ground stress measurement drilling structure
图4. 地应力测量钻孔结构示意图
整个过程可分为如下几个步骤(见图5)。
Figure 5. Schematic diagram of stress relief process of hollow inclusion strain method
图5. 空心包体应变法应力解除过程示意图
1) 钻孔
① 打大孔：φ142 mm钻头在事先布置测点的巷道壁上打直径约为φ145 mm大致为水平的钻孔，深度大致为8~10 m，以保证应变计安装位置避开巷道掘进影响区域；钻孔上倾3˚~5˚，以便使水流出并易于清洗钻孔，记录孔深；
② 磨平大钻孔孔底，并冲洗干净；
③ 打锥形导向孔及小孔：换上特制的带有喇叭口的小钻头，在大孔孔底钻成锥形底，以保证后面的小孔与大孔同轴心，并易于将空心包体顺利地装入小孔；将小钻头顶到孔底，在钻杆的孔口处标记，然后向内打260 mm深；
④ 冲洗擦拭小孔：小孔打好后，用细铁丝将干毛巾绑在特制的擦孔器上，用毛巾反复擦洗小孔油污，这样能够保证粘结剂将包体与小孔壁粘牢。
2) 空心包体安装
① 用砂纸将空心包体外侧圆柱面打毛，将柱塞前端稍大的橡胶密封圈打磨到比包体略大1~2 mm；
② 按比例配制好粘结剂并搅拌均匀后，在空心包体应力计的空腔内倒入适量的粘结剂，固定好销钉(细铝丝或牙签)，将包体安装在定向器上；
③ 慢慢地将其送入大孔中，不断地接长推杆，并记下长度，在预计空心包体应力计已靠近大孔孔底时要特别注意慢推，以保证包体能够完好地进到小孔中；
④ 前端进入小孔180 mm左右，柱塞前端大致进入到测试小孔孔底；再慢慢向前推进时应注意固定销的剪断，固定销剪断后继续向前推进80 mm (空心包体活塞工作长度)，此时空心包体应力计便准确地安装于小孔中。
3) 套芯解除与应变测试
① 读取应变仪初始数据：一般在安装包体20小时左右，环氧树脂基本上完全固化。将推杆和定向器小心地从钻孔中拔出，记下定向器所显示的应力计的偏角，并用罗盘测量出钻孔的方位和倾角；
② 用10#铁丝将包体的电缆线从Φ130 mm的钻头和岩芯套筒、钻杆穿出，将钻头、岩芯套筒和钻杆送入孔中，并记录推进的深度，以便检验钻头是否到达孔底；
③ 接通应变仪，每隔3分钟读数一次，连续三次读数相差不超过5 μ£时，即认为稳定，并将此读数作为初始值；
④ 按预定分级深度钻进，进行套芯解除，每级深度约为20 mm。套芯解除至一定深度后，应变计读数趋于稳定，最后以连续三次读数之差不超过5为准，认为读数稳定，不再解除；
⑤ 继续向前钻进约100 mm，然后将包含包体的岩芯折断并取出，封装严实后运回实验室，便于对包含空心包体应力计的岩芯进行弹性力学参数率定实验。
5) 岩心室内率定试验及地应力计算分析
① 将从测试现场带回的包含空心包体应力计的岩芯在实验室内进行均匀围压率定实验测试，获取各应变片附近的弹性力学参数；
② 将现场实测的应变值和率定实验测得的弹性力学参数带入理论公式或专用计算分析程序，即可计算得出实际测点的三维应力矢量及主应力大小和方位。
4. 测点数量及其布置
根据岩石力学实验测试规程，每个矿井的测点数量不应少于3个，且必须进行极差分析，即统计计算各测点的测试结果平均值，当满足其极差不超过平均值的30%时，可认为测试结果比较可靠；否则，当极差超过平均值的30%时，宜适当增加测点数量并分析离差过大的原因，最后结合工程具体情况确定地应力测试结果。
原岩应力测量一般应在矿井开拓阶段进行，因为此阶段的岩体还没有受到采动影响，是进行地应力测量的最佳时机，即使不能在此阶段进行，也应尽量选择完整坚硬的岩石且有效避开采掘工程影响的有利测试位置。地应力测量包含多个技术环节：一是需要精确可靠的传感器及数据采集系统；二是要科学合理地选择地应力测量地点；三是对钻孔平直度、孔径偏差、大小孔同心度和钻机操作等有很高的要求。具体而言，地应力测点必须满足以下四个方面的要求：
1) 测试地点的地应力状态应能反映该区域的一般情况，所选地点应具有代表性；
2) 根据地应力测试方法的要求，应尽可能地在较完整、均质、层厚合适的煤层顶底板稳定岩层中进行；
3) 应避免地应力观测期间与巷道施工或其他生产工序的相互影响；
4) 为保证测点位于未受工程开挖扰动影响的原岩应力区，测孔深度应为巷道或者已开挖峒室跨度的3倍以上。因此，峒室跨度越大所需的测孔深度就越大，故测量应尽可能在跨度较小的巷道内进行。
在煤矿现场进行实际操作时，需要在综合考虑上述各因素的基础上，结合工程地质及施工技术条件合理确定。为了取得较为理想的实验测试结果并尽量减少测试失败几率，需要将空心包体应力计安装到岩石内部，具体测试参数待实际测试过程中填入相应位置。地应力测试位置参数包括：孔号、地点、钻孔位置、岩性、孔深、钻孔坐标、钻孔方位角、倾角等，如遇有测试不成功的情况，需要在原孔附近选择合适位置重新打孔测试，要求两孔间距不小于2000 mm。
5. 测试设备及工具
1) 测试仪器与工具
① 矿用防爆带存储功能的高精度数字采集仪：1台；
② 安装杆件：每根1500 mm，共约14,000 mm；
③ 定向仪：1个；
④ 喇叭孔及安装孔钻头Φ127 mm：3个；
⑤ 空芯包体应力计：5个；
⑥ 均匀围压试验滤定仪及其辅助工具：1台。
2) 需要矿上协助准备的设备及工具
① 地质钻机：1台；
② Φ63.5 mm或Φ50 mm钻杆：长约16,000 mm；
③ Φ142 (或Φ150)的钻头：1个；
④ 1000 mm长的Φ127岩芯管：1根；
⑤ Φ127取芯钻头及变径短接：1套
⑥ 上下钻杆的管钳及扳手等：若干。
6. 测试结果分析
用取芯钻头套取岩芯实施应力解除过程大致可以划分为3个阶段：1) 开始解除至解除距离大约100~150 mm距离阶段，应变曲线平缓，应变随解除距离的变化幅度很小，说明钻头尚未推进至应变片的位置，称为无应力影响区；2) 当应力解除至150~200 mm范围，此时各应变片的应变值随解除距离的增加迅速增大，称为应力弹性释放区；3) 随着解除距离超过200 mm后，应变量又趋于平缓，且在很小范围内上下波动，标志着应力解除过程的结束，此时称为应变稳定区。明显经历过这3个阶段的应力解除曲线可认定为正常的，可以此作为地应力计算的依据，见图6。
7. 结语
1) 空心包体应力计测试地应力的主要原理是依据套取Φ127 mm岩心过程中岩石卸压回弹变形来推演地应力的大小和方位，故由于煤体富含节理裂隙，在套取岩心过程中极易破碎成小块儿或煤饼，无法监测到应力解除过程中的回弹变形情况。所以，为了有效测取实验数据减少实验失败次数，空心包体应力计的安装位置必须为相对较为完整的岩石。
2) 由于地应力测试过程是一个非常细致的工作，如果钻孔质量不好，如大小孔不能同心，大小孔的实际尺寸测量或计算不准确等，都将导致空心包体不能准确安装到位，从而导致测试过程的失败。因此，根据试验技术要求，需要地质、打钻等工程技术人员和熟练的钻机操作工。
基金项目
国家自然科学基金资助项目(51574005)。