小廠壩礦區(qū)地應(yīng)力測試及分布規(guī)律

胡 威 張晨潔 邢力丹

(1.南昌安達安全技術(shù)咨詢有限公司，江西 南昌 330000；2.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；3.白銀市第十中學(xué)，甘肅 白銀 730900)

0 引言

地應(yīng)力是由于地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生的一種內(nèi)力效應(yīng)，有時也稱原巖應(yīng)力。在地下開采中，尤其在深部開采中，地應(yīng)力對礦體安全開采尤為重要[1-4]。地應(yīng)力是影響巷道、采場穩(wěn)定的重要因素，也是影響深井開采巖爆發(fā)生的重要原因[5-7]。聲發(fā)射測地應(yīng)力法又稱AE法，是利用巖石的Kaiser效應(yīng)，通過對巖石進行應(yīng)力加載，識別加載過程中的Kaiser效應(yīng)點，從而確定地應(yīng)力值的大小[8,9]。該方法較其他地應(yīng)力測試方法具有工藝簡單、費用節(jié)約、不受測量深度限制等諸多優(yōu)點。但同時，AE法測地應(yīng)力由于Kaiser效應(yīng)點難以辨識，其地應(yīng)力測量精度較低，其應(yīng)用受到了極大限制。巖石在壓縮過程中，會釋放很多聲發(fā)射信號，其中包含巖石地應(yīng)力的聲發(fā)射信號只占聲發(fā)射信號的一小部分，而且其信號與其他信號混雜，十分難以區(qū)分，這也是影響AE法測地應(yīng)力準確性的重要影響因素。

甘肅廠壩鉛鋅礦位于甘肅隴南市，處于秦嶺地區(qū)西成鉛鋅成礦帶的東部，是我國為數(shù)不多的超大型鉛鋅礦床。廠壩鉛鋅礦現(xiàn)階段主要開采區(qū)域由李家溝、廠壩、東邊坡、小廠壩四大采區(qū)組成，其中小廠壩采區(qū)開采深度最深，開采條件最為復(fù)雜，已出現(xiàn)巖爆災(zāi)害征兆。而影響小廠壩礦區(qū)安全開采的重要參數(shù)地應(yīng)力的大小及方向還尚未明確，無法采取針對性的工程措施緩解巖爆征兆，保障小廠壩礦區(qū)的安全。通過采用AE法對礦區(qū)的地應(yīng)力進行測量，掌握了礦區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律，為后續(xù)的巖爆防止措施及開采順序提供了重要依據(jù)。

1 聲發(fā)射測地應(yīng)力原理

聲發(fā)射測地應(yīng)力是基于巖石的凱瑟(Kaiser)效應(yīng)進行測試的。Kaiser效應(yīng)最早被發(fā)現(xiàn)于金屬材料，是指當(dāng)一種材料在歷史的某一時刻受到了某種應(yīng)力水平作用，如果在實驗室內(nèi)對該材料進行應(yīng)力加載，在尚未達到歷史應(yīng)力水平時，材料將不會有聲發(fā)射現(xiàn)象或聲發(fā)射很少，當(dāng)超過歷史應(yīng)力水平時，聲發(fā)射現(xiàn)象大幅增加。這一特性反映了材料的記憶性。近年來，發(fā)現(xiàn)于金屬材料中的Kaiser效應(yīng)被應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)科和巖土工程中，特別是地應(yīng)力測量中。

在地應(yīng)力測試點，沿垂直方向和三個水平方向共設(shè)置四個鉆孔，其中垂直方向與自重應(yīng)力方向相同，水平方向三個鉆孔分別與正北方向的夾角為0°、45°和90°。為了保證所取的巖芯不受爆破應(yīng)力作用的影響，根據(jù)爆破應(yīng)力應(yīng)力影響的范圍，舍棄鉆孔前6m鉆取的巖芯，對深度6m以后鉆取的巖芯進行取樣。對每個方向鉆取的巖芯進行加工，對加工好試樣進行室內(nèi)單軸壓縮聲發(fā)射試驗，對每個方向的Kaiser效應(yīng)點進行測試記錄。Kaiser效應(yīng)點即為每個方向的最大應(yīng)力值，對每個方向的最大應(yīng)力值進行計算，即可得到測試點的地應(yīng)力狀態(tài)值，計算公式如下：

(1)

(2)

式中：σHmax、σHmin分別為最大、最小水平主地應(yīng)力，MPa；σ0°、σ45°、σ90°分別為0°、45°和90°三個水平方向巖芯Kaiser效應(yīng)點處應(yīng)力值，MPa；β為水平最大主應(yīng)力與正北方向的夾角。

2 現(xiàn)場取樣及測試方法

2.1 現(xiàn)場取樣

由于小廠壩礦區(qū)埋藏較深，從實際開采過程中頻繁出現(xiàn)彈射、巖石聲響等現(xiàn)象可以看出，小廠壩礦區(qū)的地應(yīng)力較大，并且在開采過程中已經(jīng)出現(xiàn)了巖爆發(fā)生征兆。部分采場由于巖體彈射、聲響較大停止了作業(yè)。為防止巖爆發(fā)生，需掌握礦區(qū)的地應(yīng)力分布特征，根據(jù)地應(yīng)力分布特征及規(guī)律采取相應(yīng)的工程措施，緩解和減少開采過程中的巖爆現(xiàn)象?，F(xiàn)階段小廠壩礦區(qū)生產(chǎn)中段為850m、800m中段，750m中段為待生產(chǎn)中段，這三個中段為小廠壩礦區(qū)未來十來年內(nèi)的主要生產(chǎn)中段。因此，選擇在該三個中段布置地應(yīng)力測點，從而掌握礦區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律。測點的布置位置及埋深見表1，現(xiàn)場鉆取垂直方向巖芯的照片見圖1。

表1 測點位置及埋深

圖1 現(xiàn)場鉆孔取樣

對鉆取的巖芯進行切割、打磨，加工成直徑50mm、高度100mm的標準試樣。對試樣兩端進行仔細打磨，保證其不平整度小于0.02mm。

2.2 聲發(fā)射試驗儀器

荷載加載設(shè)備采用MTS815電液伺服控制剛性材料機，該試驗機可實現(xiàn)最大加載荷載2 600kN，加載荷載精度可控制在0.5%以內(nèi)，加載系統(tǒng)可實現(xiàn)荷載、位移、應(yīng)變等多種控制模式。聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)采用美國聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-Ⅱ型多通道聲發(fā)射儀，該系統(tǒng)可實現(xiàn)最大的采樣頻率為40MHz，可連續(xù)采集和記錄聲發(fā)射事件的能量、幅值、AE事件數(shù)等20多個特征參數(shù)并進行分析。

上述兩套系統(tǒng)在各自領(lǐng)域均屬于較為先進的測試儀器，測試結(jié)果均有較高的精度，但將二者組合用于地應(yīng)力測量卻存在明顯的缺陷，即加載系統(tǒng)和聲發(fā)射事件采集系統(tǒng)難以同步，加載系統(tǒng)和聲發(fā)射采集系統(tǒng)各自獨立發(fā)揮作用。以往采用聲發(fā)射測地應(yīng)力試驗中，都是按下加載系統(tǒng)開始鍵的同時按下聲發(fā)射采集系統(tǒng)的開始鍵，這樣操作很難實現(xiàn)真正加載系統(tǒng)與聲發(fā)射采集系統(tǒng)的同步性，所測的Kaiser效應(yīng)點與實際的Kaiser效應(yīng)點存在理論上的不確定性，這也是影響AE法測地應(yīng)力精度的一個重要因素。為了克服上述缺陷減小測試誤差，將上述兩套系統(tǒng)進行改進，在MTS815加載系統(tǒng)中將荷載與位移信號作為聲發(fā)射采集系統(tǒng)的外部參數(shù)通過引線接入PCI-Ⅱ型聲發(fā)射采集系統(tǒng)，通過上述改進，完全實現(xiàn)了兩套系統(tǒng)在工作時間上的同步性，確保測試的Kaiser效應(yīng)點與實際的Kaiser效應(yīng)點一致性。改進后的實驗系統(tǒng)見圖2。

圖2 改進后的試驗系統(tǒng)

2.3 Kaiser效應(yīng)點的識別

根據(jù)以往的研究表明，在聲發(fā)射測地應(yīng)力試驗中，對Kaiser效應(yīng)點的正確判斷非常困難，在巖石試樣的加載過程中，由于干擾的聲發(fā)射信號較多，很難從眾多的干擾信號中準確將Kaiser效應(yīng)點所對應(yīng)的荷載值找出。這是由于在試樣加載過程中，試樣內(nèi)部裂紋閉合、擴張均會產(chǎn)生聲發(fā)射信號。巖石在加載過程中，釋放的聲發(fā)射信號可劃分為三大類：第一類為巖石內(nèi)原有的裂隙在荷載作用下閉合產(chǎn)生的摩擦型AE信號；第二類為荷載作用下裂紋擴張和新裂紋產(chǎn)生釋放的破裂型AE型號；第三類為當(dāng)加載荷載超過歷史最低應(yīng)力水平時釋放的記憶性AE信號。上述三種信號具有各自的特點，在加載的初始階段一般以第一類AE信號為主，隨著加載荷載的增大，第二類AE信號逐漸成為主導(dǎo)，而要識別的第三類AE信號則一般在彈性段出現(xiàn)，此時巖石還未進入新裂紋產(chǎn)生和破裂階段，第一類AE信號和第三類AE信號混合在一起，很難對其進行分辨。

為了精確識別第三類AE信號，從而準確確定巖石的Kaiser效應(yīng)點，提高聲發(fā)射測地應(yīng)力的精度，采用分級循環(huán)加載方式，即對加工好的單個巖石試樣進行五次循環(huán)加載，五次循環(huán)加載的最大應(yīng)力值依次為20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa。

圖3為典型巖樣的分級循環(huán)加載聲發(fā)射信號幅值-時間-應(yīng)力曲線，結(jié)合圖3說明Kaiser效應(yīng)點的精確確定方法。

圖3 典型巖樣分級循環(huán)加載聲發(fā)射幅值-時間-應(yīng)力曲線

可以看出，在第一級加載的初期，便出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射信號，直到第一級循環(huán)加載應(yīng)力峰值20MPa，依然有大量聲發(fā)射散點產(chǎn)生，此時的曲線形態(tài)為下凹，說明這一階段試樣屬于壓密階段，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號大多屬于第一類AE信號，通常第三類記憶性AE信號也混雜其中，緩慢卸載應(yīng)力，此時試樣內(nèi)幾乎沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生；在第二級循環(huán)加載時，聲發(fā)射信號便出現(xiàn)了極強的規(guī)律性，當(dāng)應(yīng)力未達到第一級加載應(yīng)力峰值20MPa之前，只有少量的聲發(fā)射信號產(chǎn)生，當(dāng)加載應(yīng)力超過20MPa時，聲發(fā)射信號便大量增加。通過分析發(fā)現(xiàn)，在加載應(yīng)力20MPa之前，如圖3中虛線箭頭所示，出現(xiàn)了3個聲發(fā)射信號點，分別對應(yīng)的加載應(yīng)力為4MPa、8.2MPa和10.5MPa，而在后續(xù)的循環(huán)加載中，這3個信號點均有出現(xiàn)。由此可判斷，4MPa、8.2MPa、和10.5MPa為第三類記憶性AE信號點。說明在此之前，巖樣經(jīng)歷了3次較大的構(gòu)造運動，而最近的一次承受的最大應(yīng)力為10.5MPa。由此可得出，10.5MPa即為我們需要的Kaiser效應(yīng)點。

從分級循環(huán)加載聲發(fā)射幅值—時間—應(yīng)力曲線中還可以看出，第一級加載最大應(yīng)力20 MPa在第三級加載、第四級加載和第五級加載中均出現(xiàn)了記憶性聲發(fā)射信號點；而第二級加載最大應(yīng)力30MPa同樣在第四級加載和第五級加載中出現(xiàn)了記憶性聲發(fā)射信號點，這也進一步說明了巖石的Kaiser效應(yīng)。

上述分析可得，在分級循環(huán)加載過程中，真實的地應(yīng)力Kaiser效應(yīng)點往往混雜在第一級加載過程中的聲發(fā)射信號點中，難以辨識；但通過分級加載，真實的地應(yīng)力Kaiser效應(yīng)點可在第二級加載中準確辨識；真實的地應(yīng)力Kaiser效應(yīng)點出現(xiàn)在第二級加載應(yīng)力峰值之前的零星聲發(fā)射信號點中。

3 地應(yīng)力分析結(jié)果及規(guī)律

利用改進后的MTS815—PCI-Ⅱ聲發(fā)射信號測試系統(tǒng)，按照上述分級循環(huán)加載拾取地應(yīng)力Kaiser效應(yīng)點的方法，對15個測點取得的巖芯試樣進行室內(nèi)聲發(fā)射試驗，每個測點同一個方向測試3～5個試樣，對測試結(jié)果取平均值為Kaiser效應(yīng)點應(yīng)力值，其測試結(jié)果見表2。

按照公式(1)、(2)中計算水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力方向的方法，對每個測點的水平主應(yīng)力及方向進行計算，計算結(jié)果見表3。

表2 聲發(fā)射試驗辨識的Kaiser效應(yīng)點應(yīng)力值

表3 各測點地應(yīng)力值及方向

圖4 主應(yīng)力與埋深的擬合關(guān)系

圖4為各方向主應(yīng)力隨埋深的擬合關(guān)系圖，從圖中可以得出，垂直應(yīng)力、水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力與埋深的關(guān)系，公式為：

(3)

式中：h為埋深，m；σV為垂直主應(yīng)力，MPa。

圖5 最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值與埋深的關(guān)系

由圖4可見，最大、最小水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力，說明小廠壩礦區(qū)地應(yīng)力主要以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。根據(jù)表3的計算結(jié)果，水平最大主應(yīng)力的方向基本一致，主要集中在N27°E～N44°E之

間。圖5為最大水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力的比值與埋深的關(guān)系，隨著埋藏深度的增加，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值呈降低趨勢，說明隨著開采深度的增加，小廠壩區(qū)域的主要地應(yīng)力由水平應(yīng)力向垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

——解決了MTS815加載系統(tǒng)與PCI-Ⅱ型聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)在時間上的同步問題，確保地應(yīng)力測量的準確性。

——為解決聲發(fā)射試驗中記憶性Kaiser效應(yīng)聲發(fā)射信號與摩擦型聲發(fā)射信號混雜難以區(qū)分的問題，提出了分級循環(huán)加載方法，在第二級加載中可清晰辨識正確Kaiser效應(yīng)點。

——通過對小廠壩礦區(qū)3個中段15個測點的地應(yīng)力進行測量，掌握了礦區(qū)地應(yīng)力大小及分布規(guī)律，為后續(xù)安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。