声发射法地应力测量在大柳行金矿的应用

张翼凤

摘要：声发射法测定地应力因测试工作量小、成本低而广泛应用于矿山地应力测量中。大柳行金矿奄口矿区随着开采深度不断加深，地压显现明显，测量原岩地应力，研究地应力场的分布规律可指导深井开采。通过对60个试件进行声发射加载试验，测得了5个不同深度测点岩体的主应力大小和最大水平主应力方向，最大水平主应力随埋深的增加而增大，不同深度最大水平主应力的方位一致性较好;垂直主应力值约为自重应力值的2倍。测试结果可为矿山工程开采设计和施工提供必要的参考依据。

关键词：地应力;声发射法;Kaiser效应;主应力;定向取心

中图分类号：TD32 文章编号：1001-1277（2020）08-0053-04

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20200809

引 言

地应力是指在漫长的地质年代，存在于地层中纯自然形成的，没有受到任何工程或人为扰动的初始应力，它是地壳应力的总称。地质学家李四光早在20世纪20年代就提出：各种地质现象如断层、褶曲等的根本成因是地应力作用的结果[1-2]。

地应力是引起采矿、土木建筑等各种地下岩土开挖工程变形和破壞的根本作用力。研究地应力的分布规律，不仅可对工程地质灾害进行有效了解和预防，还可直接指导工程地质和设计方案的选择与确定，以确保工程在施工过程中和竣工后长期使用过程中安全可靠[1-3]。因此，地应力是地下工程结构设计中一个重要的技术参数。一些大型、采掘较深的地下矿山，为制定合理、安全的采掘方案，必须定量确定地应力[4-8]。山东黄金金创集团有限公司蓬莱市大柳行金矿（下称“大柳行金矿”）奄口矿区开采深度为306～-1 000 m标高，地压显现明显，测量原岩地应力，研究地应力场的分布规律对于深井开采具有指导意义。

1 地应力测量方法分类

经过半个多世纪的发展，世界范围内的地应力测量方法已超过几十种，测量仪器也达到200多种。面对诸多地应力测试方法，目前还没有统一的标准来对测量方法进行分类。国际上根据地应力测试方式的不同，将测量方法划分为5类，即地震法、构造法、变形法、电磁法和放射性法。此外，也有人依据测试原理的不同，将地应力测量方法分为应变恢复法、应力解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法和重力法。而国内外大部分专家学者倾向于依据地应力测量基本原理的不同，将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类，具体分类见图1。

上述众多测量方法中，较为常用的是声发射法、水压致裂法、应力解除法、应变恢复法及钻孔崩落法等。

声发射（Acoustic Emission，AE）法是利用岩石声发射的Kaiser效应和抹录不净现象测量地应力的方法。采用声发射法测量地应力的测试工作量小、经济，因此对大柳行金矿奄口矿区采用声发射法进行地应力测量。

2 矿区地质概况

大柳行金矿奄口矿区位于山东省烟台市大柳行镇奄口村至门楼村附近，距离蓬莱市东南约40 km。区域内出露地层为新太古界胶东岩群、古元古界粉子山群、新元古界蓬莱群、中生界白垩系及新生界第四系。区域内以断裂构造发育为特征，以北北东向、北西向为主，次为近南北向、东西向及北东向断裂构造，构成了区域基本构造格架。其中，北东向—北北东向断裂构造是区域上金矿控矿构造，控制了区域大型、中型、小型金矿床（点）的分布。区域矿产较为丰富，有金、银、石灰岩、建筑石材等，尤以金矿资源为主。区内大、中、小型金矿床多处，矿（化）星罗棋布，集中分布在村里集—大柳行一带，除4处（变质热液裂隙充填型）产在栖霞超单元，3处产在新元古界玲珑超单元外，其余均产在燕山早期郭家岭超单元斑状中粒花岗闪长岩体中。

矿体受构造蚀变带控制，主要产于构造蚀变带中的黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩和黄铁矿石英脉中，围岩主要为二长花岗岩。矿体与构造蚀变带内岩性、结构构造无明显差异，前者中见有呈浸染状、细脉状、网脉状产出的黄铁矿等金属硫化物，且金含量高，后者金属硫化物含量及金含量较矿体低。矿体与二长花岗岩呈断层接触，接触面比较清晰，有轻微的碎裂现象及极弱的绢英岩化和褐铁矿化等。矿体为薄型矿体，无夹石。

3 声发射法地应力测量

3.1 岩石取样点

本次地应力测量的所有试样均取自大柳行金矿奄口矿区568KZ-1301号钻孔。根据地应力测量要求，既要较全面掌握地应力随深度增加的变化分布规律，同时还要突出深部的地应力分布情况。

为此，按100 m间距布设取样点，可在现场直接进行取样，也可在岩心库中按岩心所在深度进行取样，每个点取样长度5～6 m，单个样品长度不小于200 mm，本次测量每个钻孔取样5组（100 m、200 m、300 m、400 m和500 m各1组）。

3.2 试件加工

地应力测量用岩样在地表重新准确定位后，送至中南大学现代分析测试中心进行声发射法标准试件加工。采用四方向制样法，按一定工艺要求在室内加工声发射试件，即在垂直方向上（与钻孔岩心轴线平行的垂向）钻取3个试件，其作用是由岩样Kaiser点处的应力值确定垂向地应力。在水平方向上（与钻孔岩心轴线垂直的水平面内）以45°间隔（正北向为0°）在3个角度分别各钻取3个试件，其作用是由岩样Kaiser点处的应力值确定最大水平主应力、最小水平主应力及水平主应力的方向。即需要在每一个深度水平上加工至少12个标准试件，这样在6个深度水平上则要加工至少72个标准试件。

3.3 岩石声发射试验

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实验室完成，试件压缩试验采用岛津AG-250伺服材料试验机，声发射系统采用PCI-2多通道声发射系统。试验加载方式采用位移控制加载，加载速率0.01 mm/min;声发射系统设置门槛值45 dB。

试验前应在二次取心后的试件中选取完整性较好的岩石试件，测量各试件的直径和高度参数，并对不同深度的各组试件进行系统编号。试验时采用黄油作为试件的耦合剂，在试件侧面粘贴传感器，设置声发射系统参数并检查传感器能否正常工作。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，同时开启试验机和声发射监测系统，开始声发射测试试验。

3.4 试件单向正应力确定

此次测试的试件取自大柳行金矿奄口矿区568KZ-1301号钻孔，钻孔位于-737 m标高处，而井口标高为215 m。因此，此次开展了地表以下1 050 m、1 150 m、1 250 m、1 350 m和1 450 m等5个不同深度的地应力测量工作。所有数据均在微机控制下自动采集和储存。根据试验数据，绘制每个试验试件的时间-应力-声发射计数关系曲线，从而确定每个试件的Kaiser效应特征点，并找出其对应的应力值。

以1 050 m为例，给出该深度试件在4个不同方向，即垂直方向取心（标记1-H），以南北向为0°取心（标记1-0），以东南向或西北向与正北方向夹角为45°取心（标记1-45），以东西向与正北方向为90°取心（标记1-90）的时间-应力-声发射计数关系曲线分别见图1～4。

4 试验结果与讨论

4.1 试验结果

利用空间不同角度上岩心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。上述声发射试验得出的5个不同深度岩体水平方向地应力的空间应力分量为σⅠ、σⅡ、σⅢ，经计算整理后，结果见表1。

4.2 结果分析

根据以上试验过程及数据处理，经综合分析得出地应力变化和分布规律如下：

1）钻孔所在区域的地应力以水平构造应力为主，但越往深处，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的增加而加大。由于所测区域埋深较大，总体应力值偏大，当深度达地表以下1 450 m时，最大水平主应力值接近100 MPa。由此可以得出，矿井进入深部开采后，地应力将对矿井的生产系统带来较大影响。

2）最大水平主应力随埋深的增加而增大，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NEE65.85°～NEE86.25°，其方向与矿区的总体地质构造特征吻合。

3）垂直方向主应力随埋深的增加而增大，整体上大致呈线性增长趋势，而1 350 m埋深处垂直主应力值明显低于线性平均值，这可能与此处的地质构造有关。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，垂直主应力值约为自重应力值的2倍，这说明在矿区深部地质构造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。

4）所测区域的最大水平主应力与垂直主应力比值（侧压系数）为1.25～2.35，这与中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破坏，因此在做开采和安全设计时要考虑这种情况的影响。

5 结 论

1）基于声发射Kaiser效应的岩体地应力测量可较为准确地测量并计算出测点地应力。现场实践证明，该测量方法用于地应力的研究是可行的。

2）最大水平主应力随埋深的增加而增大，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，分布在NEE65.85°～NEE86.25°，其方向与矿区的总体地质构造特征吻合，垂直主应力值约为自重应力值的2倍。

3）与传统的现场地应力测量方法相比，声发射法测量环境良好，操作简单，试验成本低，速度快，可用于较多不同深度或位置的地应力测量，具有较广阔的应用前景。该方法测得的地应力结果也可为矿区地下工程设计和施工提供科学的参考依据。

[参 考 文 献]

[1] 蔡美峰.地应力测量原理与技术[M].北京：科学出版社，2000.

[2] 蔡美峰，刘卫东，李远.玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应力场分布规律[J].岩石力学与工程学报，2010，29（2）：227-233.

[3] 丰成君，陈群策，吴满路，等.四川省大凉山腹地当前地应力状态分析[J].河南理工大学学报（自然科学版），2010，29（4）：468-474.

[4] 康红普，林健，张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用[J].岩石力学与工程學报，2007，26（5）：929-933.

[5] 陈强，朱宝龙，胡厚田.岩石Kaiser效应测定地应力场的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（7）：1 370-1 375.

[6] 翟小洁，傅荣华，张兵.利用Kaiser效应测试地应力的实验研究[J].四川地震，2008（1）：18-21.

[7] 彭康，李夕兵，彭述权，等.基于响应面法的海下框架式采场结构优化[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（8）：2 417-2 423.

[8] 彭康，李夕兵，彭述权，等.海底下框架式分层充填法开采中矿岩稳定性分析[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（11）：3 452-3 457.