土木工程

含层理岩石的AE特征分析及基于Kaiser效应的地应力测试研究

张东明，白鑫，齐消寒，等

摘要：目的：地应力是引起岩体开挖工程变形和破坏的根本作用力，是进行围岩稳定性分析的必要前提条件，也是控制煤与瓦斯突出的主要因素之一，获取煤层地应力参数对于提高瓦斯抽采效率及防治煤与瓦斯突出具有实际意义。由于地应力的大小及方向受多种因素的影响，造成其状态的复杂性和多变性。在同一施工区域，不同点的地应力状态也存在较大的差异性。因此，地应力大小和方向很难用数学计算或模型分析的方法获得，要了解某一区域的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力现场测量，通过获得多个测点的地应力状态来反演研究区域的地应力场状态。目前较常用的地应力测试方法主要有：水压致裂法、应力解除法、声发射法等，其中空心包体应力计法及水力压裂法得到了比较广泛的研究及应用，是目前比较认可的测试方法。空心包体应力计法可以获得测点的三维应力大小及方向，但由于它是一种原位测试技术，现场操作工序复杂，一般只适用于测试人员可现场操作的地应力测试地点，而对于千米深度的油气井则主要采用水力压裂法。但由于水力压裂法仅能得到平面应力大小及方向，不能得到三维地应力的中间主应力的状态，在一定程度上不能满足工程需要。声发射法主要基于Kaiser效应，国内外学者研究认为该方法可用于地应力测试，但由于Kaiser效应判断方法、地应力计算方法存在一定不足限制了该技术的应用及发展。方法：本文针对煤矿沉积岩系地应力测试需要，采用岩石单轴压缩声发射实验方法，对沉积岩系岩石试件单轴压缩破坏特征、应力特征、声发射特征进行分析。针对均质试件与含层理试件声发射特征差异性造成的Kaiser效应点判断困难问题，基于Kaiser效应特征建立了采用振铃计数时差Δti和时间-振铃累计计数曲线倾角τi的Kaiser效应点综合判断方法，分析得到测点6个方向岩石试件的Kaiser效应点及其主应力大小。针对原有声发射地应力计算方法不足，基于固体力学理论建立了可任意方向取样的Kaiser效应地应力计算方法，采用该方法计算得到测点地应力大小及方向，采用空心包体应力解除法验证计算结果的准确性，结合测点区域地质构造验证并确定研究区域地应力主控因素。结果：实验分析表明：（1）单轴荷载作用下，无层理岩石试件破坏过程为：加载→完全破坏，表现出脆性破坏特征；含层理构造的岩石试件的破坏过程为：加载→局部滑移剪切破坏→加载→剪切带失稳、岩石试件破坏，应力-应变曲线表现为多次应力降过程。（2）沉积岩系岩石试件受层理构造的影响，无层理岩石试件的AE总计数随时间的增长趋势，表现为“缓慢增长→急剧飙升”型；而含层理岩石则呈现出“台阶状”上升趋势，分析认为造成这种差异性的原因在于试件内部损伤破坏过程的差异性。理论分析得到，（1）采用振铃计数时差 Δti和时间-振铃累计计数曲线倾角τi的Kaiser效应点综合判断方法；（2）任意取样方向的Kaiser效应地应力计算方法；（3）计算得到测点地应力为：σ1=25.06 MPa，σ2=13.75 MPa，σ3=8.07 MPa。（3）现场空心包体套孔应力解除法测试结果表明：地应力计算结果在大小和方向上均具有一定的可信度，文中Kaiser效应点判断方法和地应力计算方法可用于Kaiser效应法地应力测试。结论：（1）沉积岩系岩石试件在单轴载荷作用下，受层理构造的影响，其破坏形式及力学性质表现出明显的各向异性。均质岩石试件具有较高的单轴抗压强度，应力—应变曲线具有明显应力跌落现象，其破坏过程为：加载→完全破坏，表现出脆性破坏特征；含层理构造的岩石试件的破坏过程为：加载→局部滑移剪切破坏→加载→剪切带失稳、岩石试件破坏，应力-应变曲线表现为多次应力降过程。（2）沉积岩系岩石试件受层理构造的影响，其AE特征表现出一定的差异性，主要体现在：Bj1，Bj2、Bj3均质岩石试件的各个通道接收到的AE信号在数量及趋势方面均具有一致性，AE总计数-时间关系曲线的增长趋势表现为“缓慢增长→急剧飙升”型；而含层理岩石破坏过程中的声发射信号在数量上具有空间差异性，AE总计数随时间呈“台阶状”上升趋势。认为造成这种差异性的原因在于试件内部损伤破坏过程的差异性。（3）提出了采用振铃计数时差Δti和时间-振铃累计计数曲线倾角τi对Kaiser效应点综合判断的方法；在固体力学理论基础上完善了Kaiser效应法地应力计算方法，避免由于取样方向偏差造成计算结果的误差。（4）白皎矿2461工作面地应力计算结果为：σ1=25.06 MPa，σ2=13.75 MPa，σ3=8.07 MPa，最大主应力为SSE向。通过空心包体套孔应力解除法测试结果及矿区地质构造特征对比分析，表明：本文计算的地应力结果在大小和方向上均具有一定的可信度，故文中提出的Kaiser效应点综合判断方法及地应力计算方法可作为Kaiser法地应力测试分析与计算方法。

来源出版物：岩石力学与工程学报, 2016, 35(1): 87-97

入选年份：2016