声发射法在石膏矿原岩应力测试的应用

摘要： 通过对邢隆石膏矿现场工程地质调查研究，运用工程地质力学方法确定了地应力方位。结合现场实际，在不同位置灵活设置测点，利用岩石声发射凯塞效应，采用超声波检测方法，测试地应力，测试技术比较简单、检测数据比较可靠。

Abstract： The stress range is determined by using the engineering geological mechanics method on the basis of engineering geological investigation and study in the Xinglong gypsum mine site. Combining the condition of different locations， measure In-situ stress by using Kaiser effect of rock acoustic emission and ultrasonic detection， The test technique is simpler， the testing data is reliable.

关键词： 地应力测试；凯塞效应；声发射

Key words： field stress measurement；Kaiser effect；acoustic emission

中图分类号：TD311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）02-0289-03

0 引言

邢隆石膏矿是年产30万吨的大型非金属矿。7号膏二分层作业时，于2003年11月10日，发生了大面积的顶板冒落，造成了重大事故。2005年8月25日，在进行开采作业时，又发生了四次瓦斯动力现象。该矿准备进行-530ｍ开采水平巷道延深工程，估计当进行-530ｍ水平开采时，矿井瓦斯涌出量将会明显增加，有可能会发生更大规模的瓦斯突出事故。并且随着开采不断进行，当进入到深部时，开采地压显现会更加严重。为确保安全生产，同时为-530ｍ水平的开拓和开采设计提供科学依据，需确定矿井原岩的应力状态。在此基础上通过研究矿区地应力场，充分掌握矿区围岩的应力状态、分布规律。从而在设计时对矿山巷道、采场进行合理的布置，并确定适当的采矿方法，进而预防矿山灾害事故的发生。

1 矿区区域地质及主要构造

邢隆石膏矿位于太行山隆起东侧、内邱凹陷（宁晋——隆尧凸起西部）的北部边缘。区内多断裂，东部到F1断裂，边缘陡、有较厚沉积；西部边缘紧邻京广铁路，受到石家庄～邯郸断裂控制（FSH），为一东陡西缓、形似箕状的断陷盆地，面积约100平方公里。北部沿石家庄——邯郸断裂与赵县凹陷相连，南部沿小马往东与巨鹿凹陷相通。

通过进行钻孔和地质勘探发现，内邱凹陷受F1、F2两条深大断裂控制，盆地沉积中心在矿区以南的河渠和东良。盆地内下第三系地层主要向南南西倾斜，在F5断层以西局部向北东倾斜。对内邱凹陷的形成、发育起控制作用的主要断裂有三条：

①F1正断层。F1正断层位于矿区东部边缘。走向340°，倾向250°，倾角70～75°。两盆地落差大于900米，属第三系前基底断裂，对石膏矿层影响较大。

②F2正断层。F2正断层位于矿区南部边缘，走向280°，倾向190°，倾角70°。它使盆地沉降幅度向南增大，且在邻近断裂南缘部位形成了河渠、东良两个沉积中心。

③FSH（石家庄—邯郸断裂）。位于盆地西缘，在本区走向北东，倾向东，构成太行山隆起与华北沉降带的分界线。其东侧形成一系列新生代凹陷盆地，内邱凹陷即为其中之一。

2 矿岩物理力学性质

2.1 工程地质条件 矿层及其顶底板多为泥类岩层，强度和稳固性较差。泥岩强度低，遇水后很快崩解、泥化，表现为粘性土的特征，在压力作用下容易产生滑动和涌砂现象，工程地质条件相对较复杂。通过对石膏矿石进行采样试验，抗压强度平均为23.3MPa，接近半坚固岩石。矿石遇水后强度变化不大，强度相对较高。

2.2 水文地质条件 区域内有多个含水层，矿区水文地质类型以空隙裂隙水为主，顶板间接进水，水文地质条件中等。主要含水层为下部中更新统和下更新统冰碛、冰碛中细砂、中粗砂层。矿层顶板以上有30m左右的泥岩类隔水层。矿层底板有3层较厚的砂岩，距主矿层一般为20m左右，最小距离8m，为弱含水层，富水性较弱。但该层地下水的水头较高，对矿层底板的压力可达3MPa以上。当底板较薄或有断裂相通时，可能造成突水。

3 矿山地应力测试研究及数值模拟

3.1 岩体应力的超声波检测 原岩应力测试的方法很多。主要有：扁千斤顶法、水压致裂法、孔径应变解除法、声发射法。根据本矿井实际情况，采用超声波检测方法。该方法具有测试技术比较简单、检测数据比较可靠，并可充分利用矿井内现有坑道，可在不同位置灵活布置测点，降低工程费用的优点。

声发射法：当岩石受载发生变形后，内部产生微裂隙扩张断裂，发射出声波，解除原岩所受负载。在实验室重新对原岩加载时，当载荷未达到原来所承受载荷时，岩石声发射信号很少或基本没有，当载荷达到先前承受应力水平后，声发射信号剧增。通过岩石材料对所承受过应力水平的记忆效应（岩石声发射凯塞效应），测定岩石原岩应力。

3.1.1 岩体力学属性 天然岩体是一种复杂的地质结构体，是具有弹塑性的各向异性体。选择测站位置时，将测站设在整体性好（无明显地质结构面），质地均匀致密、无宏观缺陷的岩体内，可将其视为均质各向同性体。进行应力检测时，人为发射的超声波能量有限，作用时间较短，对岩体的扰动极小，被检测岩体可近似于弹性体。

3.1.2 声波测站布置 综合考虑矿井地质构造特点并结合生产实际情况，在一水平和二水平的生产坑道内分别设置3个声波检测站（见图1）。

3.1.3 声波检测孔布置 本次检测采用跨孔透射波法。由于井下空间有限，测站处生产任务繁忙，为保证测试精度、方便后期处理数据，降低施工费用。根据采用的检测方法，在选定的坑道（洞室）底板上，划定Φ=1.20ｍ的布孔圆，接着在该圆周上均匀布置5个铅垂钻孔，由该5个钻孔构成5个纵向剖面，分别在这5个纵向剖面上进行岩体声波检测（如图2所示）。

3.2 坑道扰动应力范围 本次地应力检测使用：ＳＹＣ-2型岩石声波参数测定仪，为一孔发射，双孔接收方式，对岩体进行水平、扇形和对角形测量。因为检测的是原岩的声波参数值，检测前应先确定坑道（洞室）的扰动应力区。扰动应力区确定方法为：沿测站5个纵向剖面方向自上而下分别作水平声波检测，得到孔深（h）与声波速度（VP）变化关系曲线（见图3）。在坑道围岩体内，VP随h的变化而变化，当h达到一定深度，随着h的增加，VP开始稳定，此时可以认为岩体不再受洞室扰动应力影响。由图3可知3测站扰动应力区分别为：（a）h=11.0ｍ，（b）h=7.0ｍ，（c）h=7.3ｍ。（声波参数检测系在扰动应力区以外的原岩体内进行）

3．3 岩体声波椭球方程的模拟分析

3.3.1 坐标系建立 测站内，若测试段的原岩体长度为ｌ，假定将该段直径Φ=1.20ｍ的岩柱从岩体内取出，以岩柱的几何形心为原点，按右手螺旋法则建立坐标系OXYZ如图4所示。对岩柱作均质各向同性假设，对岩柱的5个纵向剖面1-3，1-4，2-4，2-5和3-5上所检测到的岩体声波矢量进行平移，使其通过坐标原点；并以坐标原点O作为声波矢量的对称中心。实测的波速矢量VPK=（Ｋ=1，2，3，…，ｎ）将分布于坐标系的八个象限。再将VPK的起点移至坐标原点O，由VPK的矢端在三维空间中所构成的曲面即为岩体声波椭球面。

3.3.2 多元非线性声波椭球模拟的数学模型 三维坐标OXYZ中，设某一椭球面方程为：

a1x2+a2y2+a3z2+a4xy+a5yz+a6zx=1

式中：a1、a2、a3、a4、a5、a6为待定系数。

令函数

w=f（x，y，z）=[x2，y2，z2，xy，yz，zx]{a}

{ａ}=[ａ1，ａ2，ａ3，ａ4，ａ5，ａ6]T，为椭球方程的待定系数矩阵。若测点测得波速矢量Ｖk（Ｋ=1，2，…，ｎ），有

xk=Vkcosαk，yk=Vkcosβk，Zk=VkcosγＫ

其中：αＫ，βＫ，γＫ为波速矢量与三坐标轴的夹角。

4 原岩应力状态分析

岩体应力状态与声波状态具有一致性，即sij=f（Vp）

由于岩体材料结构及力学性质多变，节理裂隙性变化较大，差异性较大，岩体σij-ＶP之间不存在确定的关系式。必须依据测点岩体的实际情况，通过进行室内岩石声波及应力关系试验，建立起二者之间的关系曲线。

4.1 岩石声波与应力关系试验 测站的声波检测结束后，在测站中心处打钻，对被检测段岩柱进行岩芯取样（Φ=80ｍｍ），将取样岩芯加工成50×50×100ｍｍ3的棱柱体试件，在YE-200Ａ型液压式压力试验机和围压加载系统（图5所示）下进行真三轴压力状态下的声波与应力关系试验。加载系统三个方向的应力都可独立变化，最大主应力σ1方向载荷由压力机提供；σ2和σ3方向载荷由水平围压加载系统供给。在试件的六个面上安设三对承压式P波换能器（频率为200kHz），换能器与试件间用黄油作耦合剂。采用分级准静态加载（每一级加载速率控制范围：0.49～0.98ＭPa/ｓ）。加载过程：①三个主应力方向同时加载至检测到的最小波速值VP3所对应的应力σ3；②保持σ3不变，在σ1，σ2方向继续加载，直至达到VP2所对应的应力σ2；③使σ2，σ3方向载荷不变，在σ1方向继续加载，直至试件发生宏观断裂。

根据上述试验步骤和方法，将测站的试验结果进行拟合得σｉｊ（σ1，σ2，σ3）—VＰ（VＰ1，VＰ2，VＰ3）关系曲线见图6。

4.2 原岩主应力值及其方向 根据岩石试件的σ-VP试验结果。于表1中列出测站岩体应力主矢及其方向。

5 结论

①岩体最大主应力为水平应力，垂直岩层走向，方向为N76.0°E；中间主应力为岩体自重应力，方向为N21.5°W；最小主应力为水平应力，方向为S14.0°E。②根据声发射凯塞效应应力测试结果，三个方向主应力值为74.14MPa，35.49MPa，21.43MPa。③测试结果与理论及多数测试结果一致，即竖直方向应力主要为岩体自重应力。④通过测试，基本上掌握了该矿的地应力情况，为该矿进一步开采，预防灾害事故发生提供了依据。

参考文献：

[1]蒋金泉.采场围岩应力与运动.煤炭工业出版社，1993.

[2]张世雄主编.固体矿物资源开发工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2005.

[3]国家地震局地壳应力研究所编译.地应力测量理论研究与应用.北京：地质出版社，1978.