邓 涛1,2 李天华2 唐建新3 乔登攀1
【摘 要】摘 要 对地应力的准确分析和把握是采矿工程设计合理性的先决条件，因此在巷道设计、采场布置、采矿方法的选用、采场结构参数和开采顺序的确定，围岩支护加固方式的选用以及地压控制措施的制定等方面都需要考虑地应力的影响。基于岩石的Kaiser效应，介绍了利用岩石声发射Kaiser效应测试原岩应力场的原理及测试技术，通过加工6个特殊方向的岩石试件，进行了声发射试验，得到了各个方向的正应力值，并由此计算出了测点的3个主应力值及方向，其结果对于该矿区的采矿工程布置具有重要的意义。 【期刊名称】现代矿业
【年(卷),期】2014(000)012
【总页数】4
【关键词】关键词 地应力 Kaiser效应 主应力 有限单元法
地应力是引起采矿等地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性的重要因素。国内外经过多年的研究，形成了多种地应力的测量方法，包括水压致裂法、应力解除法、应力恢复法、声发射法等，其中，声发射法是新近发展起来的一种测量地应力的有效方法，与传统的测量方法相比，具有简便经济、便于室内大量测试的优点，为测量地应力提供了一个较好的途径[1-3]。
某新建矿区位于背斜两翼，工程地质条件较为复杂，存在构造应力场，且构造应力已经直接影响了该矿地下工程的稳定性，目前，该矿区地应力场的研究尚无，因此，为了今后地下工程布置的合理性，有必要对该矿区的地应力场进行测量，并总结其规律，为今后的采矿活动提供基础依据。利用岩石声发射Kaiser效应测定该矿地下岩体的原始应力，通过加工6 个特殊方向的岩石试件，利用岩石具有记忆原先应力水平的特性来进行单轴压缩试验，根据试验结果出Kaiser效应点，从而推导测点的地应力大小和方向。
1 Kaiser效应
1950年，德国人Kaiser发现多晶体的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前加载时的最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力再次加载到先前所处的
应力水平后，声发射活动便开始大量产生，这一现象叫做凯瑟尔效应[4-5]，从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯瑟尔点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。凯瑟尔效应为地应力的测量提供了一种全新的途径，只要在地层中取出岩石，在试验机上再次加载，结合声发射的设备，根据岩石在加载过程中的声发射活动，便可以出岩石在地下所处的应力状态，从而推算出该点的地应力值[6-7]。
2 试验原料
按照区域地应力场研究对测点选择的要求，根据岩层的赋存条件，从现场取回大块岩样，岩样的走向和倾向是确定的，这样，可以根据岩层的产状来确定三维坐标对其应力进行计算。
本次试验岩石样本从工作面尽量取未收扰动的大块岩石，根据其产状，标记好方向，进行室内加工，共取回2块岩石样本：南①225放水巷，埋深391.2 m，产状50°∠12°；南②三采区轨道上山，埋深425m，产状141°∠20°。
用声发射测地应力时，地应力的方向是建立在所取试件坐标方向的基础上，在本次测量中，
设岩层的走向为X方向，倾向为Y方向，垂直于XY平面的方向为Z方向。为了确定测点的三维应力状态，必须在该点的岩样中沿6个或9个不同的方向制备试件，因此，根据岩层的产状，建立坐标系，将岩块在3个坐标平面内加工成6个方向的长方体试件(宽高比为1∶2)，如图1所示，每个方向加工3个试件，其中，各试件的加载断面借助千分表进行仔细打磨，确保试件的平整度。
应力测试3 试验装置
试验设备主要由加载系统、声发射系统、计算机信息处理系统组成，如图2所示。加载系统为岛津材料实验机，采用位移控制，加载速度为0.01 mm/s，Windows2000操作系统；声发射测试分析系统采用美国物理声学公司PAC(Physical Acoustic Corporation)生产的PCI-2声发射测试分析系统。本试验中设定声发射测试分析系统的主放为40 dB，门槛值为45 dB，探头谐振频率为20～400 kHz，采样频率为1 M次/s。为保障试验效果，采用2个探头进行检测，声发射探头的检测面抹上一层黄油并紧贴在岩石试件中部的表面，然后采用胶带固定，如图3所示。
考虑到试件加载过程中，试件端部与压力盘之间的摩擦产生噪音，会对试件加载过程中的
声发射产生较大的影响，为了消除这种影响，在试件的两端加上垫层材料，垫层材料采用压缩的泡沫和橡胶皮，这种垫层本身几乎不产生声发射，且可以有效地减小加载过程中试件断面的压头摩擦，从而消除摩擦产生的声发射。
4 地应力计算原理及方法
在地下岩体中取一个四面体的微单元OABC，其中OA、OB、OC分别与坐标X、Y、Z的正方向重合，其法线方向(即主方向)3个方向余弦为l、m、n，则平面ABC上的正应力σn可以表示为[8]
(1)
用矩阵的形式可表示为
(2)
式中，[σn]为Kaiser点的单向正应力矩阵；[σ]为测点应力分量矩阵；[A]为方向余弦乘积矩阵。
将式(2)看做是关于l、m、n未知数的方程组，且l、m、n必须满足式(3)的条件，即
(3)
则可得到式(2)的特征方程
(4)
其中，
(5)
(6)
(7)
将实测的6个特殊方向的单向正应力值代入式(1)中，可以计算得到6个应力分量，即σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx，代入式(4)中，即可求得该测点的3个主应力大小及方向。
由于式(4)公式展开较为复杂，手工求解难免出错，借助通用的数学和工程计算软件Maple，
根据上述地应力计算公式，编辑程序进行求解，即可快速得到测点的主应力大小及方向。
5 试验过程及结果
安装好试件，设置好相关的加载参数及声发射系统参数，即可进行试验。首先，启动加载设备，使加载设备的压头与试件接触好，同时开启加载系统和声发射系统并采集相关的数据。
图4为试件加载过程中声发射振铃计数率、振幅、能量与时间关系图。可以看出，加载初期，载荷很小时，声发射很不明显，在23 s时，声发射信号开始变得强烈，随着加载的继续，产生了大量的声发射，可以判定23 s时对应的点即为Kaiser点。
南矿225放水巷和南矿三采区测点单向应力测试结果见表1。将表1中测得的数据带入式(3)中，即可计算得到该测点的主应力值及方向，如表2所示。可以看出，该区域存在构造应力，为了研究构造应力场与该矿区中背斜构造的关系，需将其主应力的方向转换为新坐标系中的角度。
新坐标系的y轴为鲁班山南北矿之间的背斜构造线方向，为N50°E，x轴为垂直于背斜构造
线的方向，xy平面处于水平面内，则z轴为垂直于xoy平面的方向，即铅垂方向，则新的坐标系下所选测点主应力大小及方向见表3。
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