張翼鳳

摘要：聲發(fā)射法測(cè)定地應(yīng)力因測(cè)試工作量小、成本低而廣泛應(yīng)用于礦山地應(yīng)力測(cè)量中。大柳行金礦奄口礦區(qū)隨著開(kāi)采深度不斷加深，地壓顯現(xiàn)明顯，測(cè)量原巖地應(yīng)力，研究地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律可指導(dǎo)深井開(kāi)采。通過(guò)對(duì)60個(gè)試件進(jìn)行聲發(fā)射加載試驗(yàn)，測(cè)得了5個(gè)不同深度測(cè)點(diǎn)巖體的主應(yīng)力大小和最大水平主應(yīng)力方向，最大水平主應(yīng)力隨埋深的增加而增大，不同深度最大水平主應(yīng)力的方位一致性較好;垂直主應(yīng)力值約為自重應(yīng)力值的2倍。測(cè)試結(jié)果可為礦山工程開(kāi)采設(shè)計(jì)和施工提供必要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力;聲發(fā)射法;Kaiser效應(yīng);主應(yīng)力;定向取心

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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20200809

引 言

地應(yīng)力是指在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，存在于地層中純自然形成的，沒(méi)有受到任何工程或人為擾動(dòng)的初始應(yīng)力，它是地殼應(yīng)力的總稱(chēng)。地質(zhì)學(xué)家李四光早在20世紀(jì)20年代就提出：各種地質(zhì)現(xiàn)象如斷層、褶曲等的根本成因是地應(yīng)力作用的結(jié)果[1-2]。

地應(yīng)力是引起采礦、土木建筑等各種地下巖土開(kāi)挖工程變形和破壞的根本作用力。研究地應(yīng)力的分布規(guī)律，不僅可對(duì)工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效了解和預(yù)防，還可直接指導(dǎo)工程地質(zhì)和設(shè)計(jì)方案的選擇與確定，以確保工程在施工過(guò)程中和竣工后長(zhǎng)期使用過(guò)程中安全可靠[1-3]。因此，地應(yīng)力是地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)。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(yīng)力[4-8]。山東黃金金創(chuàng)集團(tuán)有限公司蓬萊市大柳行金礦（下稱(chēng)“大柳行金礦”）奄口礦區(qū)開(kāi)采深度為306～-1 000 m標(biāo)高，地壓顯現(xiàn)明顯，測(cè)量原巖地應(yīng)力，研究地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律對(duì)于深井開(kāi)采具有指導(dǎo)意義。

1 地應(yīng)力測(cè)量方法分類(lèi)

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的地應(yīng)力測(cè)量方法已超過(guò)幾十種，測(cè)量?jī)x器也達(dá)到200多種。面對(duì)諸多地應(yīng)力測(cè)試方法，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行分類(lèi)。國(guó)際上根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試方式的不同，將測(cè)量方法劃分為5類(lèi)，即地震法、構(gòu)造法、變形法、電磁法和放射性法。此外，也有人依據(jù)測(cè)試原理的不同，將地應(yīng)力測(cè)量方法分為應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法和重力法。而國(guó)內(nèi)外大部分專(zhuān)家學(xué)者傾向于依據(jù)地應(yīng)力測(cè)量基本原理的不同，將測(cè)量方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩大類(lèi)，具體分類(lèi)見(jiàn)圖1。

上述眾多測(cè)量方法中，較為常用的是聲發(fā)射法、水壓致裂法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法及鉆孔崩落法等。

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）法是利用巖石聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)和抹錄不凈現(xiàn)象測(cè)量地應(yīng)力的方法。采用聲發(fā)射法測(cè)量地應(yīng)力的測(cè)試工作量小、經(jīng)濟(jì)，因此對(duì)大柳行金礦奄口礦區(qū)采用聲發(fā)射法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

大柳行金礦奄口礦區(qū)位于山東省煙臺(tái)市大柳行鎮(zhèn)奄口村至門(mén)樓村附近，距離蓬萊市東南約40 km。區(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)以斷裂構(gòu)造發(fā)育為特征，以北北東向、北西向?yàn)橹?，次為近南北向、東西向及北東向斷裂構(gòu)造，構(gòu)成了區(qū)域基本構(gòu)造格架。其中，北東向—北北東向斷裂構(gòu)造是區(qū)域上金礦控礦構(gòu)造，控制了區(qū)域大型、中型、小型金礦床（點(diǎn)）的分布。區(qū)域礦產(chǎn)較為豐富，有金、銀、石灰?guī)r、建筑石材等，尤以金礦資源為主。區(qū)內(nèi)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(zhì)熱液裂隙充填型）產(chǎn)在棲霞超單元，3處產(chǎn)在新元古界玲瓏超單元外，其余均產(chǎn)在燕山早期郭家?guī)X超單元斑狀中粒花崗閃長(zhǎng)巖體中。

礦體受構(gòu)造蝕變帶控制，主要產(chǎn)于構(gòu)造蝕變帶中的黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖和黃鐵礦石英脈中，圍巖主要為二長(zhǎng)花崗巖。礦體與構(gòu)造蝕變帶內(nèi)巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造無(wú)明顯差異，前者中見(jiàn)有呈浸染狀、細(xì)脈狀、網(wǎng)脈狀產(chǎn)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(zhǎng)花崗巖呈斷層接觸，接觸面比較清晰，有輕微的碎裂現(xiàn)象及極弱的絹英巖化和褐鐵礦化等。礦體為薄型礦體，無(wú)夾石。

3 聲發(fā)射法地應(yīng)力測(cè)量

3.1 巖石取樣點(diǎn)

本次地應(yīng)力測(cè)量的所有試樣均取自大柳行金礦奄口礦區(qū)568KZ-1301號(hào)鉆孔。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量要求，既要較全面掌握地應(yīng)力隨深度增加的變化分布規(guī)律，同時(shí)還要突出深部的地應(yīng)力分布情況。

為此，按100 m間距布設(shè)取樣點(diǎn)，可在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行取樣，也可在巖心庫(kù)中按巖心所在深度進(jìn)行取樣，每個(gè)點(diǎn)取樣長(zhǎng)度5～6 m，單個(gè)樣品長(zhǎng)度不小于200 mm，本次測(cè)量每個(gè)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(yīng)力測(cè)量用巖樣在地表重新準(zhǔn)確定位后，送至中南大學(xué)現(xiàn)代分析測(cè)試中心進(jìn)行聲發(fā)射法標(biāo)準(zhǔn)試件加工。采用四方向制樣法，按一定工藝要求在室內(nèi)加工聲發(fā)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(gè)試件，其作用是由巖樣Kaiser點(diǎn)處的應(yīng)力值確定垂向地應(yīng)力。在水平方向上（與鉆孔巖心軸線垂直的水平面內(nèi)）以45°間隔（正北向?yàn)?°）在3個(gè)角度分別各鉆取3個(gè)試件，其作用是由巖樣Kaiser點(diǎn)處的應(yīng)力值確定最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力及水平主應(yīng)力的方向。即需要在每一個(gè)深度水平上加工至少12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，這樣在6個(gè)深度水平上則要加工至少72個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件。

3.3 巖石聲發(fā)射試驗(yàn)

巖石聲發(fā)射試驗(yàn)在重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，試件壓縮試驗(yàn)采用島津AG-250伺服材料試驗(yàn)機(jī)，聲發(fā)射系統(tǒng)采用PCI-2多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。試驗(yàn)加載方式采用位移控制加載，加載速率0.01 mm/min;聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)置門(mén)檻值45 dB。

試驗(yàn)前應(yīng)在二次取心后的試件中選取完整性較好的巖石試件，測(cè)量各試件的直徑和高度參數(shù)，并對(duì)不同深度的各組試件進(jìn)行系統(tǒng)編號(hào)。試驗(yàn)時(shí)采用黃油作為試件的耦合劑，在試件側(cè)面粘貼傳感器，設(shè)置聲發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)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(yīng)對(duì)AE信號(hào)的干擾，同時(shí)開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)始聲發(fā)射測(cè)試試驗(yàn)。

3.4 試件單向正應(yīng)力確定

此次測(cè)試的試件取自大柳行金礦奄口礦區(qū)568KZ-1301號(hào)鉆孔，鉆孔位于-737 m標(biāo)高處，而井口標(biāo)高為215 m。因此，此次開(kāi)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(gè)不同深度的地應(yīng)力測(cè)量工作。所有數(shù)據(jù)均在微機(jī)控制下自動(dòng)采集和儲(chǔ)存。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制每個(gè)試驗(yàn)試件的時(shí)間-應(yīng)力-聲發(fā)射計(jì)數(shù)關(guān)系曲線，從而確定每個(gè)試件的Kaiser效應(yīng)特征點(diǎn)，并找出其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

以1 050 m為例，給出該深度試件在4個(gè)不同方向，即垂直方向取心（標(biāo)記1-H），以南北向?yàn)?°取心（標(biāo)記1-0），以東南向或西北向與正北方向夾角為45°取心（標(biāo)記1-45），以東西向與正北方向?yàn)?0°取心（標(biāo)記1-90）的時(shí)間-應(yīng)力-聲發(fā)射計(jì)數(shù)關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖1～4。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

利用空間不同角度上巖心Kaiser效應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)上2個(gè)水平主應(yīng)力的大小和方向。上述聲發(fā)射試驗(yàn)得出的5個(gè)不同深度巖體水平方向地應(yīng)力的空間應(yīng)力分量為σⅠ、σⅡ、σⅢ，經(jīng)計(jì)算整理后，結(jié)果見(jiàn)表1。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理，經(jīng)綜合分析得出地應(yīng)力變化和分布規(guī)律如下：

1）鉆孔所在區(qū)域的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，但越往深處，水平構(gòu)造應(yīng)力的主導(dǎo)作用有所減弱，垂直主應(yīng)力的作用效果隨著深度的增加而加大。由于所測(cè)區(qū)域埋深較大，總體應(yīng)力值偏大，當(dāng)深度達(dá)地表以下1 450 m時(shí)，最大水平主應(yīng)力值接近100 MPa。由此可以得出，礦井進(jìn)入深部開(kāi)采后，地應(yīng)力將對(duì)礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)帶來(lái)較大影響。

2）最大水平主應(yīng)力隨埋深的增加而增大，不同深度最大水平主應(yīng)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(qū)的總體地質(zhì)構(gòu)造特征吻合。

3）垂直方向主應(yīng)力隨埋深的增加而增大，整體上大致呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而1 350 m埋深處垂直主應(yīng)力值明顯低于線性平均值，這可能與此處的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。除1 050 m埋深以外，其余深度垂直方向的主應(yīng)力均明顯大于自重應(yīng)力，埋深達(dá)到1 450 m時(shí)，垂直主應(yīng)力值約為自重應(yīng)力值的2倍，這說(shuō)明在礦區(qū)深部地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響十分明顯，在未來(lái)的開(kāi)采活動(dòng)中，必須加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的勘探工作。

4）所測(cè)區(qū)域的最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值（側(cè)壓系數(shù)）為1.25～2.35，這與中國(guó)大陸區(qū)域地壓的側(cè)壓力系數(shù)分布規(guī)律基本一致;礦區(qū)的水平應(yīng)力存在明顯的方向性，區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力在數(shù)值上相差較大，圍巖開(kāi)挖后易產(chǎn)生剪切破壞，因此在做開(kāi)采和安全設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這種情況的影響。

5 結(jié) 論

1）基于聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的巖體地應(yīng)力測(cè)量可較為準(zhǔn)確地測(cè)量并計(jì)算出測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該測(cè)量方法用于地應(yīng)力的研究是可行的。

2）最大水平主應(yīng)力隨埋深的增加而增大，不同深度最大水平主應(yīng)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(qū)的總體地質(zhì)構(gòu)造特征吻合，垂直主應(yīng)力值約為自重應(yīng)力值的2倍。

3）與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量方法相比，聲發(fā)射法測(cè)量環(huán)境良好，操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)成本低，速度快，可用于較多不同深度或位置的地應(yīng)力測(cè)量，具有較廣闊的應(yīng)用前景。該方法測(cè)得的地應(yīng)力結(jié)果也可為礦區(qū)地下工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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