基于声发射法的地应力研究

刘畅 ，赵亮 ，吕冠颖 ，胡鹏

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

0 引言

地应力是指地壳中的岩体在天然状态下所具有的内在应力，主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力等耦合而成。地应力是引起采矿等各种地下岩土工程变形和破坏的根本作用力。准确地测量地应力分布规律对地下矿山开采设计、围岩稳定性分析、安全高效开采具有十分重要的意义[1−5]。声发射法相比较其它地应力测试方法，如水压致裂法、套孔应力解除法、声发射法、应力恢复法和应变恢复法等，具有测量深度大、准确性高等特点[6−12]。

国内外学者对声发射法等地应力的测量方法做了大量研究。付小敏等[1]在近20年的试验研究基础上总结了一种新声发射测量地应力的数据处理方法，并用于工程实践获得了满意的结果。李啸等[2]通过自主研发的二次取芯技术，基于声发射原理对深部地应力分布规律进行了测量。李庶林等[3]对岩石峰值强度前声发射前兆特性进行研究，提出Felicity比和加卸载响应比等可作为预测或判断岩石失稳破坏的参考依据。

本文在已有的研究基础上，利用声发射法对某矿山深部埋深为950m、1050m和1150m水平的地应力进行测量，获得了地应力分布规律，为矿山围岩稳定性分析和计算、支护设计、采矿工程设计和深部安全回采工作提供了参考依据。

1 声发射法测量地应力的原理

大量实验表明岩体具有明显的凯瑟效应，凯瑟效应是指岩体所受外部应力从历史最高水平释放后再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，当应力达到或超过历史最高水平后，则产生大量声发射。本次地应力的测量应用声发射的凯瑟效应原理，从不同水平的测点中钻取岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，根据试验结果找到凯瑟效应点，计算出凯瑟效应值，然后利用弹性力学理论，计算求出取样点的原始三维应力状态。

2 试验设计

2.1 岩石取样及加工

此次试验为了全面掌握深部地应力分布规律，在现场直接进行取样。考虑到不同岩体完整性的差异性及钻机对现场条件的要求，选取埋深为950m、1050m和1150m水平的适宜位置作为钻孔取芯点位。然后分别向沿矿体走向方向为0°取芯、垂直矿体走向方向为90°取芯、与沿矿体走向方向成45°取芯，矿体铅垂方向取芯。取芯直径为50mm，钻孔孔深约10m～30m，每个方向取20块岩芯。并对钻取的试样进行加工，制备成Φ50mm×100mm的圆柱岩芯试件。对完整性良好的试样进行分组编号，见图1。

2.2 试验方案

试验所用设备为国产YNS-Y600电液伺服压力试验机，试验过程采用位移控制加载，单轴压缩和循环加卸载混合的方式进行加卸载，加载速率为3mm/min。声发射系统为MICRO-Ⅱ-32声发射系统，采用撞击数、事件定位数以及其他相关参数记录试验过程中岩样的声发射特征，设置门槛值为45dB。

在完整性较好的试件侧面粘贴传感器，设置声发射系统和压力机的参数，加载前在试件两端均涂抹黄油，减少端部效应对AE信号的干扰。同时打开声发射系统和试验机开始试验。

图1 典型岩石试样

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

以1150m不同方向的2个典型试样为例，汇总了荷载-时间、累计撞击数-时间和累计事件数-时间曲线并进行聚合分析，将撞击数和事件数-试件曲线两者共同急增开始点作为声发射的Kaiser效应特征点，见图2～图5。

图2 试样铅锤方向试验结果

图3 试样沿矿体走向方向0°试验结果

由图2～图5可知，加载初期荷载较小时，声发射现象很少，随逐步加载声发射信息逐渐明显，且Kaiser效应点随循环加卸载的进行出现不同等级的对应荷载值，对各级荷载值进行初步标记。

图4 试样与沿矿体走向成90°试验结果

图5 试样与沿矿体方向成45°试验结果

3.2 主应力计算及分析

由3个方向得到的凯瑟效应应力值计算出最大、最小主应力。基于弹性力学原理对主应力进行计算：

式中，σ0、σ45、σ90分别为实测正应力；σmax为最大水平主应力；σmin为最小水平主应力；θ为最大水平主应力方向，由经验公式得到垂直主应力σv，具体试验结果见表1。

利用线性回归法对计算最大主应力最小主应力、垂直主应力进行线性拟合，结果见图6。

由表1和图6可知，矿山深部地应力的变化情况和分布规律如下：

（1）试验测得的凯瑟效应点应力值均表现为0°方向应力值最小，45°方向应力次之，90°方向应力最大。最大水平主应力角度相差不大。最大水平主应力大于铅垂方向应力，测点附近区域的巷道和采场布置应着重考虑水平应力的影响。

（2）最大水平主应力σmax、最小水平主应力σmin、垂直主应力σv和自重应力σγ均表现为随着深度的增加而增大，基本呈线性增长趋势，凯瑟效应点垂直方向的均值与自重应力相差不大，符合地应力的分布规律。

（3）最大主应力均大于30 MPa，测点区域地应力为高应力状态；所测区域的侧压系数即最大水平主应力与垂直主应力比值为1.41～1.62，符合中国大陆区域地压的侧压力系数分布规律。

表1 声发射试验及计算结果

图6 地应力回归曲线

4 结论

（1）由于本次试验所测得的结果均小于抗压强度的70%，同时所测数据的一致性较好，大部分试样的Kaiser效应点都明晰可辨，证明了基于声发射地应力的测量方法是可行的。

（2）水平主应力、垂直主应力及自重应力均表现为随埋深增加而增大，总体趋势呈线性增长而变化。垂直主应力与自重应力值接近。测量及计算结果均符合地应力分布规律。

（3）根据声发射测量结果可知，矿山深部开采应主要考虑水平应力影响。矿山开采相关采场及采矿活动应注意沿矿体走向主应力的影响，且硐室及巷道的布置应尽量沿最大主应力方向。