小厂坝矿区地应力测试及分布规律

2020-07-07张晨洁邢力丹

矿业工程 2020年2期

胡威张晨洁邢力丹

(1.南昌安达安全技术咨询有限公司，江西南昌 330000；2.西北矿冶研究院，甘肃白银 730900；3.白银市第十中学，甘肃白银 730900)

0 引言

地应力是由于地质构造运动产生的一种内力效应，有时也称原岩应力。在地下开采中，尤其在深部开采中，地应力对矿体安全开采尤为重要[1-4]。地应力是影响巷道、采场稳定的重要因素，也是影响深井开采岩爆发生的重要原因[5-7]。声发射测地应力法又称AE法，是利用岩石的Kaiser效应，通过对岩石进行应力加载，识别加载过程中的Kaiser效应点，从而确定地应力值的大小[8,9]。该方法较其他地应力测试方法具有工艺简单、费用节约、不受测量深度限制等诸多优点。但同时，AE法测地应力由于Kaiser效应点难以辨识，其地应力测量精度较低，其应用受到了极大限制。岩石在压缩过程中，会释放很多声发射信号，其中包含岩石地应力的声发射信号只占声发射信号的一小部分，而且其信号与其他信号混杂，十分难以区分，这也是影响AE法测地应力准确性的重要影响因素。

甘肃厂坝铅锌矿位于甘肃陇南市，处于秦岭地区西成铅锌成矿带的东部，是我国为数不多的超大型铅锌矿床。厂坝铅锌矿现阶段主要开采区域由李家沟、厂坝、东边坡、小厂坝四大采区组成，其中小厂坝采区开采深度最深，开采条件最为复杂，已出现岩爆灾害征兆。而影响小厂坝矿区安全开采的重要参数地应力的大小及方向还尚未明确，无法采取针对性的工程措施缓解岩爆征兆，保障小厂坝矿区的安全。通过采用AE法对矿区的地应力进行测量，掌握了矿区的地应力分布规律，为后续的岩爆防止措施及开采顺序提供了重要依据。

1 声发射测地应力原理

声发射测地应力是基于岩石的凯瑟(Kaiser)效应进行测试的。Kaiser效应最早被发现于金属材料，是指当一种材料在历史的某一时刻受到了某种应力水平作用，如果在实验室内对该材料进行应力加载，在尚未达到历史应力水平时，材料将不会有声发射现象或声发射很少，当超过历史应力水平时，声发射现象大幅增加。这一特性反映了材料的记忆性。近年来，发现于金属材料中的Kaiser效应被应用于地质学科和岩土工程中，特别是地应力测量中。

在地应力测试点，沿垂直方向和三个水平方向共设置四个钻孔，其中垂直方向与自重应力方向相同，水平方向三个钻孔分别与正北方向的夹角为0°、45°和90°。为了保证所取的岩芯不受爆破应力作用的影响，根据爆破应力应力影响的范围，舍弃钻孔前6m钻取的岩芯，对深度6m以后钻取的岩芯进行取样。对每个方向钻取的岩芯进行加工，对加工好试样进行室内单轴压缩声发射试验，对每个方向的Kaiser效应点进行测试记录。Kaiser效应点即为每个方向的最大应力值，对每个方向的最大应力值进行计算，即可得到测试点的地应力状态值，计算公式如下：

(1)

(2)

式中：σHmax、σHmin分别为最大、最小水平主地应力，MPa；σ0°、σ45°、σ90°分别为0°、45°和90°三个水平方向岩芯Kaiser效应点处应力值，MPa；β为水平最大主应力与正北方向的夹角。

2 现场取样及测试方法

2.1 现场取样

由于小厂坝矿区埋藏较深，从实际开采过程中频繁出现弹射、岩石声响等现象可以看出，小厂坝矿区的地应力较大，并且在开采过程中已经出现了岩爆发生征兆。部分采场由于岩体弹射、声响较大停止了作业。为防止岩爆发生，需掌握矿区的地应力分布特征，根据地应力分布特征及规律采取相应的工程措施，缓解和减少开采过程中的岩爆现象。现阶段小厂坝矿区生产中段为850m、800m中段，750m中段为待生产中段，这三个中段为小厂坝矿区未来十来年内的主要生产中段。因此，选择在该三个中段布置地应力测点，从而掌握矿区的地应力分布规律。测点的布置位置及埋深见表1，现场钻取垂直方向岩芯的照片见图1。

表1 测点位置及埋深

图1 现场钻孔取样

对钻取的岩芯进行切割、打磨，加工成直径50mm、高度100mm的标准试样。对试样两端进行仔细打磨，保证其不平整度小于0.02mm。

2.2 声发射试验仪器

荷载加载设备采用MTS815电液伺服控制刚性材料机，该试验机可实现最大加载荷载2 600kN，加载荷载精度可控制在0.5%以内，加载系统可实现荷载、位移、应变等多种控制模式。声发射信号采集系统采用美国声学公司生产的PCI-Ⅱ型多通道声发射仪，该系统可实现最大的采样频率为40MHz，可连续采集和记录声发射事件的能量、幅值、AE事件数等20多个特征参数并进行分析。

上述两套系统在各自领域均属于较为先进的测试仪器，测试结果均有较高的精度，但将二者组合用于地应力测量却存在明显的缺陷，即加载系统和声发射事件采集系统难以同步，加载系统和声发射采集系统各自独立发挥作用。以往采用声发射测地应力试验中，都是按下加载系统开始键的同时按下声发射采集系统的开始键，这样操作很难实现真正加载系统与声发射采集系统的同步性，所测的Kaiser效应点与实际的Kaiser效应点存在理论上的不确定性，这也是影响AE法测地应力精度的一个重要因素。为了克服上述缺陷减小测试误差，将上述两套系统进行改进，在MTS815加载系统中将荷载与位移信号作为声发射采集系统的外部参数通过引线接入PCI-Ⅱ型声发射采集系统，通过上述改进，完全实现了两套系统在工作时间上的同步性，确保测试的Kaiser效应点与实际的Kaiser效应点一致性。改进后的实验系统见图2。

图2 改进后的试验系统

2.3 Kaiser效应点的识别

根据以往的研究表明，在声发射测地应力试验中，对Kaiser效应点的正确判断非常困难，在岩石试样的加载过程中，由于干扰的声发射信号较多，很难从众多的干扰信号中准确将Kaiser效应点所对应的荷载值找出。这是由于在试样加载过程中，试样内部裂纹闭合、扩张均会产生声发射信号。岩石在加载过程中，释放的声发射信号可划分为三大类：第一类为岩石内原有的裂隙在荷载作用下闭合产生的摩擦型AE信号；第二类为荷载作用下裂纹扩张和新裂纹产生释放的破裂型AE型号；第三类为当加载荷载超过历史最低应力水平时释放的记忆性AE信号。上述三种信号具有各自的特点，在加载的初始阶段一般以第一类AE信号为主，随着加载荷载的增大，第二类AE信号逐渐成为主导，而要识别的第三类AE信号则一般在弹性段出现，此时岩石还未进入新裂纹产生和破裂阶段，第一类AE信号和第三类AE信号混合在一起，很难对其进行分辨。

为了精确识别第三类AE信号，从而准确确定岩石的Kaiser效应点，提高声发射测地应力的精度，采用分级循环加载方式，即对加工好的单个岩石试样进行五次循环加载，五次循环加载的最大应力值依次为20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa。

图3为典型岩样的分级循环加载声发射信号幅值-时间-应力曲线，结合图3说明Kaiser效应点的精确确定方法。

图3 典型岩样分级循环加载声发射幅值-时间-应力曲线

可以看出，在第一级加载的初期，便出现了大量的声发射信号，直到第一级循环加载应力峰值20MPa，依然有大量声发射散点产生，此时的曲线形态为下凹，说明这一阶段试样属于压密阶段，产生的声发射信号大多属于第一类AE信号，通常第三类记忆性AE信号也混杂其中，缓慢卸载应力，此时试样内几乎没有声发射信号产生；在第二级循环加载时，声发射信号便出现了极强的规律性，当应力未达到第一级加载应力峰值20MPa之前，只有少量的声发射信号产生，当加载应力超过20MPa时，声发射信号便大量增加。通过分析发现，在加载应力20MPa之前，如图3中虚线箭头所示，出现了3个声发射信号点，分别对应的加载应力为4MPa、8.2MPa和10.5MPa，而在后续的循环加载中，这3个信号点均有出现。由此可判断，4MPa、8.2MPa、和10.5MPa为第三类记忆性AE信号点。说明在此之前，岩样经历了3次较大的构造运动，而最近的一次承受的最大应力为10.5MPa。由此可得出，10.5MPa即为我们需要的Kaiser效应点。

从分级循环加载声发射幅值—时间—应力曲线中还可以看出，第一级加载最大应力20 MPa在第三级加载、第四级加载和第五级加载中均出现了记忆性声发射信号点；而第二级加载最大应力30MPa同样在第四级加载和第五级加载中出现了记忆性声发射信号点，这也进一步说明了岩石的Kaiser效应。

上述分析可得，在分级循环加载过程中，真实的地应力Kaiser效应点往往混杂在第一级加载过程中的声发射信号点中，难以辨识；但通过分级加载，真实的地应力Kaiser效应点可在第二级加载中准确辨识；真实的地应力Kaiser效应点出现在第二级加载应力峰值之前的零星声发射信号点中。