含層理巖石的AE特征分析及基于Kaiser效應(yīng)的地應(yīng)力測試研究

張東明，白鑫，齊消寒，等

摘要：目的：地應(yīng)力是引起巖體開挖工程變形和破壞的根本作用力，是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析的必要前提條件，也是控制煤與瓦斯突出的主要因素之一，獲取煤層地應(yīng)力參數(shù)對于提高瓦斯抽采效率及防治煤與瓦斯突出具有實際意義。由于地應(yīng)力的大小及方向受多種因素的影響，造成其狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性。在同一施工區(qū)域，不同點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)也存在較大的差異性。因此，地應(yīng)力大小和方向很難用數(shù)學(xué)計算或模型分析的方法獲得，要了解某一區(qū)域的地應(yīng)力狀態(tài)，唯一的方法就是進(jìn)行地應(yīng)力現(xiàn)場測量，通過獲得多個測點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)來反演研究區(qū)域的地應(yīng)力場狀態(tài)。目前較常用的地應(yīng)力測試方法主要有：水壓致裂法、應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法等，其中空心包體應(yīng)力計法及水力壓裂法得到了比較廣泛的研究及應(yīng)用，是目前比較認(rèn)可的測試方法?？招陌w應(yīng)力計法可以獲得測點(diǎn)的三維應(yīng)力大小及方向，但由于它是一種原位測試技術(shù)，現(xiàn)場操作工序復(fù)雜，一般只適用于測試人員可現(xiàn)場操作的地應(yīng)力測試地點(diǎn)，而對于千米深度的油氣井則主要采用水力壓裂法。但由于水力壓裂法僅能得到平面應(yīng)力大小及方向，不能得到三維地應(yīng)力的中間主應(yīng)力的狀態(tài)，在一定程度上不能滿足工程需要。聲發(fā)射法主要基于Kaiser效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為該方法可用于地應(yīng)力測試，但由于Kaiser效應(yīng)判斷方法、地應(yīng)力計算方法存在一定不足限制了該技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展。方法：本文針對煤礦沉積巖系地應(yīng)力測試需要，采用巖石單軸壓縮聲發(fā)射實驗方法，對沉積巖系巖石試件單軸壓縮破壞特征、應(yīng)力特征、聲發(fā)射特征進(jìn)行分析。針對均質(zhì)試件與含層理試件聲發(fā)射特征差異性造成的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)判斷困難問題，基于Kaiser效應(yīng)特征建立了采用振鈴計數(shù)時差Δti和時間-振鈴累計計數(shù)曲線傾角τi的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)綜合判斷方法，分析得到測點(diǎn)6個方向巖石試件的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)及其主應(yīng)力大小。針對原有聲發(fā)射地應(yīng)力計算方法不足，基于固體力學(xué)理論建立了可任意方向取樣的Kaiser效應(yīng)地應(yīng)力計算方法，采用該方法計算得到測點(diǎn)地應(yīng)力大小及方向，采用空心包體應(yīng)力解除法驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合測點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造驗證并確定研究區(qū)域地應(yīng)力主控因素。結(jié)果：實驗分析表明：（1）單軸荷載作用下，無層理巖石試件破壞過程為：加載→完全破壞，表現(xiàn)出脆性破壞特征；含層理構(gòu)造的巖石試件的破壞過程為：加載→局部滑移剪切破壞→加載→剪切帶失穩(wěn)、巖石試件破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為多次應(yīng)力降過程。（2）沉積巖系巖石試件受層理構(gòu)造的影響，無層理巖石試件的AE總計數(shù)隨時間的增長趨勢，表現(xiàn)為“緩慢增長→急劇飆升”型；而含層理巖石則呈現(xiàn)出“臺階狀”上升趨勢，分析認(rèn)為造成這種差異性的原因在于試件內(nèi)部損傷破壞過程的差異性。理論分析得到，（1）采用振鈴計數(shù)時差 Δti和時間-振鈴累計計數(shù)曲線傾角τi的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)綜合判斷方法；（2）任意取樣方向的Kaiser效應(yīng)地應(yīng)力計算方法；（3）計算得到測點(diǎn)地應(yīng)力為：σ1=25.06 MPa，σ2=13.75 MPa，σ3=8.07 MPa。（3）現(xiàn)場空心包體套孔應(yīng)力解除法測試結(jié)果表明：地應(yīng)力計算結(jié)果在大小和方向上均具有一定的可信度，文中Kaiser效應(yīng)點(diǎn)判斷方法和地應(yīng)力計算方法可用于Kaiser效應(yīng)法地應(yīng)力測試。結(jié)論：（1）沉積巖系巖石試件在單軸載荷作用下，受層理構(gòu)造的影響，其破壞形式及力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的各向異性。均質(zhì)巖石試件具有較高的單軸抗壓強(qiáng)度，應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有明顯應(yīng)力跌落現(xiàn)象，其破壞過程為：加載→完全破壞，表現(xiàn)出脆性破壞特征；含層理構(gòu)造的巖石試件的破壞過程為：加載→局部滑移剪切破壞→加載→剪切帶失穩(wěn)、巖石試件破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為多次應(yīng)力降過程。（2）沉積巖系巖石試件受層理構(gòu)造的影響，其AE特征表現(xiàn)出一定的差異性，主要體現(xiàn)在：Bj1，Bj2、Bj3均質(zhì)巖石試件的各個通道接收到的AE信號在數(shù)量及趨勢方面均具有一致性，AE總計數(shù)-時間關(guān)系曲線的增長趨勢表現(xiàn)為“緩慢增長→急劇飆升”型；而含層理巖石破壞過程中的聲發(fā)射信號在數(shù)量上具有空間差異性，AE總計數(shù)隨時間呈“臺階狀”上升趨勢。認(rèn)為造成這種差異性的原因在于試件內(nèi)部損傷破壞過程的差異性。（3）提出了采用振鈴計數(shù)時差Δti和時間-振鈴累計計數(shù)曲線傾角τi對Kaiser效應(yīng)點(diǎn)綜合判斷的方法；在固體力學(xué)理論基礎(chǔ)上完善了Kaiser效應(yīng)法地應(yīng)力計算方法，避免由于取樣方向偏差造成計算結(jié)果的誤差。（4）白皎礦2461工作面地應(yīng)力計算結(jié)果為：σ1=25.06 MPa，σ2=13.75 MPa，σ3=8.07 MPa，最大主應(yīng)力為SSE向。通過空心包體套孔應(yīng)力解除法測試結(jié)果及礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征對比分析，表明：本文計算的地應(yīng)力結(jié)果在大小和方向上均具有一定的可信度，故文中提出的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)綜合判斷方法及地應(yīng)力計算方法可作為Kaiser法地應(yīng)力測試分析與計算方法。

來源出版物：巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2016, 35(1): 87-97

入選年份：2016