彭瑞，孟祥瑞，趙光明，董春亮，左超

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不同巖性巖石聲發(fā)射地應(yīng)力測試及其應(yīng)用

彭瑞，孟祥瑞，趙光明，董春亮，左超

(安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南，232001)

為了考慮巖石巖性的影響，對(duì)兩淮礦區(qū)某正在掘進(jìn)巷道進(jìn)行鉆孔取樣，根據(jù)柱狀圖取巷道兩相鄰水平標(biāo)高(?850.0 m和?861.8 m，以下稱為Ⅰ和Ⅱ水平)作為實(shí)驗(yàn)取芯點(diǎn)，其巖性分別為中粗砂巖和砂質(zhì)泥巖。利用聲發(fā)射測試儀測得不同水平標(biāo)高地應(yīng)力，經(jīng)理論計(jì)算獲得相應(yīng)的主應(yīng)力，采用ANSYS和FLAC3D在非軸對(duì)稱應(yīng)力場(分Ⅰ和Ⅱ水平2種應(yīng)力加載方法)下進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對(duì)比。研究結(jié)果表明：Ⅰ和Ⅱ水平的地應(yīng)力無明顯的疊加性。實(shí)測巷道不同水平的圍巖穩(wěn)定性(主要指圍巖位移分布)與對(duì)應(yīng)水平的應(yīng)力加載條件下的模擬結(jié)果相似；考慮巖石巖性對(duì)巷道地應(yīng)力賦存情況的影響的必要性，同時(shí)為該埋藏條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供更加可靠的地應(yīng)力數(shù)據(jù)。

巖石巖性；地應(yīng)力測試；聲發(fā)射凱賽爾效應(yīng)；鉆孔柱狀圖；數(shù)值模擬；現(xiàn)場實(shí)測

地應(yīng)力是引起地下巷道開挖工程變形和破壞的根本作用力，是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巷道軸線方向選擇、巷道斷面形狀、支撐設(shè)計(jì)的必要前提[1?2]。其中地應(yīng)力測試影響因素的研究及其在各行業(yè)中應(yīng)用情況較多，代表性成果有：探討斷層擾動(dòng)對(duì)地應(yīng)力測試的影響，并為巖體地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、資源開采中巖爆的預(yù)測乃至地震的預(yù)報(bào)與定量評(píng)價(jià)提供依據(jù)[3?4]；在非均勻地應(yīng)力場中，關(guān)于巷道圍巖穩(wěn)定性研究[5?7]；通過實(shí)驗(yàn)測試或理論計(jì)算獲得某區(qū)域地應(yīng)力場，并利用FLAC3D，模擬該地應(yīng)力場下[8?13]巷道等建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。聲發(fā)射測試地應(yīng)力的原理是通過判斷Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，進(jìn)而獲得原位巖石的地應(yīng)力，這項(xiàng)技術(shù)在地應(yīng)力測試領(lǐng)域中，無論是國內(nèi)還是國外都比較先 進(jìn)[14?17]；很多科研工作者對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了不懈地探索；但還需要攻克的難關(guān)包括：選取實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)需考慮的因素、不同角度巖樣鉆取方法等。本文作者分析巖石巖性對(duì)地應(yīng)力測試的影響。利用鉆孔柱狀圖選取實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室中，分別取出巷道相鄰2組不同巖性巖石對(duì)應(yīng)的6個(gè)方向巖樣，經(jīng)聲發(fā)射測試儀測試，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，獲得2組巖性巖石對(duì)應(yīng)埋藏位置處的地應(yīng)力；獲得的地應(yīng)力測試結(jié)果較準(zhǔn)確，可真實(shí)反映該應(yīng)力場作用下，無支護(hù)巷道開挖面附近圍巖的穩(wěn)定性，從而解決理論分析中，無法充分考慮非均勻應(yīng)力場(主要指地應(yīng)力角度、大小的變化)，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的問題，以期為礦山等行業(yè)提供更加實(shí)用、簡便的地應(yīng)力測試方法。

1 地質(zhì)概況及實(shí)驗(yàn)段選取

該礦某掘進(jìn)巷道附近的巖層鉆孔柱狀圖，如圖1所示。從圖1可見：巷道地處?852.0 m水平標(biāo)高，據(jù)此選取2個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，即在巷道相鄰2個(gè)水平(Ⅰ水平?850.0 m和Ⅱ水平?861.8 m)，分別稱為1號(hào)測點(diǎn)和2號(hào)測點(diǎn)；其中Ⅰ水平對(duì)應(yīng)巖性為中粗砂巖，強(qiáng)度較高；Ⅱ水平對(duì)應(yīng)巖性為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度較低。

圖1 測點(diǎn)附近的鉆孔柱狀圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 測點(diǎn)定向取芯步驟

2.1.1 測點(diǎn)鉆孔尺寸和方位選取

在各測點(diǎn)布置一近水平測孔，套取巖芯，鉆孔垂直于巷道表面，擺放鉆機(jī)鉆孔，鉆孔直徑為 90~137 mm，鉆孔水平仰角≤5°，3°為最佳水平仰角，在標(biāo)定待取巖芯之前，先鉆取3 m左右的破碎巖芯，既不標(biāo)定方向也不保留。

2.1.2 定向鉆取巖芯的循環(huán)操作

首先標(biāo)定待取巖芯水平方向：假定沿鉆孔軸向?yàn)榉较?，垂直鉆孔斷面為面，向上為方向，水平為方向，利用“巖芯水平定向系統(tǒng)”，對(duì)待取巖芯進(jìn)行水平定向，并建立三維坐標(biāo)系；接著鉆取1 m左右，標(biāo)定水平方向的巖芯；以后每鉆取1 m巖芯，就進(jìn)行1次水平方向標(biāo)定，如此循環(huán)，直至鉆取出7~12 m巖芯；其中“巖芯水平定向系統(tǒng)”是在水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上建立的，如圖2所示，通過調(diào)整帶螺紋的套管，將水準(zhǔn)儀的水平標(biāo)記端調(diào)整為水平方向；上述方法有效地解決了在深孔中無法直接標(biāo)記巖芯方向的情況。

圖2 巷道斷面取芯原理圖

2.2 巖樣鉆取實(shí)驗(yàn)

二次定角度鉆取巖樣：將標(biāo)定水平方向的巖芯封存后帶回實(shí)驗(yàn)室，利用鉆機(jī)和“二次定角度取樣裝置”，鉆取6個(gè)方向巖樣。圖3所示為二次定角度取芯裝置。圖3(a)所示為實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的取樣圖，假定圓柱體巖芯的軸向?yàn)檩S方向，巖芯斷面為面，可以鉆取，和方向巖樣。圖3(b)所示為團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)的“二次定角度取樣裝置及其輔助裝置”，獲2項(xiàng)專利授 權(quán)[18?19]。該裝置主要包括：巖芯放置套筒6、槽孔11、支撐架7、裝置底座10、巖芯固定裝置8；所述巖芯放置套筒6通過焊接方式放置在支撐架7上，所述支撐架7與裝置底座10焊接成45°，所述槽孔11處于巖芯放置套筒6內(nèi)側(cè)，為了避免讓鉆頭1取樣時(shí)和巖芯放置套筒接觸，所述巖芯固定裝置8可以通過擰緊一側(cè)的螺母4和螺桿5夾緊巖芯12，并通過一側(cè)的鉸接銷軸9與巖芯放置套筒6焊接在一起。

利用該“二次定角度取樣裝置及其輔助裝置”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)巖芯12在套筒內(nèi)的位置，分別在軸夾角、軸夾角、軸夾角角平分線方向(分別標(biāo)為′，′和′方向)鉆取巖樣。

在Ⅰ和Ⅱ水平取出的巖芯，通過室內(nèi)鉆取獲得的巖樣尺寸，如表1所示。

1—鉆頭；2—夾持板；3—墊板；4—螺母；5—螺桿；6—巖芯旋轉(zhuǎn)套筒；7—支撐架；8—巖芯固定裝置；9—鉸接銷軸；10—裝置底座；11—槽孔；12—巖芯

(a) 傳統(tǒng)鉆取實(shí)驗(yàn)；(b) 定角輔助裝置鉆取實(shí)驗(yàn)

圖3 二次定角度取芯裝置

Fig. 3 Secondary fixed angle coring device

表1 Ⅰ水平和Ⅱ水平各方向巖樣的尺寸

2.3 聲發(fā)射Kaiser測試地應(yīng)力

采用RMT?150B巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配合DS2?8B 增強(qiáng)型聲發(fā)射系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室取出的2組6個(gè)方向巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用位移控制、加載速度為0.005 mm/s的單軸加載方式；聲發(fā)射傳感器采用聲發(fā)射放大器、信號(hào)濾波器，放大器增益為40 dB，頻率為5~1 500 kHz，采樣頻率為2 500 kHz，參數(shù)間隔為200 μs，傳感器拾取的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)前置放大和主放后由聲發(fā)射儀進(jìn)一步處理成聲發(fā)射參數(shù)(事件累計(jì)、事件速率、能量計(jì)數(shù)、能量累計(jì)等)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要采集RMT?150B巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軸向力與時(shí)間，DS2?8B增強(qiáng)型聲發(fā)射系統(tǒng)的壓力與聲發(fā)射數(shù)，確定巖石時(shí)間的凱塞效應(yīng)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的軸向力，從而獲取2組巖樣6個(gè)方向應(yīng)力分量，其實(shí)測圖和原理圖如圖4所示，加載后Ⅰ和Ⅱ水平對(duì)應(yīng)的破壞巖樣如圖5所示。

2.4 各方向巖樣地應(yīng)力測試參數(shù)

根據(jù)巖石的Kaiser效應(yīng)嚴(yán)格存在于巖石變形的彈性階段，記憶的最大應(yīng)力不超過破壞應(yīng)力的50%的特點(diǎn)，首先由巖石試件的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線獲得巖樣的彈性范圍，并將巖樣的聲發(fā)射特征(能量計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù))?時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比，再結(jié)合聲發(fā)射計(jì)數(shù)累積曲線，將具有相同特征的突變點(diǎn)確認(rèn)為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)。

圖4 巖石加載及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

(a) Ⅰ水平中粗砂巖；(b) Ⅱ水平砂質(zhì)泥巖

圖6所示為Ⅰ水平′方向的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系，圖7所示為Ⅰ水平′方向正應(yīng)力、能量計(jì)數(shù)及累積與時(shí)間關(guān)系。由圖6可知：Ⅰ水平′方向巖樣在單軸加載過程中，當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)?~0.003范圍之內(nèi)時(shí)，巖樣處于彈性狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力范圍是9.84~25.00 MPa；此時(shí)由圖7可知：彈性加載的時(shí)間范圍是36.28~227.87 s。在=42.30 s時(shí)，能量計(jì)數(shù)第1次增大到154，隨后在=72.60 s時(shí)，發(fā)生了較大的突變，且持續(xù)時(shí)間最長，該點(diǎn)的能量計(jì)數(shù)最大，所以該點(diǎn)即為Kaiser點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力為25.65 MPa。通過上述分析方法，判別Ⅰ和Ⅱ水平附近各方向巖樣Kaiser點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力，如表2所示。

2.5 主應(yīng)力的計(jì)算及其應(yīng)用

圖8所示為巖樣各方向正應(yīng)力分量坐標(biāo)系。主應(yīng)力的理論公式推導(dǎo)如下：

圖7 Ⅰ水平z′方向正應(yīng)力、能量計(jì)數(shù)及累積與時(shí)間關(guān)系

表2 Ⅰ和Ⅱ水平附近各方向巖樣的正應(yīng)力

注：σ′，σ′和σ′分別為′，′和′方向的正應(yīng)力。

圖8 巖樣各方向正應(yīng)力分量坐標(biāo)系

從式(1)可以得出：在直角坐標(biāo)系下，測點(diǎn)處的6個(gè)應(yīng)力分量分別為，，，，和。

某點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的特征方程為

其中：

根據(jù)式(2)計(jì)算的主應(yīng)力，結(jié)合表2中的各方向應(yīng)力，求解方程組(3)，即可得出對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力方向與坐標(biāo)軸間的夾角余弦。

求解方程組(4)時(shí)，結(jié)合方程組(3)獲得的夾角余弦值l，m和n，可得主應(yīng)力與坐標(biāo)正向之間的夾角，同理可以求得主應(yīng)力與軸、軸正向的夾角。

根據(jù)上述理論推導(dǎo)，獲得Ⅰ和Ⅱ水平對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力賦存情況如表3所示。

表3 Ⅰ和Ⅱ水平巖樣對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力

圖9 o測點(diǎn)處的主應(yīng)力分析

式(5)即為地下巖體測點(diǎn)處的地應(yīng)力橢球基本方程。將表3所示的計(jì)算結(jié)果代入式(5)中，就可得到Ⅰ水平中粗砂巖和Ⅱ水平砂質(zhì)泥巖中巖體地應(yīng)力橢球表達(dá)式。

3 Ⅰ和Ⅱ水平應(yīng)力加載下的巷道數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

根據(jù)Ⅰ和Ⅱ水平附近巖層鉆孔柱狀圖，由軟件AutoCAD按1:1比例畫出，導(dǎo)入ANSYS軟件建立模型，模型的寬×長×高為60 m×50 m×50 m，長的方向?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)方向；根據(jù)工程實(shí)際，設(shè)計(jì)該掘進(jìn)巷道巷寬×巷高為5 500 mm×4 250 mm，拱高為2.75 m，直墻高為1.5 m。將建好模型(共有14.29萬個(gè)單元)導(dǎo)入FLAC3D，生成模型如圖10所示，利用FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，材料模型設(shè)置為Mohr-Cloumb本構(gòu)模型，具體參數(shù)設(shè)置根據(jù)該礦提供的相關(guān)地質(zhì)資料；其中邊界條件設(shè)置為：模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底面限制垂直移動(dòng)，上表面自由；初始應(yīng)力的設(shè)置：依據(jù)表2中提供的不同水平的地應(yīng)力分別進(jìn)行加載；為了避免邊界效應(yīng)影響，模型的寬、長、高均選為150~200，其中，0為巷道當(dāng)量半徑(即巷道拱高)，而0~200范圍內(nèi)的巖石重力相對(duì)遠(yuǎn)場(埋深850.0 m)的初始應(yīng)力加載可忽略不計(jì)。

3.2 計(jì)算分析

得到2種應(yīng)力加載條件下巷道深部圍巖位移分布圖如圖11~12所示。

由圖11和圖12可知：在Ⅱ水平應(yīng)力加載條件下獲得的巷道底板和兩幫的位移明顯大于Ⅰ水平條件下獲得的位移；其中兩幫、底板的位移明顯高于頂板位移，這是由于底板和兩幫附近圍巖為砂質(zhì)泥巖，其強(qiáng)度較低，屬于典型的軟巖；這與以往掘進(jìn)巷道最易發(fā)生破壞的經(jīng)驗(yàn)位置：巷道頂板中間以及其拱肩部情況不相符，表明對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行安全性預(yù)測，具有復(fù)雜性和不確定性。

FLAC3D模擬在Ⅰ水平(或Ⅱ水平)應(yīng)力加載條件下，巷道深部位移(包括頂板、底板以及兩幫)與實(shí)測數(shù)據(jù)(巷道掘進(jìn)后立即安裝多點(diǎn)位移計(jì)，測試巷道深部圍巖變形情況，包括頂、底板及兩幫)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖13所示。從圖13可以發(fā)現(xiàn)：FLAC3D在Ⅰ水平應(yīng)力加載下，巷道頂板位移與實(shí)測巷道頂板位移較吻合，同時(shí)FLAC3D在Ⅱ水平應(yīng)力加載下，巷道底板以及兩幫位移與實(shí)測的底板、兩幫位移接近；而FLAC3D在Ⅰ水平應(yīng)力加載下的兩幫位移(見圖13)，與實(shí)測相應(yīng)位置的位移相差較大。

圖10 數(shù)值分析模型

數(shù)值表示巖層移動(dòng)位移，單位：cm (a) 巷道兩幫位移；(b) 頂板位移

數(shù)值表示巖層移動(dòng)位移，單位：cm (a) 巷道兩幫位移；(b) 底板位移

圖13 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

1) 結(jié)合室內(nèi)測試、理論計(jì)算、數(shù)值模擬以及實(shí)測數(shù)據(jù)，利用聲發(fā)射系統(tǒng)、ANSYS和FLAC3D軟件以及多點(diǎn)位移計(jì)等，真實(shí)地表現(xiàn)了復(fù)雜埋藏條件下(巖石巖性、非軸對(duì)稱應(yīng)力場)巷道圍巖的穩(wěn)定性的概況，以期為同樣埋藏條件下的地應(yīng)力測試及其應(yīng)用提供可靠的工程類比。

2) 沿巷道徑向延深，圍巖移動(dòng)位移減小，8 m以外的巖層趨于穩(wěn)定；Ⅰ水平應(yīng)力加載條件下，巷道頂板位移與實(shí)測頂板位移較吻合；Ⅱ水平應(yīng)力加載條件下，兩幫及底板的位移與實(shí)測相應(yīng)位置位移基本相同。因此，需分別對(duì)不同巖性埋藏處進(jìn)行地應(yīng)力的測量。

3) 不同巖性巖樣對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力測試結(jié)果相差較大，所以不能簡單地利用重力分布原則進(jìn)行計(jì)算；需針對(duì)不同情況細(xì)化討論，如巷道埋藏在均值、各向同性的彈性體中，可以依據(jù)重力疊加原理，計(jì)算其他水平應(yīng)力；若巷道是過斷層布設(shè)，則需對(duì)斷層上、下盤分別進(jìn)行測試，若上、下盤巖性不是均值彈性體，則要考慮巖石巖性影響。本文中測試的巷道頂板處于中粗砂巖，底板及兩幫位于砂質(zhì)泥巖，所以需要考慮巖石巖性的影響。

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(編輯 羅金花)

Acoustic emission in-situ stress testing of different lithology rock and its application

PENG Rui, MENG Xiangrui, ZHAO Guangming, DONG Chunliang, ZUO Chao

(Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining, Ministry of Education, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

In order to consider the influence of rock lithology, bore-hole sampling was gotten in the excavation roadway of Huainan and Huaibei mining area, and two adjacent level elevations of tunnel (?850.0 m and ?861.8 m, and referred to as Ⅰ, Ⅱ level in the following) were taken as the core site according to the histogram. Rock lithologies were medium coarse sandstone and sandy mudstone, respectively. Acoustic emission testing instrument was used to measure the in-situ stress of different levels of elevation, and then the corresponding main stress through theoretical calculation was obtained. ANSYS and FLAC3Dwere used to simulate in the non axisymmetric stress field and the field measured results were compared. The results show that the in-situ stresses of Ⅰ, Ⅱ level have no obvious superposition. And the field measurement stability of surrounding rock in different level roadway (mainly refers to the distribution of surrounding rock displacement) is similar to the simulation results under the corresponding horizontal stress loading conditions. It is very necessary to accord the rock lithology on the influence of in-situ stress occurrence conditions of roadway, and more reliable in-situ stress data were provided for roadway support design under the same condition.

rock lithology; in-situ stress test; acoustic emission Kaiser effect; drilling histogram; numerical simulation; field measurement

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.030

TD451

A

1672?7207(2015)09?3377?08

2014?10?31；

2014?12?30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374013) (Project(51374013) supported by the National Natural Science Foundation of China)

孟祥瑞，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事礦山壓力與控制研究；E-mail: 13964945@qq.com