聲發射法地應力測量在大柳行金礦的應用

張翼鳳

摘要：聲發射法測定地應力因測試工作量小、成本低而廣泛應用于礦山地應力測量中。大柳行金礦奄口礦區隨著開采深度不斷加深，地壓顯現明顯，測量原巖地應力，研究地應力場的分布規律可指導深井開采。通過對60個試件進行聲發射加載試驗，測得了5個不同深度測點巖體的主應力大小和最大水平主應力方向，最大水平主應力隨埋深的增加而增大，不同深度最大水平主應力的方位一致性較好;垂直主應力值約為自重應力值的2倍。測試結果可為礦山工程開采設計和施工提供必要的參考依據。

關鍵詞：地應力;聲發射法;Kaiser效應;主應力;定向取心

中圖分類號：TD32 文章編號：1001-1277（2020）08-0053-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20200809

引 言

地應力是指在漫長的地質年代，存在于地層中純自然形成的，沒有受到任何工程或人為擾動的初始應力，它是地殼應力的總稱。地質學家李四光早在20世紀20年代就提出：各種地質現象如斷層、褶曲等的根本成因是地應力作用的結果[1-2]。

地應力是引起采礦、土木建筑等各種地下巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力。研究地應力的分布規律，不僅可對工程地質災害進行有效了解和預防，還可直接指導工程地質和設計方案的選擇與確定，以確保工程在施工過程中和竣工后長期使用過程中安全可靠[1-3]。因此，地應力是地下工程結構設計中一個重要的技術參數。一些大型、采掘較深的地下礦山，為制定合理、安全的采掘方案，必須定量確定地應力[4-8]。山東黃金金創集團有限公司蓬萊市大柳行金礦（下稱“大柳行金礦”）奄口礦區開采深度為306～-1 000 m標高，地壓顯現明顯，測量原巖地應力，研究地應力場的分布規律對于深井開采具有指導意義。

1 地應力測量方法分類

經過半個多世紀的發展，世界范圍內的地應力測量方法已超過幾十種，測量儀器也達到200多種。面對諸多地應力測試方法，目前還沒有統一的標準來對測量方法進行分類。國際上根據地應力測試方式的不同，將測量方法劃分為5類，即地震法、構造法、變形法、電磁法和放射性法。此外，也有人依據測試原理的不同，將地應力測量方法分為應變恢復法、應力解除法、水壓致裂法、聲發射法、X射線法和重力法。而國內外大部分專家學者傾向于依據地應力測量基本原理的不同，將測量方法分為直接測量法和間接測量法兩大類，具體分類見圖1。

上述眾多測量方法中，較為常用的是聲發射法、水壓致裂法、應力解除法、應變恢復法及鉆孔崩落法等。

聲發射（Acoustic Emission，AE）法是利用巖石聲發射的Kaiser效應和抹錄不凈現象測量地應力的方法。采用聲發射法測量地應力的測試工作量小、經濟，因此對大柳行金礦奄口礦區采用聲發射法進行地應力測量。

2 礦區地質概況

大柳行金礦奄口礦區位于山東省煙臺市大柳行鎮奄口村至門樓村附近，距離蓬萊市東南約40 km。區域內出露地層為新太古界膠東巖群、古元古界粉子山群、新元古界蓬萊群、中生界白堊系及新生界第四系。區域內以斷裂構造發育為特征，以北北東向、北西向為主，次為近南北向、東西向及北東向斷裂構造，構成了區域基本構造格架。其中，北東向—北北東向斷裂構造是區域上金礦控礦構造，控制了區域大型、中型、小型金礦床（點）的分布。區域礦產較為豐富，有金、銀、石灰巖、建筑石材等，尤以金礦資源為主。區內大、中、小型金礦床多處，礦（化）星羅棋布，集中分布在村里集—大柳行一帶，除4處（變質熱液裂隙充填型）產在棲霞超單元，3處產在新元古界玲瓏超單元外，其余均產在燕山早期郭家嶺超單元斑狀中?；◢忛W長巖體中。

礦體受構造蝕變帶控制，主要產于構造蝕變帶中的黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖和黃鐵礦石英脈中，圍巖主要為二長花崗巖。礦體與構造蝕變帶內巖性、結構構造無明顯差異，前者中見有呈浸染狀、細脈狀、網脈狀產出的黃鐵礦等金屬硫化物，且金含量高，后者金屬硫化物含量及金含量較礦體低。礦體與二長花崗巖呈斷層接觸，接觸面比較清晰，有輕微的碎裂現象及極弱的絹英巖化和褐鐵礦化等。礦體為薄型礦體，無夾石。

3 聲發射法地應力測量

3.1 巖石取樣點

本次地應力測量的所有試樣均取自大柳行金礦奄口礦區568KZ-1301號鉆孔。根據地應力測量要求，既要較全面掌握地應力隨深度增加的變化分布規律，同時還要突出深部的地應力分布情況。

為此，按100 m間距布設取樣點，可在現場直接進行取樣，也可在巖心庫中按巖心所在深度進行取樣，每個點取樣長度5～6 m，單個樣品長度不小于200 mm，本次測量每個鉆孔取樣5組（100 m、200 m、300 m、400 m和500 m各1組）。

3.2 試件加工

地應力測量用巖樣在地表重新準確定位后，送至中南大學現代分析測試中心進行聲發射法標準試件加工。采用四方向制樣法，按一定工藝要求在室內加工聲發射試件，即在垂直方向上（與鉆孔巖心軸線平行的垂向）鉆取3個試件，其作用是由巖樣Kaiser點處的應力值確定垂向地應力。在水平方向上（與鉆孔巖心軸線垂直的水平面內）以45°間隔（正北向為0°）在3個角度分別各鉆取3個試件，其作用是由巖樣Kaiser點處的應力值確定最大水平主應力、最小水平主應力及水平主應力的方向。即需要在每一個深度水平上加工至少12個標準試件，這樣在6個深度水平上則要加工至少72個標準試件。

3.3 巖石聲發射試驗

巖石聲發射試驗在重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室完成，試件壓縮試驗采用島津AG-250伺服材料試驗機，聲發射系統采用PCI-2多通道聲發射系統。試驗加載方式采用位移控制加載，加載速率0.01 mm/min;聲發射系統設置門檻值45 dB。

試驗前應在二次取心后的試件中選取完整性較好的巖石試件，測量各試件的直徑和高度參數，并對不同深度的各組試件進行系統編號。試驗時采用黃油作為試件的耦合劑，在試件側面粘貼傳感器，設置聲發射系統參數并檢查傳感器能否正常工作。加載前，在試件端面均勻涂抹一層黃油，減少端部效應對AE信號的干擾，同時開啟試驗機和聲發射監測系統，開始聲發射測試試驗。

3.4 試件單向正應力確定

此次測試的試件取自大柳行金礦奄口礦區568KZ-1301號鉆孔，鉆孔位于-737 m標高處，而井口標高為215 m。因此，此次開展了地表以下1 050 m、1 150 m、1 250 m、1 350 m和1 450 m等5個不同深度的地應力測量工作。所有數據均在微機控制下自動采集和儲存。根據試驗數據，繪制每個試驗試件的時間-應力-聲發射計數關系曲線，從而確定每個試件的Kaiser效應特征點，并找出其對應的應力值。

以1 050 m為例，給出該深度試件在4個不同方向，即垂直方向取心（標記1-H），以南北向為0°取心（標記1-0），以東南向或西北向與正北方向夾角為45°取心（標記1-45），以東西向與正北方向為90°取心（標記1-90）的時間-應力-聲發射計數關系曲線分別見圖1～4。

4 試驗結果與討論

4.1 試驗結果

利用空間不同角度上巖心Kaiser效應點對應的應力值，計算出測點上2個水平主應力的大小和方向。上述聲發射試驗得出的5個不同深度巖體水平方向地應力的空間應力分量為σⅠ、σⅡ、σⅢ，經計算整理后，結果見表1。

4.2 結果分析

根據以上試驗過程及數據處理，經綜合分析得出地應力變化和分布規律如下：

1）鉆孔所在區域的地應力以水平構造應力為主，但越往深處，水平構造應力的主導作用有所減弱，垂直主應力的作用效果隨著深度的增加而加大。由于所測區域埋深較大，總體應力值偏大，當深度達地表以下1 450 m時，最大水平主應力值接近100 MPa。由此可以得出，礦井進入深部開采后，地應力將對礦井的生產系統帶來較大影響。

2）最大水平主應力隨埋深的增加而增大，不同深度最大水平主應力的方位一致性較好，均為北東東向，分布于NEE65.85°～NEE86.25°，其方向與礦區的總體地質構造特征吻合。

3）垂直方向主應力隨埋深的增加而增大，整體上大致呈線性增長趨勢，而1 350 m埋深處垂直主應力值明顯低于線性平均值，這可能與此處的地質構造有關。除1 050 m埋深以外，其余深度垂直方向的主應力均明顯大于自重應力，埋深達到1 450 m時，垂直主應力值約為自重應力值的2倍，這說明在礦區深部地質構造對地應力的影響十分明顯，在未來的開采活動中，必須加強對地質構造的勘探工作。

4）所測區域的最大水平主應力與垂直主應力比值（側壓系數）為1.25～2.35，這與中國大陸區域地壓的側壓力系數分布規律基本一致;礦區的水平應力存在明顯的方向性，區域內最大水平主應力與最小水平主應力在數值上相差較大，圍巖開挖后易產生剪切破壞，因此在做開采和安全設計時要考慮這種情況的影響。

5 結 論

1）基于聲發射Kaiser效應的巖體地應力測量可較為準確地測量并計算出測點地應力。現場實踐證明，該測量方法用于地應力的研究是可行的。

2）最大水平主應力隨埋深的增加而增大，不同深度最大水平主應力的方位一致性較好，均為北東東向，分布在NEE65.85°～NEE86.25°，其方向與礦區的總體地質構造特征吻合，垂直主應力值約為自重應力值的2倍。

3）與傳統的現場地應力測量方法相比，聲發射法測量環境良好，操作簡單，試驗成本低，速度快，可用于較多不同深度或位置的地應力測量，具有較廣闊的應用前景。該方法測得的地應力結果也可為礦區地下工程設計和施工提供科學的參考依據。

[參 考 文 獻]

[1] 蔡美峰.地應力測量原理與技術[M].北京：科學出版社，2000.

[2] 蔡美峰，劉衛東，李遠.玲瓏金礦深部地應力測量及礦區地應力場分布規律[J].巖石力學與工程學報，2010，29（2）：227-233.

[3] 豐成君，陳群策，吳滿路，等.四川省大涼山腹地當前地應力狀態分析[J].河南理工大學學報（自然科學版），2010，29（4）：468-474.

[4] 康紅普，林健，張曉.深部礦井地應力測量方法研究與應用[J].巖石力學與工程學報，2007，26（5）：929-933.

[5] 陳強，朱寶龍，胡厚田.巖石Kaiser效應測定地應力場的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（7）：1 370-1 375.

[6] 翟小潔，傅榮華，張兵.利用Kaiser效應測試地應力的實驗研究[J].四川地震，2008（1）：18-21.

[7] 彭康，李夕兵，彭述權，等.基于響應面法的海下框架式采場結構優化[J].中南大學學報（自然科學版），2011，42（8）：2 417-2 423.

[8] 彭康，李夕兵，彭述權，等.海底下框架式分層充填法開采中礦巖穩定性分析[J].中南大學學報（自然科學版），2011，42（11）：3 452-3 457.