含層理巖石的AE特征分析及基于Kaiser效應的地應力測試研究

張東明，白鑫，齊消寒，等

摘要：目的：地應力是引起巖體開挖工程變形和破壞的根本作用力，是進行圍巖穩(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。由于地應力的大小及方向受多種因素的影響，造成其狀態(tài)的復雜性和多變性。在同一施工區(qū)域，不同點的地應力狀態(tài)也存在較大的差異性。因此，地應力大小和方向很難用數(shù)學計算或模型分析的方法獲得，要了解某一區(qū)域的地應力狀態(tài)，唯一的方法就是進行地應力現(xiàn)場測量，通過獲得多個測點的地應力狀態(tài)來反演研究區(qū)域的地應力場狀態(tài)。目前較常用的地應力測試方法主要有：水壓致裂法、應力解除法、聲發(fā)射法等，其中空心包體應力計法及水力壓裂法得到了比較廣泛的研究及應用，是目前比較認可的測試方法?？招陌w應力計法可以獲得測點的三維應力大小及方向，但由于它是一種原位測試技術，現(xiàn)場操作工序復雜，一般只適用于測試人員可現(xiàn)場操作的地應力測試地點，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力大小及方向，不能得到三維地應力的中間主應力的狀態(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，國內(nèi)外學者研究認為該方法可用于地應力測試，但由于Kaiser效應判斷方法、地應力計算方法存在一定不足限制了該技術的應用及發(fā)展。方法：本文針對煤礦沉積巖系地應力測試需要，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、應力特征、聲發(fā)射特征進行分析。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效應點判斷困難問題，基于Kaiser效應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效應點綜合判斷方法，分析得到測點6個方向巖石試件的Kaiser效應點及其主應力大小。針對原有聲發(fā)射地應力計算方法不足，基于固體力學理論建立了可任意方向取樣的Kaiser效應地應力計算方法，采用該方法計算得到測點地應力大小及方向，采用空心包體應力解除法驗證計算結果的準確性，結合測點區(qū)域地質(zhì)構造驗證并確定研究區(qū)域地應力主控因素。結果：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，應力-應變曲線表現(xiàn)為多次應力降過程。（2）沉積巖系巖石試件受層理構造的影響，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效應點綜合判斷方法；（2）任意取樣方向的Kaiser效應地應力計算方法；（3）計算得到測點地應力為：σ1=25.06 MPa，σ2=13.75 MPa，σ3=8.07 MPa。（3）現(xiàn)場空心包體套孔應力解除法測試結果表明：地應力計算結果在大小和方向上均具有一定的可信度，文中Kaiser效應點判斷方法和地應力計算方法可用于Kaiser效應法地應力測試。結論：（1）沉積巖系巖石試件在單軸載荷作用下，受層理構造的影響，其破壞形式及力學性質(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度，應力—應變曲線具有明顯應力跌落現(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，應力-應變曲線表現(xiàn)為多次應力降過程。（2）沉積巖系巖石試件受層理構造的影響，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效應點綜合判斷的方法；在固體力學理論基礎上完善了Kaiser效應法地應力計算方法，避免由于取樣方向偏差造成計算結果的誤差。（4）白皎礦2461工作面地應力計算結果為：σ1=25.06 MPa，σ2=13.75 MPa，σ3=8.07 MPa，最大主應力為SSE向。通過空心包體套孔應力解除法測試結果及礦區(qū)地質(zhì)構造特征對比分析，表明：本文計算的地應力結果在大小和方向上均具有一定的可信度，故文中提出的Kaiser效應點綜合判斷方法及地應力計算方法可作為Kaiser法地應力測試分析與計算方法。

來源出版物：巖石力學與工程學報, 2016, 35(1): 87-97

入選年份：2016