顾 亮

(开滦(集团)东欢坨矿业分公司, 河北 唐山 063018)

目前东欢坨煤矿逐渐开始进入深部开采，矿山压力显现逐渐剧烈，井下工程围岩开始产生微弱的冲击地压现象和非线性较大变形特征，给生产带来很大的困难，因此迫切需要测试掌握深部地应力分布规律，进行围岩稳定性分析，实现采矿工程开采设计的科学化决策[1～2]。地应力测试技术经过国内外学者的不懈努力取得丰富成果[3～6]，其中声发射法是目前直接法中技术较成熟一种测定地应力的方法。它的实用性已被国内外大多数地应力测量资料所证实，现已成为一种方便、经济、实用的地应力测量方法和手段。

1 地应力测量原理与方法

采用声发射(AE)法测量了2组岩样的地应力大小和方向。

1.1 测量原理

声发射(AE)是指材料在受荷和发生变形后内部产生变形、微裂或裂纹扩展等引起的局部应变能快速释放而产生的瞬时弹性波。材料的声发射具有的一个主要特征就是：加载到一直不超过前次所加载荷时，材料是观察不到(或很少观察到)声发射信号的，而在达到前次所加载荷时，则有明显的声发射发生，这就是凯塞(Kaiser)效应。

岩石是地质发展历史的产物，其中存在众多的微细裂隙，且在加载到某一应力水平时，不但可能使原有的裂隙进一步扩张，而且可能产生一些新的裂隙，这是岩石对所受应力具有声发射凯塞效应的微观机制，凯塞声发射效应本质上是岩石蠕变断裂扩张对相应蠕变应力敏感性的反映。用声发射法测定地应力，对定向试件进行单轴压缩，同时接收其声发射信号。根据凯塞效应，当作用力达到某一临界值时，声发射活动会突然增多，此临界应力值即为岩芯试件先前所受的应力。

1.2 测量装置

试验装置由四个系统组成：加载系统、声发射参数及荷载模拟量测系统、数据自动处理微机系统和定区监测标定系统。加载实验系统如图1所示。

图1 声发射加载实验系统

1.3 基本方法

1.3.1 取样与制样

试验样品为井下取样，磨制定向试样时，为了便于计算空间主应力，一般需从六个特殊方向切

取岩芯：即X、Y、Z和X45°Y、Y45°Z、Z45°X。其中X、Y、Z相互垂直，后三个方向分别与X、Y、Z成45°夹角，利用已有的公式可求得空间主应力的唯一解，见图2。

图2 声发射法岩芯试件切取方向

对于深部岩层而言，为方便主应力的测定与计算，利用钻孔取出来的岩芯或现场迎头取样测地应力时，常假设主应力大小为γh，这样只须三个方向的定向试样进行测试：即走向X、倾向Y、与X和Y成45°夹角的Z。其取样及AE测量方向的具体情况参见表1。测试共制样2组。

1.3.2 测试过程

根据声发射凯塞效应建立的测量方法，可分为以下几步：

1) 现场取定向岩芯；

2) 按一定工艺要求在室内加工声发射试样；

3) 在选定参数下对试样加载并记录AE率，分别绘出声发射率—时间曲线和应力—时间曲线；

4) 以K点和响应曲线斜率陡增点的选值决定各试样的正应力，而后由各方向的正应力计算主应力大小和方向。

表1 AE法测试试样基本情况一览表

2 深部地应力测量结果

为确保试验数据的精确，采用MTS815.02型电液伺服岩石力学试验系统作为加载系统，用国产AE-400B型四通道AE参数测试仪记录获得的声发射率—时间曲线，同时测量岩石试样的应力和应变(纵向和横向)及位移，得到应力—时间曲线。整个测试系统是在微机控制下自动采集和储存。

试验结束后，绘制声发射率—时间曲线和应力—应变曲线，在发射率—时间曲线上寻找凯塞效应特征点，按照凯塞效应原理整理试验数据并判断取样方向上的正应力值。其所得岩样的应力实测值见表2。

表2 切样方向应力值(凯瑟点应力值)

因取样时，各岩样的夹角为45°，可采用以下公式计算最大、最小主应力的大小和方向：

(1)

(2)

(3)

σ1、σ3——分别为平面最大主应力、平面最小主应力。并且规定应力以压为正；

按上覆土层容重为0.02 MPa/m，岩层容重为0.025 MPa/m计算上部岩土自重应力值作为垂向应力。计算各测点的主应力大小和方向见表3。

表3 主应力大小和方向

3 深部地应力对煤层冲击地压的影响

前期东欢坨煤矿已经在浅部的-230 m副石门和-500 m中石门进行了地应力测试，结合本次深部测量的地应力结果，东欢坨矿现共有地应力测试点4个，其测试结果如表4、表5。

表4 实测水平最大主应力σH值

表5 实测垂直最大主应力σV值

通过对4个点地应力测试结果分析可知，东欢坨矿地应力场随着埋藏深度的变化，其最大主应力是变化的，在浅部属于水平应力场，地应力是以水平压应力为主导；在深部属于垂直应力场，地应力是以垂直压应力为主导。应力值基本随着测点埋深的增加，最大主应力增大。其水平应力值基本随着测点埋深的增加，主应力增大，应力值增加趋势为先大后逐渐稳定。水平压应力的方位角由北西西向逐渐过渡至北北西向，说明东欢坨矿的水平构造应力近于北西向，且应力有一个顺时针方向的偏转。

地应力场的数值计算表明：浅部主应力为最大主应力σ1和最小主应力σ3垂直于剖面方向的主应力即为中间主应力σ2，最大主应力σ1，最小主应力σ3方向近于水平方向，中间主应力σ2方向近于垂直方向；深部主应力为最小主应力σ3和中间主应力σ2垂直于剖面方向的主应力即为最大主应力σ1，最小主应力σ3和中间主应力σ2方向近于水平方向，最大主应力σ1方向近于垂直方向。

由以上分析可以看出，东欢坨矿浅部存在着较大的水平构造应力，在深部最大主应力变为垂直压应力，是产生冲击地压的诱导因素，同时是巷道变形破坏的主要原因，且对矿井巷道布置、采场布置等将产生较大的影响。

4 结论

1) 通过采用声发射法测试技术，进行了深部地应力测试，得到了深部地应力的水平应力和垂直应力大小以及水平应力的方向。

2) 结合前期已有的地应力测试结果，总结了东欢坨煤矿地应力分布规律呈现前部以水平应力为主导，深部以垂直应力为主导的基本规律。

3) 通过分析地应力的分布规律，明确了深部最大垂直应力是产生冲击地压的诱导因素，同时也是巷道变形破坏的主要原因，对矿井巷道布置、采场布置等将产生较大影响。

[1] 蔡美峰,彭华,乔兰,等. 万福煤矿地应力场分布规律及其与地质构造的关系[J]. 煤炭学报, 2008, 33(11): 1248-1252.

[2] 郑书兵.寺河煤矿三维地应力场分布和巷道布置优化[J].煤炭学报, 2010, 35(5): 1248-1252.

[3] 蔡美峰. 地应力测量原理和技术[M]. 北京: 科学出版社,2000.

[4] 蔡美峰,何满潮,刘东燕.岩石力学与工程[M]. 北京: 科学出版社,2002.

[5] 李宏,马元春,王福江.压磁套芯三维原地应力测量研究[J].岩土力学, 2007, 28(2): 253-257.

[6] 胡斌, 章光, 李光煜.一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计[J].岩土力学, 2006, 27(5): 816-822.