基于聲發(fā)射法的地應(yīng)力研究

劉暢 ，趙亮 ，呂冠穎 ，胡鵬

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

地應(yīng)力是指地殼中的巖體在天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)在應(yīng)力，主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力等耦合而成。地應(yīng)力是引起采礦等各種地下巖土工程變形和破壞的根本作用力。準(zhǔn)確地測量地應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)地下礦山開采設(shè)計(jì)、圍巖穩(wěn)定性分析、安全高效開采具有十分重要的意義[1?5]。聲發(fā)射法相比較其它地應(yīng)力測試方法，如水壓致裂法、套孔應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法、應(yīng)力恢復(fù)法和應(yīng)變恢復(fù)法等，具有測量深度大、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)[6?12]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)聲發(fā)射法等地應(yīng)力的測量方法做了大量研究。付小敏等[1]在近20年的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上總結(jié)了一種新聲發(fā)射測量地應(yīng)力的數(shù)據(jù)處理方法，并用于工程實(shí)踐獲得了滿意的結(jié)果。李嘯等[2]通過自主研發(fā)的二次取芯技術(shù)，基于聲發(fā)射原理對(duì)深部地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了測量。李庶林等[3]對(duì)巖石峰值強(qiáng)度前聲發(fā)射前兆特性進(jìn)行研究，提出Felicity比和加卸載響應(yīng)比等可作為預(yù)測或判斷巖石失穩(wěn)破壞的參考依據(jù)。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，利用聲發(fā)射法對(duì)某礦山深部埋深為950m、1050m和1150m水平的地應(yīng)力進(jìn)行測量，獲得了地應(yīng)力分布規(guī)律，為礦山圍巖穩(wěn)定性分析和計(jì)算、支護(hù)設(shè)計(jì)、采礦工程設(shè)計(jì)和深部安全回采工作提供了參考依據(jù)。

1 聲發(fā)射法測量地應(yīng)力的原理

大量實(shí)驗(yàn)表明巖體具有明顯的凱瑟效應(yīng)，凱瑟效應(yīng)是指巖體所受外部應(yīng)力從歷史最高水平釋放后再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過歷史最高水平后，則產(chǎn)生大量聲發(fā)射。本次地應(yīng)力的測量應(yīng)用聲發(fā)射的凱瑟效應(yīng)原理，從不同水平的測點(diǎn)中鉆取巖石試件，通過對(duì)加工的不同方向的巖石試件進(jìn)行加載聲發(fā)射試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果找到凱瑟效應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算出凱瑟效應(yīng)值，然后利用彈性力學(xué)理論，計(jì)算求出取樣點(diǎn)的原始三維應(yīng)力狀態(tài)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 巖石取樣及加工

此次試驗(yàn)為了全面掌握深部地應(yīng)力分布規(guī)律，在現(xiàn)場直接進(jìn)行取樣?？紤]到不同巖體完整性的差異性及鉆機(jī)對(duì)現(xiàn)場條件的要求，選取埋深為950m、1050m和1150m水平的適宜位置作為鉆孔取芯點(diǎn)位。然后分別向沿礦體走向方向?yàn)?°取芯、垂直礦體走向方向?yàn)?0°取芯、與沿礦體走向方向成45°取芯，礦體鉛垂方向取芯。取芯直徑為50mm，鉆孔孔深約10m～30m，每個(gè)方向取20塊巖芯。并對(duì)鉆取的試樣進(jìn)行加工，制備成Φ50mm×100mm的圓柱巖芯試件。對(duì)完整性良好的試樣進(jìn)行分組編號(hào)，見圖1。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用設(shè)備為國產(chǎn)YNS-Y600電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過程采用位移控制加載，單軸壓縮和循環(huán)加卸載混合的方式進(jìn)行加卸載，加載速率為3mm/min。聲發(fā)射系統(tǒng)為MICRO-Ⅱ-32聲發(fā)射系統(tǒng)，采用撞擊數(shù)、事件定位數(shù)以及其他相關(guān)參數(shù)記錄試驗(yàn)過程中巖樣的聲發(fā)射特征，設(shè)置門檻值為45dB。

在完整性較好的試件側(cè)面粘貼傳感器，設(shè)置聲發(fā)射系統(tǒng)和壓力機(jī)的參數(shù)，加載前在試件兩端均涂抹黃油，減少端部效應(yīng)對(duì)AE信號(hào)的干擾。同時(shí)打開聲發(fā)射系統(tǒng)和試驗(yàn)機(jī)開始試驗(yàn)。

圖1 典型巖石試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

以1150m不同方向的2個(gè)典型試樣為例，匯總了荷載-時(shí)間、累計(jì)撞擊數(shù)-時(shí)間和累計(jì)事件數(shù)-時(shí)間曲線并進(jìn)行聚合分析，將撞擊數(shù)和事件數(shù)-試件曲線兩者共同急增開始點(diǎn)作為聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)特征點(diǎn)，見圖2～圖5。

圖2 試樣鉛錘方向試驗(yàn)結(jié)果

圖3 試樣沿礦體走向方向0°試驗(yàn)結(jié)果

由圖2～圖5可知，加載初期荷載較小時(shí)，聲發(fā)射現(xiàn)象很少，隨逐步加載聲發(fā)射信息逐漸明顯，且Kaiser效應(yīng)點(diǎn)隨循環(huán)加卸載的進(jìn)行出現(xiàn)不同等級(jí)的對(duì)應(yīng)荷載值，對(duì)各級(jí)荷載值進(jìn)行初步標(biāo)記。

圖4 試樣與沿礦體走向成90°試驗(yàn)結(jié)果

圖5 試樣與沿礦體方向成45°試驗(yàn)結(jié)果

3.2 主應(yīng)力計(jì)算及分析

由3個(gè)方向得到的凱瑟效應(yīng)應(yīng)力值計(jì)算出最大、最小主應(yīng)力。基于彈性力學(xué)原理對(duì)主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算：

式中，σ0、σ45、σ90分別為實(shí)測正應(yīng)力；σmax為最大水平主應(yīng)力；σmin為最小水平主應(yīng)力；θ為最大水平主應(yīng)力方向，由經(jīng)驗(yàn)公式得到垂直主應(yīng)力σv，具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。

利用線性回歸法對(duì)計(jì)算最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖6。

由表1和圖6可知，礦山深部地應(yīng)力的變化情況和分布規(guī)律如下：

（1）試驗(yàn)測得的凱瑟效應(yīng)點(diǎn)應(yīng)力值均表現(xiàn)為0°方向應(yīng)力值最小，45°方向應(yīng)力次之，90°方向應(yīng)力最大。最大水平主應(yīng)力角度相差不大。最大水平主應(yīng)力大于鉛垂方向應(yīng)力，測點(diǎn)附近區(qū)域的巷道和采場布置應(yīng)著重考慮水平應(yīng)力的影響。

（2）最大水平主應(yīng)力σmax、最小水平主應(yīng)力σmin、垂直主應(yīng)力σv和自重應(yīng)力σγ均表現(xiàn)為隨著深度的增加而增大，基本呈線性增長趨勢，凱瑟效應(yīng)點(diǎn)垂直方向的均值與自重應(yīng)力相差不大，符合地應(yīng)力的分布規(guī)律。

（3）最大主應(yīng)力均大于30 MPa，測點(diǎn)區(qū)域地應(yīng)力為高應(yīng)力狀態(tài)；所測區(qū)域的側(cè)壓系數(shù)即最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值為1.41～1.62，符合中國大陸區(qū)域地壓的側(cè)壓力系數(shù)分布規(guī)律。

表1 聲發(fā)射試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果

圖6 地應(yīng)力回歸曲線

4 結(jié)論

（1）由于本次試驗(yàn)所測得的結(jié)果均小于抗壓強(qiáng)度的70%，同時(shí)所測數(shù)據(jù)的一致性較好，大部分試樣的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)都明晰可辨，證明了基于聲發(fā)射地應(yīng)力的測量方法是可行的。

（2）水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力及自重應(yīng)力均表現(xiàn)為隨埋深增加而增大，總體趨勢呈線性增長而變化。垂直主應(yīng)力與自重應(yīng)力值接近。測量及計(jì)算結(jié)果均符合地應(yīng)力分布規(guī)律。

（3）根據(jù)聲發(fā)射測量結(jié)果可知，礦山深部開采應(yīng)主要考慮水平應(yīng)力影響。礦山開采相關(guān)采場及采礦活動(dòng)應(yīng)注意沿礦體走向主應(yīng)力的影響，且硐室及巷道的布置應(yīng)盡量沿最大主應(yīng)力方向。