聲發(fā)射法地應(yīng)力測量在大柳行金礦的應(yīng)用

張翼鳳

摘要：聲發(fā)射法測定地應(yīng)力因測試工作量小、成本低而廣泛應(yīng)用于礦山地應(yīng)力測量中。大柳行金礦奄口礦區(qū)隨著開采深度不斷加深，地壓顯現(xiàn)明顯，測量原巖地應(yīng)力，研究地應(yīng)力場的分布規(guī)律可指導(dǎo)深井開采。通過對60個試件進(jìn)行聲發(fā)射加載試驗，測得了5個不同深度測點巖體的主應(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。測試結(jié)果可為礦山工程開采設(shè)計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

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

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

引 言

地應(yīng)力是指在漫長的地質(zhì)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(yīng)力，它是地殼應(yīng)力的總稱。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(yīng)力是地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個重要的技術(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“大柳行金礦”）奄口礦區(qū)開采深度為306～-1 000 m標(biāo)高，地壓顯現(xiàn)明顯，測量原巖地應(yīng)力，研究地應(yīng)力場的分布規(guī)律對于深井開采具有指導(dǎo)意義。

1 地應(yīng)力測量方法分類

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的地應(yīng)力測量方法已超過幾十種，測量儀器也達(dá)到200多種。面對諸多地應(yīng)力測試方法，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來對測量方法進(jìn)行分類。國際上根據(jù)地應(yīng)力測試方式的不同，將測量方法劃分為5類，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)測試原理的不同，將地應(yīng)力測量方法分為應(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。而國內(nèi)外大部分專家學(xué)者傾向于依據(jù)地應(yīng)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(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)象測量地應(yīng)力的方法。采用聲發(fā)射法測量地應(yīng)力的測試工作量小、經(jīng)濟(jì)，因此對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)位于山東省煙臺市大柳行鎮(zhèn)奄口村至門樓村附近，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、北西向為主，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）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，圍巖主要為二長花崗巖。礦體與構(gòu)造蝕變帶內(nèi)巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造無明顯差異，前者中見有呈浸染狀、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，無夾石。

3 聲發(fā)射法地應(yīng)力測量

3.1 巖石取樣點

本次地應(yīng)力測量的所有試樣均取自大柳行金礦奄口礦區(qū)568KZ-1301號鉆孔。根據(jù)地應(yīng)力測量要求，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，可在現(xiàn)場直接進(jìn)行取樣，也可在巖心庫中按巖心所在深度進(jìn)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(yīng)力測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個試件，其作用是由巖樣Kaiser點處的應(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(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。即需要在每一個深度水平上加工至少12個標(biāo)準(zhǔn)試件，這樣在6個深度水平上則要加工至少72個標(biāo)準(zhǔn)試件。

3.3 巖石聲發(fā)射試驗

巖石聲發(fā)射試驗在重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)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(jī)，聲發(fā)射系統(tǒng)采用PCI-2多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。試驗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)置門檻值45 dB。

試驗前應(yīng)在二次取心后的試件中選取完整性較好的巖石試件，測量各試件的直徑和高度參數(shù)，并對不同深度的各組試件進(jìn)行系統(tǒng)編號。試驗時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AE信號的干擾，同時開啟試驗機(jī)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，開始聲發(fā)射測試試驗。

3.4 試件單向正應(yīng)力確定

此次測試的試件取自大柳行金礦奄口礦區(qū)568KZ-1301號鉆孔，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(yīng)力測量工作。所有數(shù)據(jù)均在微機(jī)控制下自動采集和儲存。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制每個試驗試件的時間-應(yīng)力-聲發(fā)射計數(shù)關(guān)系曲線，從而確定每個試件的Kaiser效應(yīng)特征點，并找出其對應(yīng)的應(yīng)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(biāo)記1-H），以南北向為0°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為90°取心（標(biāo)記1-90）的時間-應(yīng)力-聲發(fā)射計數(shù)關(guān)系曲線分別見圖1～4。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 試驗結(jié)果

利用空間不同角度上巖心Kaiser效應(yīng)點對應(yīng)的應(yīng)力值，計算出測點上2個水平主應(yīng)力的大小和方向。上述聲發(fā)射試驗得出的5個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)計算整理后，結(jié)果見表1。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上試驗過程及數(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，最大水平主應(yīng)力值接近100 MPa。由此可以得出，礦井進(jìn)入深部開采后，地應(yīng)力將對礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)帶來較大影響。

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趨勢，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，垂直主應(yīng)力值約為自重應(yīng)力值的2倍，這說明在礦區(qū)深部地質(zhì)構(gòu)造對地應(yīng)力的影響十分明顯，在未來的開采活動中，必須加強(qiáng)對地質(zhì)構(gòu)造的勘探工作。

4）所測區(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，圍巖開挖后易產(chǎn)生剪切破壞，因此在做開采和安全設(shè)計時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)力測量可較為準(zhǔn)確地測量并計算出測點地應(yīng)力?，F(xiàn)場實踐證明，該測量方法用于地應(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)場地應(yīng)力測量方法相比，聲發(fā)射法測量環(huán)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(yīng)力測量，具有較廣闊的應(yīng)用前景。該方法測得的地應(yīng)力結(jié)果也可為礦區(qū)地下工程設(shè)計和施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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