原岩应力在采矿等地下岩土工程具有十分重要的实际意义，如何精准地测量、确定原岩应力一直是多年来学者们研究的热点与难点^[1]，声发射法是测量原岩应力的有效方法之一，声发射法测量地应力的原理是Kaiser效应^[2]：材料对其原来所受的最大应力有记忆效应，当材料所受的应力未达到其原来所受的最大应力时，不产生或产生很少的声发射，当加载应力超过其所受最大应力时会有大量声发射的现象产生. Goodman^[3]在1963年通过对岩石类材料进行加载试验时发现岩石存在Kaiser效应，认为岩石类材料对所受的最大应力或应变存在记忆效应，从此通过声发射Kaiser效应测量原岩应力被广泛应用于工程实际.目前判读Kaiser点的方法是以时间（或应力）为横轴，以岩石加载过程中声发射的某个参数（或某个累计参数）为纵轴，然后将该声发射参数（或累计参数）随时间（或应力）急剧变化的点作为Kaiser效应点，所对应的应力值即为该岩样应力加载方向的原岩应力值^[4].

李浩然等^[5]对花岗岩进行单轴压缩声发射试验，由于Kaiser效应的存在，岩石压密阶段和线弹性变形阶段初期产生的声发射数量极少；李庶林等^[6]研究表明，Kaiser效应特征点一般出现在压密阶段的后期或是弹性阶段的初期；D. A.Lockner等^[7]指出单轴压缩试验中应力大于岩石峰值强度的70 %时，Kaiser效应可能失效；J.F.Fuentealba等^[8]研究表明，如果预应力为10 %~70 %的单轴抗压强度，Kaiser效应可以较好的显现；曾鹏等^[9]对花岗岩进行了不同围压下循环加卸载声发射试验，研究结果表明，花岗岩Kaiser效应应力上限值为峰值强度的65 %左右；R. Vidya Sagar等^[10]研究表明，当载荷接近峰值应力时，Kaiser效应消失，Felicity效应出现；陈宇龙等^[11]通过对岩石进行循环加卸载研究岩石Kaiser效应，结果表明：当加载应力超过峰值应力的70 %后，岩石出现明显的Felicity效应.

综上所述，目前对通过声发射Kaiser效应法测量原岩应力的研究主要集中在对Kaiser效应测量原岩应力这一现象加以总结及如何提高确定Kaiser点精度，而对岩石通过声发射Kaiser效应法测得的原岩应力与岩石峰值应力关系尚未形成定论，因此确定岩石原岩应力处于岩石变形破坏哪一阶段具有重要的理论与工程意义.

通过对现场套孔应力解除测试点前端岩芯进行单轴压缩声发射试验，获取加载过程中声发射信号.首先通过声发射累计振铃计数随时间变化曲线确定Kaiser点，然后对比通过声发射Kaiser效应法与套孔应力解除法测得的地应力值与误差，建立通过2种方法确定的原岩应力值与岩石峰值应力的关系，研究通过2种方法确定的原岩应力位于岩石变形破坏的哪一阶段.研究结果为提高判读Kaiser点的精度和岩石工程实际提供依据.

在某矿山进行现场空心包体套孔应力解除法试验，选用KX-81型空心包体式三轴地应力计进行原岩应力测试试验，套孔应力解除试验全过程中采用KJ327-F型矿山压力监测系统分站（全包体）自动记录和存储所测应变值.本次套孔应力解除试验选择在某矿山-171 m中段进行，为了保证所测原岩应力的准确性，应遵循以下原则^[12-15]：在同一测点应进行2次及以上套孔应力解除试验，套孔钻孔钻进方位角为52°，向上倾斜3°，测点埋深259 m，在所选择的测试点的巷道壁上钻进直径为130 mm的水平钻孔，水平钻孔的深度应为巷道宽度的3~5倍，套孔岩芯岩性为大理岩，如图 1所示，经率定试验得到套孔岩芯弹性模量E=74.852 1 GPa、泊松比μ=0.32.文中计算地应力的方法采用文献[1]的计算方法，计算得到的原岩应力结果见表 1，表 1中σ₁，σ₂，σ₃分别为最大、中间和最小主应力，σ_Z为根据套孔应力解除法测得测试点的应力经坐标转换计算出来的平行于钻孔方向的正应力，其值大小为18.87 MPa，该应力值也是后期室内岩石声发射试验中应力加载方向的原岩应力.同时取出套孔应力解除测试点的前端岩芯，如图 2所示，以便后期进行室内研究.

图 1(Fig. 1)

图 1 套孔应力解除岩芯 Fig. 1 Rock cores from overcoring relief method

表1(Table 1)

表1 套孔应力解除试验结果 Table 1 Measured results of stress of overcoring relief method

表1 套孔应力解除试验结果 Table 1 Measured results of stress of overcoring relief method 应力 应力值/MPa 方位角/（°） 倾角/（°） 最大主应力σ1 18.90 229.46 2.18 中间主应力σ2 9.10 -40.86 -8.31 最小主应力σ3 7.50 154.04 -81.41 σZ 18.87 / /  注：“/”表示无此项.

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图 2(Fig. 2)

图 2 声发射试验用的岩芯 Fig. 2 Rock cores for AE test

声发射试验用的岩样取自套孔应力解除试验测试点前端岩芯，要求前端岩芯段保持较好的完整性，且是无明显裂隙的套孔段，制作试样时应去除含有小孔的套孔段岩芯，如图 2所示，即将套孔应力解除试验测试点位置前后1 m范围以内所得完整性较好岩芯作为室内声发射试验所用岩芯，为了更好加工和减小误差，声发射试验的加载方向应平行于套孔钻孔方向，在江西省矿业工程重点实验室内采用DQ-4A型岩石切割机切割套孔应力解除测试点前端岩芯，采用M-200型双端面磨石机磨平端面，将岩样加工成规格为：长度30 mm，宽度30 mm，高度60 mm的长方体，岩样高度方向即为试件加载方向，即加载方向平行于套孔钻孔方向，该加载方向的原岩应力值通过套孔应力解除试验法测得大小为18.87 MPa，此次将套孔应力解除试验前端岩芯共加工成22个有效试件用于室内声发射试验，如图 3所示，其几何精度均满足试验标准.

图 3(Fig. 3)

图 3 岩石试件 Fig. 3 Rock samples

试验加载系统采用中科院武汉岩土力学研究所研发的RMT-150C岩石力学压力机，属数字控制式电液伺服试验机.声发射采集系统为美国物理声学公司（PAC）生产的PCI-Ⅱ型AE win声发射系统，如图 4所示，能对试验过程中声发射事件数、振铃计数、幅值、上升时间、时间、能量等参数和波形进行采集.

图 4(Fig. 4)

图 4 试验加载系统 Fig. 4 Test system of loading

试验时采用力控制，加载速率为0.2 kN/s，声发射探头为UT1000型，探头中心频率为60~1 000 kHz，声发射门槛值为50 dB，采样长度2 000，采样率为1 000 Hz，前放增益40 dB.试验过程中采集全过程声发射信号，直到试件破裂为止.

试验时在试件端部均匀涂抹少量黄油以减弱摩擦产生的声发射信号，同时将硅胶均匀涂抹在声发射探头，保证探头与试件耦合接触，如图 5所示.试件安装好以后，设置好声发射系统参数，试验时声发射系统与加载系统应同步开始进行采集数据.文献[16]指出为了突显Kaiser效应点，应尽量压制摩擦型声发射，突出破裂型声发射，建议在地应力测试中采用循环加载方式消除摩擦型声发射的影响，预压应力水平应超过预先估计的地应力，故此次试验采用分级循环加卸载的试验方法，第1次加载为10 kN（11.11 MPa），后卸载，为保证压力机稳定，卸载并未卸载到0 kN而是2.5 kN，而后再重新加载20 kN（22.22 MPa）超过套孔应力解除法测的地应力值18.87 MPa，各级循环加载的上限荷载依次为10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN，最终加载至试件破坏，卸载均卸载至2.5 kN，如图 6所示.文献[4, 17]的研究结果表明，利用2次加载的声发射判读Kaiser点具有相同的效果，故采用第2分级加载产生的声发射数据进行分析来判读Kaiser点.

图 5(Fig. 5)

图 5 声发射探头布置 Fig. 5 Distribution of sensors

图 6(Fig. 6)

图 6 载荷路径 Fig. 6 Loading path

确定Kaiser点.采用上述试验方法对22个岩石试件进行单轴分级循环加卸载声发射试验，得出试验结果曲线如图 7所示的试件有12个.做出试件在第2级加载过程中声发射累计振铃计数率—时间—应力的关系曲线，通过借助声发射累计振铃计数率与时间变化曲线的切线（图 7中浅色虚线所示）来判断Kaiser点.

图 7(Fig. 7)

图 7 通过Kaiser效应法测量得到地应力值 Fig. 7 Pre-stress values by Kaiser effect

图 7所示为第2级加载过程中，声发射累计振铃计数-时间-应力变化曲线，从图 7可知Kaiser效应明显，在10 kN（第1级加载应力上限）以前无声发射产生，当应力超过10 kN后，产生少量的声发射，随着应力的增加到原岩应力附近，声发射急剧增多, 表明岩石内部有新的微观裂纹产生并有损伤，岩石在原岩应力后，内部裂纹产生，产生大量的声发射，可通过声发射急剧增多点判读Kaiser点；通过对声发射累计振铃计数曲线作切线交点即为Kaiser点（图 7中浅色虚线所示），表 2列出了各有效试件通过Kaiser效应测得的地应力值，通过Kaiser效应测得的地应力为16.5~18 MPa小于通过套孔应力解除法所测地应力18.87 MPa，即有明显的Felicity效应.套孔应力解除法测得的地应力为峰值应力20 %~26 %，声发射Kaiser法测得的地应力为峰值应力的20 %左右，学者在研究岩石破坏过程中将岩石应力-应变曲线峰值前分为4个阶段^[18-19]：初始裂纹压密阶段（应力门槛值为20 %的单轴抗压强度），弹性压缩阶段（应力门槛值为40 %的单轴抗压强度），裂纹稳定增长阶段（应力门槛值为75 %的单轴抗压强度），裂纹加速增长阶段，文中通过声发射Kaiser效应法与套孔应力解除法2种方法测得的原岩应力为岩石峰值应力的20 %~26 %，处在岩石压密阶段后期或弹性阶段初期；表 2所列为通过Kaiser效应法测得的地应力与通过套孔应力解除法测得的地应力的误差，除试件DS-12误差为12.56 %，其余试件误差均在10 %以内，表明对于大理岩试件而言，声发射Kaiser效应法用于测量地应力具有较高的准确度，当应力加载到原岩应力附近时声发射信号会有明显变化，可通过原岩应力点附近声发射信号变化特征来研究地应力点处的损伤特征及其他特征.

表2(Table 2)

表2 不同方法确定的地应力 Table 2 In-situ stress value by different method

表2 不同方法确定的地应力 Table 2 In-situ stress value by different method 试件 声发射法 套孔应力解除法 地应力误差/% 峰值应力舰/MPa 地应力舰/MPa 地应力/峰值应力/% 地应力舰/MPa 地应力/峰值应力/% DS3 17.1 19.71 18.87 21.25 9.91 86 76 DS4 17.8 21.39 18.87 22.68 5.67 83 21 DS7 17.0 20.43 18.87 22.67 9.91 83 23 DS8 17.5 20.42 18.87 22.02 7.26 85 69 DS10 17.1 21.32 18.87 23.67 9.91 79 72 DS12 16.5 19.16 18.87 21.91 12.56 86 13 DS13 17.2 20.33 18.87 22.30 8.85 84 61 DS14 17.5 19.83 18.87 21.38 7.26 88 25 DS15 17.6 24.17 18.87 25.91 6.73 72 83 DS16 17.4 21.97 18.87 23.82 7.79 79 21 DS20 17.2 20.61 18.87 22.61 8.85 83 47 DS22 17.4 19.85 18.87 21.53 7.79 87 65

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通过对套孔应力解除试验前端岩芯大理岩进行单轴分级循环加卸载声发射试验，对第2级加载产生的声发射数据进行分析，通过声发射累计振铃计数率与时间变化曲线判读出Kaiser效应点，将经过Kaiser效应法判读的原岩应力与经过现场套孔应力解除试验法测得的原岩应力进行对比分析，得出以下结论：应力增加到原岩应力附近，岩石内部有新的微观裂纹产生并有损伤，声发射振铃计数急剧增多，可通过声发射振铃计数急剧增多点判读Kaiser点；通过声发射Kaiser效应法测得的地应力与通过套孔应力解除法测得的原岩应力相接近，误差较小在10 %以内，2种方法测得的原岩应力位于20 %~26 %的峰值强度之间，即原岩应力处于岩石内部孔隙裂隙压密阶段后期或弹性变形阶段初期，岩石内部有新的裂纹产生，此阶段产生的声发射为岩石第2次加载产生，声发射主要由岩石内部的微裂纹破裂产生.研究结果可为工程实际中判断原岩应力与峰值应力关系和提高通过声发射Kaiser法判读原岩应力精度提供主要依据，对采矿、水利等地下岩土工程设计具有重要意义.