深部环境下岩石声发射地应力测试及其应用.pdf

深部环境下岩石声发射地应力测试及其应用 ① 李 啸1， 汪仁建2， 李秋涛3， 彭 康1，2 （1.重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044； 2.山东黄金金创集团有限公司，山东 烟台 265607； 3.山东金洲矿业集团有限公司，山东 乳山 264501） 摘 要 为了研究深部条件下不同埋藏深度对地应力分布规律的影响，通过地表重定向技术及一种自主研发的二次取芯技术，取 得了地表以下 1 050 m、1 150 m、1 250 m、1 350 m 和 1 450 m 共 5 个不同深度的岩石声发射试件，利用岩石声发射 Kaiser 效应原理， 测得不同水平标高地应力，经理论计算得出相应的主应力。 结果表明，随着埋藏深度增加，地应力呈较明显的线性变化。 实测巷道 应力与理论计算应力分布情况相似。 其结果对于该矿区的采矿工程布置具有指导意义。 关键词 声发射； 深部采矿； 地应力； 岩石力学 中图分类号 P642文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253－6099.2019.02.005 文章编号 0253－6099（2019）02－0019－05 Measurement of In-situ Stress in Deep Underground by Acoustic Emission Technique and Its Application LI Xiao1， WANG Ren-jian2， LI Qiu-tao3， PENG Kang1，2 （1.College of Resources and Environmental Sciences， Chongqing University， Chongqing 400044， China； 2.Shandong Gold Jinchuang Group Co Ltd， Yantai 265607， Shandong， China； 3.Shandong Jinzhou Mining Group Co Ltd， Rushan 264501， Shandong， China） Abstract In order to study the influence of different burial depth on the distribution of in-situ stress in deep underground， 5 rock acoustic emission specimens at the depth of 1 050 m， 1 150 m， 1 250 m， 1 350 m and 1 450 m below the surface were obtained by using the surface reorientation technology and an independently developed secondary coring technology. The in-situ stress at different elevations was measured based on Kaiser effect principle of rock acoustic emission， and the corresponding primary stress was calculated theoretically. The results showed that the in-situ stress changed with the increase of burial depth， obviously following a linear relationship. The measured stress of roadway was similar to the theoretically calculated stress in terms of distribution. The result can be of reference for the layout of the mining area in practical engineering. Key words acoustic emission； deep mining； in-situ stress； rock mechanics 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、道路和 各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，科 学准确的地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行 围岩稳定性分析、实现岩土工程决策科学化的必要前 提［1－2］。 尤其在地下采矿工程中，由于巷道的开挖、采 场的布置设计都需在稳定性足够高的条件下进行，而 无论是井巷、采场的稳定性问题，都与地应力场（包括 构造应力场和自重应力场）密切相关，因此地应力的 研究具有重要的理论和实用价值［3］。 根据测量原理不同地应力的测量方法分为应力恢 复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X 射线法、 重力法等［1－5］。 其中声发射法与其他方法相比，在深 部情况下，准确性较高。 声发射测试地应力的原理是 通过判断 Kaiser 效应点，进而获得原位岩石的地应力， 这项技术在地应力测试领域中，无论是国内还是国外 都比较先进［6－9］。 理论上讲，声发射法并没有深度上的限制，只要能 钻出岩芯即可进行地应力测量。 本文通过声发射测试 地应力技术，获得了深部条件下不同埋藏深度的地应力 分布情况，可为矿山深部回采工作提供一定的理论借鉴。 ①收稿日期 2018－09－28 基金项目 重庆市基础科学与前沿技术研究专项（cstc2016jcyjA1861）；国家自然科学基金青年基金（51774058，51504044）；中国博士后科学 基金面上项目（2015M570607）；2016 年度山东省博士后创新项目专项资金拟资助项目 作者简介 李 啸（1993－），男，山西晋城人，硕士研究生，主要研究方向为金属矿山充填采矿。 通讯作者 彭 康（1986－），男，湖南岳阳人，博士，副教授，博士研究生导师，主要研究方向为岩石力学及采矿方法。 第 39 卷第 2 期 2019 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №2 April 2019 万方数据 1 实验设计 1.1 工程概况 山东黄金金创集团大柳行金矿位于大柳行镇奄口 村至门楼村附近，距离蓬莱市东南部约 40 km。 该矿 分燕山与奄口两大矿区，其中奄口矿区目前采深已达 到－1 030 m。 随开采深度增加，开采范围增大，采空区 顶板岩石原始平衡状态被破坏，在震动、降雨等作用影 响下，易产生变形；在重力作用下顶板发生弯曲、离层 以致冒落形成新的塌陷或造成已塌陷范围扩大的可能 性较大，而且具有突发性，影响地下开采、地表建筑物 以及井筒的安全。 奄口矿区地层简单，仅见新生代第四系；构造发 育，断裂构造控制了区内矿脉及矿体的分布；岩浆岩广 布，主要有中生代郭家岭超单元及中生代燕山晚期的 各种脉岩等，其深部岩石多为花岗岩。 1.2 定向岩芯的获取 1.2.1 矿区地应力测量测点的确定 本次地应力测量的所有试样均钻自于大柳行金矿 奄口矿区 568KZ－1301 号地质钻孔。 按 100 m 间距布 取样点，可在现场直接进行取样，也可在岩芯库中按岩 芯所在深度进行选取，每个点取样长度约5～6 m，单个 样品长度不小于 200 mm，本次试验每个钻孔取样 5 组 （1 050、1 150、1 250、1 350 和 1 450 m 各 1 组）。 钻孔每钻进 20～30 m 需要测斜一次，测出其倾角 （或天顶角）及方位角。 用于试验的岩芯需及时腊封 或用保鲜膜仔细包好，在入库与运输过程中注意保存。 用于试验的全部岩芯均进行编号，并标注清楚每段岩 芯的起、止标高。 1.2.2 非定向地质岩芯的地表重定向测试 传统的岩芯定向技术一般是采用机械式定向取芯， 这种定向取芯方法优点是定向工具结构比较简单，也比 较直观，一旦取出带定向标记的岩芯，即能迅速获得岩 芯定向的信息。 但是此方法操作工序繁复，耗时长，效 率低下，甚至还会引起孔内故障。 在生产钻探过程中，绝大部分钻孔均会产生一定 的弯曲，正常情况下，钻探岩芯的轴心线与钻孔轴心线 始终保持一致。 因此，可以用钻孔的孔斜数据表征岩 芯柱的弯曲情况。 在孔斜测量中，对于无法使用罗盘 的磁性矿体的钻孔测斜，采用连环定向测斜法，通过测 量相邻二测段的 2 个天顶角和 2 个终点角，便可求出 二测段的方位角改变值。 因此，可利用该方法的逆过 程，基于岩芯轴与钻孔轴一致假定，通过连环测斜的逆 过程恢复岩芯柱（含岩芯试样）的原位产状。 利用 3 个已知测斜数据，计算另 3 个未知数据，然后再在测斜 仪校检台上恢复岩芯的原位产状，完成定向。 如图 1 所示，过球心 O，将上测段轴线用 OA 表示 出来，它与铅垂线 OD 夹角为 θ1；同样，再把下测段轴 线 OB 与铅垂线夹角设为 θ2，二轴线夹角为轴偏角 γ， 二轴线在水平面的投影之夹角为方位改变值 Δα，即 下、上测段方位角 α2和 α1之差（Δα＝α2 －α 1）。    O θ1 φ1 π-φ1 φ2 θ2 A B D γ 图 1 孔斜测量角度在球面坐标中的关系示意 在孔轴垂直面上，γ 角所在面与垂直面①和②的 夹角称为终点角，相应为 φ1和 φ2，θ1角的投影角为 φ2，θ2角的投影角为 π－φ1。 这样，孔斜测量所涉及的 6 个角度构成球面三角形的 3 个角和 3 个边，已知 3 个可求另外 3 个。 利用该方法，结合现场钻孔的测斜数据，准确地将 在不同深度选取的地应力测试用岩芯样品进行了地表 重定位，在每组岩样上标记出其真实的地理北向。 从 具有较明显层理的岩样上可以发现，重定位的标记线 与已知的地层倾向基本一致，这也从另一个角度验证 了该定位法的可靠性。 1.3 岩样钻取实验 在进行岩样二次取芯时，使用自主设计的二次取 芯架构对岩样进行固定，以提高二次取芯标准试件的 精确度和二次取芯效率。如图 2 所示，首先将岩样放 5-D0 90E 5; .,DD 5-D 2156 1,.,2 ,D DDE 图 2 二次取芯架构装置设计图 02矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 置在岩样放置凹槽内，利用岩样固定装置并拧紧螺丝， 对岩样进行固定，而后沿着螺杆轴承转动，使岩样的轴 向与装置底座构成所需的夹角。 同时，利用角度固定 孔和可调节螺母将螺杆支撑架进行固定。 最后将取芯 机钻头在二次取芯架构方呈垂直状态放置，钻取岩芯。 取芯时，使定向后（正北方向）的岩芯与水平方向 夹角呈 76（地表定向结果）进行定位，在固定模具上 必须先标明正北方向并与岩芯正北方向重合。 记录各 个待取小岩芯的取样深度（根据每箱岩芯的起始段进 行测量得出）。 共分四步取芯（如图 3 所示）。 以Ⅰ水平为例 ① 以南北向为 0取芯（标记Ⅰ-0）；② 以东西向与正 北方向为 90取芯（标记Ⅰ-90）；③ 以东南之间或西 北之间夹角与正北方向为 45 取芯（标记Ⅰ-45）； ④ 垂直方向取芯（标记Ⅰ-H）。 每箱岩芯分别取 4 个 方向的小岩芯，每个方向上取 3 个为一组，每箱共计取 12 个小岩芯。 总共 5 箱岩芯即 5 个深度，合计 60 个 小岩芯。 并对所取岩芯进行编号。 *D, 45 45 90 45 90 0 0 S6 N S6 90 WE, N 76 45 mm 76 图 3 岩芯重定位后取芯示意 1.4 声发射 Kaiser 测试地应力 岩石声发射试验在重庆大学煤矿灾害动力学与控 制国家重点试验室完成，采用美国 MTS 公司生产的 MTS815 型液压伺服岩石力学测试系统进行试件压缩 试验，采用 PCI-2 多通道声发射系统进行声发射试验。 加载前，在试件端面均匀涂抹一层黄油，减少端部 效应对 AE 信号的干扰。 试验加载方式采用位移控制 加载，加载速率为 0.01 mm／ min，声发射系统设置门槛 值为 45 dB。 根据实验需要采集 MTS815 型液压伺服 岩石力学测试系统的轴向力与时间，PCI-2 多通道声 发射系统的压力与声发射数，确定岩石时间的 Kaiser 效应点及对应的轴向力，从而获取 5 组岩样 4 个方向 的应力分量。 2 实验结果 2.1 主应力的计算及应用 根据试验数据，绘制每一个试验试件的时间-应 力-声发射计数关系曲线，从而确定每一个试件的 Kaiser 效应特征点，并找出其对应的应力值。 图 4 为Ⅰ水平 0方向的时间-应力-声发射计数关 系曲线图。 由图 4 可知，加载初期，载荷较小时，声发 射现象不明显，但加载至 58 s 时，声发射信号开始大 量增加，可以判定 58 s 时对应的点即为 Kaiser 效应特 征点。 ;0s ,0; DA4 160 120 80 40 0 3000 2000 1000 0 050100150 ,0; A4 MPaσ 图 4 Ⅰ-0-1 试件时间-应力-声发射计数关系曲线 通过上述方法，判别 5 个水平各方向岩样 Kaiser 点对应的 4 个方向正应力，如表 1 所示。 表 1 声发射地应力测试及计算结果 测点 水平 试件 编号 直径 ／ mm 长度 ／ mm Kaiser 点应力 均值／ MPa σv ／ MPa σ1 ／ MPa σ2 ／ MPa σγ ／ MPa θ ／ （） Ⅰ Ⅰ-H17.6636.027.28 Ⅰ-018.7038.129.8 Ⅰ-4518.7039.228.11 Ⅰ-9018.7139.257.38 27.2864.3322.8628.3565.85 Ⅱ Ⅱ-H18.98 39.5043.72 Ⅱ-018.04 38.0432.16 Ⅱ-45 18.10 37.3841.04 Ⅱ-90 18.16 39.2467.99 43.7270.1330.0231.0576.62 Ⅲ Ⅲ-H17.76 36.0055.20 Ⅲ-017.90 38.4848.99 Ⅲ-45 17.72 39.2251.38 Ⅲ-90 18.02 38.0273.69 55.2077.2145.4833.7570.56 Ⅳ Ⅳ-H18.92 38.6459.61 Ⅳ-018.04 38.4455.46 Ⅳ-45 18.00 38.2467.08 Ⅳ-90 18.00 38.4080.12 59.6180.1455.4436.4586.36 Ⅴ Ⅴ-H19.00 38.9477.47 Ⅴ-017.96 38.4456.41 Ⅴ-45 18.00 39.0073.92 Ⅴ-90 18.00 38.6096.74 77.4796.9156.2439.1586.25 2.2 主应力的计算及应用 目前常采用弹性力学理论确定主应力，文献［10－ 12第 2 期李 啸等 深部环境下岩石声发射地应力测试及其应用 万方数据 12］的研究成果表明，对声发射试验所得特殊方向岩 石试件应力值进行计算，可以得到测点主应力值。 由于本次试验取芯方式的改进，较准确地还原了 试件所在测点的情况，因此可以认为垂直主应力 σv即 为不同水平垂直取样测得的数值，基于弹性力学原理 σ1＝ 1 2 （σ0 ＋ σ 90 ） ＋ 1 2cos2θ（σ0 － σ 90） σ2＝ 1 2 （σ0 ＋ σ 90 ） － 1 2cos2θ（σ0 － σ 90） tan2θ ＝ 2σ45 － σ 0 － σ 90 σ0 － σ 90 （1） σγ＝ γgh（2） 式中 σ1、σ2分别为水平方向上的最大、最小主应力， 规定应力以压为正；σγ为该水平的自重应力，γ 为矿 石密度，取 2.75 t／ m3。 利用空间不同角度上岩芯的 Kaiser 效应点对应的应力值，计算出测点上 2 个水平 主应力的大小和方向，统计结果如表 1 所示。 利用线性回线法将各埋深点所测地应力进行拟 合，拟合出钻孔所在区域内的岩体中地应力随深度变 化的计算公式（见式（3））。 拟合曲线如图 5 所示。 σv＝ 0.116 3h － 92.686 σ1＝ 0.078 3h － 20.569 σ2＝ 0.091 4h － 73.291 （3） 5m 100 70 40 10 100011001200130014001500 DA4MPa               σv -92.6860.1163h σ1 -20.5690.0783h σ2 -73.2910.0914h 图 5 垂直主应力，水平最大、最小主应力与埋深的关系 由表 1 可得，随着埋藏深度增大，总体上应力值偏 大，当深度到达地表以下 1 450 m 时，水平最大主应力 值接近 100 MPa。 由此可以得出，矿井进入深部开采 之后，地应力将对矿井的生产系统带来巨大的影响，这 种影响随着开采深度增加将愈加明显。 由图 5 可得，所测埋藏深度的地应力以水平构造 应力为主，但随着开采深度增加，水平构造应力的主导 作用有所减弱，垂直主应力的作用效果随着深度增加 而加大。 即垂直主应力增长情况要明显高于水平主应 力，根据拟合公式，至 1 900 m 埋深时，垂直主应力将 超过最大水平主应力，起到主导作用。 垂直方向主应力随埋深增加而增大，整体上大致 呈线性增长趋势，如图 6 所示。 除 1 050 m 埋深以外， 其余深度垂直方向的主应力均明显大于自重应力，埋 深达到 1 450 m 时，垂直主应力值几乎是自重应力值 的 2 倍。 同时，由表 1 可得，1 250～1 350 m 的垂直应 力仅增加了4.41 MPa，1350 m 埋深处垂直主应力值明 显低于线性平均值，分析其原因可能与此处的地质构 造及矿山开采活动有关。 这说明在矿区深部地质构造 及生产活动对地应力的影响十分明显，在未来的开采 活动中，必须加强对地质构造的勘探工作。 5m DDA4 *DDA4 6/ 100 80 60 40 20 0 100011001200130014001500 A4DMPa             图 6 垂直主应力、自重应力与埋深的关系 由表 1 可得，水平最大主应力随埋深增加而增大， 不同深度最大水平主应力的方位一致性较好，均为北 东东向，分布于 ENE65.85 ～ ENE86.36之间，其方向 与矿区的总体地质构造特征吻合。 所测区域的最大水平主应力与垂直主应力之比 （侧压系数）在 1.25～2.35 之间，这与我国大陆区域地 压的侧压力系数分布规律基本一致；矿区的水平应力 存在明显的方向性，区域内最大水平主应力与最小水 平主应力在数值上相差较大，围岩开挖后易产生剪切 类型破坏，因此在开采和安全设计时要考虑该情况的 影响。 3 现场地应力实测验证 套孔应力解除法是目前国际上技术成熟、适用性 和可靠性强的一种测定原岩应力的方法。 为了验证计 算结果的可靠性，在埋藏深度－1 200 m 的水平巷道沿 工作面倾向 ENE69.70，布置 2 组套孔解除地应力测 点。 由于套孔应力解除法对造孔技术要求很高，不但 要求大小孔同心、平直，而且对装探头的小孔有严格的 尺寸要求，本次实测验证采用黄金矿山常用的青岛产 46210 型水平液压钻机进行钻孔。 将套孔钻具送入钻孔，进行等速解除。 接上数据 22矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 记录仪，每隔 2 min 打印一次数据，直至数据稳定。 测 孔深度为 40 m，对现场地应力实测结果取平均值，得 到地应力结果如表 2 所示。 表 2 地应力理论值与套孔应力解除法实测结果 数据 来源 σy ／ MPa σ1 ／ MPa σ2 ／ MPa 实测结果（re）50.34880.03435.712 Kaiser 效应法理论值（ac）46.87473.39137.39 分析套孔应力解除法测试结果与 Kaiser 效应得到 的理 论 值， 可 得 最 大 主 应 力 之 间 的 偏 差 率 为 σ1re －σ 1ac σ1re 100％＝8.3％；最小主应力之间的偏差率 为 σ2re －σ 2ac σ2re 100％＝4.7％；垂直主应力之间的偏差 率为 σvre －σ vac σvre 100％＝6.9％。 其偏差率较小，可认 为 Kaiser 效应得到的理论值基本与实测情况相同。 这 也应证了声发射用于深部地应力测量的准确性。 4 结 论 1） 通过套孔应力解除法的地应力现场验证，证实 了声发射测量地应力在深部条件下的可行性和准确性， 并测得了大柳行金矿深部不同地区的地应力分布情况。 2） 随着埋藏深度增加，地应力呈较明显的线性变 化。 在未来构建矿区测点附近的硐室、巷道及其它地 下结构时，应使巷道走向、硐室轴向尽可能与最大主应 力方向一致或尽可能接近最大主应力方向。 对于无法 满足这一条件的地下结构，应针对不同矿岩的物理力 学性质加强支护和监测。 3） 由测量结果可知，大柳行金矿目前开采深度的 地应力场以水平构造应力为主，大致呈水平分布。 垂 直主应力的增长明显大于水平主应力，至 1 900 m 时， 垂直主应力将超过水平最大主应力，在地应力影响中 起主导作用。 4） 最大水平主应力的方位角随着埋藏深度不同 无明显变化，一致性较好。 5） 深部地区垂直主应力均明显大于自重应力，随 着埋藏深度增加，此情况愈加明显。 参考文献 ［1］ 蔡美峰. 地应力测量原理和技术［M］. 北京科学出版社， 2000. ［2］ 蔡美峰. 金属矿山采矿设计优化与地压控制理论与实践［M］. 北 京科学出版社， 2001. ［3］ 康红普，林 健，张 晓. 深部矿井地应力测量方法研究与应用［J］. 岩石力学与工程学报， 2007，26（5）929－933. ［4］ 张重远，吴满路，廖椿庭. 金川三矿地应力测量及应力状态特征研 究［J］. 岩土力学， 2013，34（11）3254－3260. ［5］ 马春德，李夕兵，陈 枫，等. 自然崩落法矿山深部地应力场分布 规律的测试研究［J］. 矿冶工程， 2010，30（6）10－14. ［6］ 彭 瑞，赵光明，孟祥瑞. 采煤工作面支护测试平台设计［J］. 金 属矿山， 2014，43（3）128－131. ［7］ 祝方才，谢学斌. 岩石声发射技术及在地应力测量中的应用探讨［J］. 国外金属矿山， 2000，24（2）13－15. ［8］ 田峰亮，祝方才，唐文彪，等. 基于 Kaiser 效应的地应力测试研究［J］. 湖南工业大学学报， 2012，26（5）21－24. ［9］ 马春德，胡顺喜，王业顺，等. 引入外参数的声发射系统在地应力 测量中的应用［J］. 矿冶工程， 2017，37（2）1－5. ［10］ 姜永东，鲜学福，许 江. 岩石声发射 Kaiser 效应应用于地应力 测试的研究［J］. 岩土力学， 2005，26（6）946－950. ［11］ 王立君，刘建坡，杨宇江，等. 岩石非均匀性和围压对 Kaiser 效应 的影响［J］. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）， 2010，29 （2）240－243. ［12］ 李彦兴，董平川. 利用岩石的 Kaiser 效应测定储层地应力［J］. 岩石力学与工程学报， 2009，28（增 1）2802－2807. 引用本文 李 啸，汪仁建，李秋涛，等. 深部环境下岩石声发射地应力 测试及其应用［J］. 矿冶工程， 2019，39（2）19－23. �������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 18 页） ［3］ Huang T， Chucheepsakul S. 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