地应力是岩体的赋存应力环境，对岩体的强度和变形有很大的影响，而岩体物理、力学性质的差异又会影响围岩局部应力状态。滨海岩石的赋存环境不同于普通的陆地地下岩石，海水通过对滨海岩石进行长期溶蚀作用不断改变其矿物成分与结构，进而改变其强度、刚度和渗透系数等物理力学特性。同时，渗透到海底基岩中的海水因地温较高而不断蒸发和浓缩，形成浅层咸水、基岩卤水和深层咸水，其盐度和腐蚀性远大于海水，因而滨海深部海水对岩石具有更强的腐蚀与劣化作用（Peng et al.，2019；Ma et al.，2007；Baptista et al.，2008），使得岩石的力学行为更加复杂，进而影响岩石的应力状态。因此，开展滨海矿区深部地应力、岩石力学参数随埋深变化规律及其相互关系的研究，对于滨海深部岩石工程的岩爆预测和支护设计等具有重要意义。

井巷工程和采场围岩的稳定性均与地应力有着非常密切的关系（罗超文等，2010）。当前关于深部围岩稳定性的研究主要关注地应力作用下岩石的大变形和强流变特性（毕业武等，2014）、能量特征和深部动态稳定性（严鹏等，2018），以及采动影响下的岩石力学特征（李夕兵等，2007）。考虑埋深的影响，国内外学者研究了埋深在1 200 m以内时，大陆不同深部地应力与岩石力学特征及其之间的关系，得出地应力随着埋深的增加呈非线性增加趋势，而岩石力学参数大致与埋深呈线性关系，研究结果为矿井井筒与巷道围岩支护提供了重要指导。随着我国对关键金属资源需求的增加，滨海深部金矿资源开发成为关注的焦点。滨海矿区与内陆矿区的显著区别是存在海水的渗流和腐蚀等影响。围绕这一问题，Peng et al.（2019，2015）以三山岛金矿西岭矿区为背景，开展了海水对岩石力学性质影响的研究，结果表明海水腐蚀作用对于滨海岩石的力学性质具有显著影响。然而对于滨海区域不同埋深下岩石力学性质和地应力特征及其相互关系的研究尚未涉及。

为此，本文以三山岛金矿西岭矿区为背景，开展不同埋深下地应力与岩石力学参数的测试，分析地应力与岩石力学参数随埋深的变化规律及其相互关系，为滨海矿区竖井开挖、矿区后期的开采设计及滨海类似深部工程建设提供指导。

三山岛金矿是目前我国探获的规模最大的金矿，现有勘探钻孔已探获382.58 t黄金，矿石平均金品位达4.52×10^-6。据估算，三山岛金矿的黄金资源总量将超过550 t，潜在经济价值将超过1 500亿元。三山岛金矿西岭矿区濒临渤海，地质条件复杂，在该区域进行地下岩体开挖的过程中，出现了不同于陆地上地下工程的各类现象，如饱水腐蚀岩体开挖后导致水力坡降变大而出现裂隙渗水，以及海下水的强腐蚀性导致支护结构的锈蚀（图1）。

为测试埋深对该区域岩石力学性质和地应力的影响，本文在现有勘探钻孔的基础上，选择ZK88-14 （h=1 509 m）、ZK88-21（h=1 940 m）和ZK94-2（h=1 670 m）3个钻孔作为测试钻孔，所选岩芯的埋深范围为300~1 900 m，各钻孔测试点之间的埋深间隔为100~300 m，采集岩芯的岩性均为花岗岩。考虑到海水的腐蚀性特征与深部岩石力学的重要性，钻孔深部的测试点间隔根据岩性和埋深特点进行综合确定，具体取样深度：ZK88-14钻孔为300，600，900，1 200，1 500 m；ZK88-21钻孔为300，600，900，1 200，1 500，1 800，1 900 m；ZK94-2钻孔为300，600，900，1 200，1 500，1 600 m。

在岩芯获取过程中，参照设定的取样深度，考虑岩芯损伤程度，避开含过多结构面和表面有缺损的岩芯，每个埋深测点选取岩性相同的岩芯，且同一埋深的不同岩芯间的间隔不超过1 m，单个岩芯长度大于等于200 mm。采集岩芯后进行封装，并运至实验室进行试样加工，如图2所示。

在自然条件下，当岩石受到一定程度的初始应力时，会产生相应的细微裂隙，通常认为该过程是不可逆的。加工好的岩石试件在试验机加载作用下受力，若试件受力小于其在埋藏状态下所受的力，将不产生或产生极微弱的声发射活动，若试件受力达到或超过试件在埋藏状态下所受的力，产生大量声发射活动，该临界点称为Kaiser效应突变点，其所对应的应力被认为是岩石的历史最大应力。

在取得不同深度钻孔岩芯后，需从岩芯4个方向钻取试件（Ma et al.，2007）。钻取试件后，将其制作成高径比为2∶1的圆柱形试件，试件直径为20 mm。试件精度符合GB/T 50266-2013（中华人民共和国住房和城乡建设部，2013）中2.7.4的规定。采用MTS815伺服材料试验机对不同钻取方向获得的试件进行加载，在加载过程中通过声发射仪器处理，并对声发射信号进行分析，进而确定Kaiser效应突变点，测得埋藏状态下试件所受应力的大小。最终确定每个试件的Kaiser效应突变点及对应的垂直主应力和其他3个方向的应力值。对于水平方向上的3个应力值，基于弹性力学原理进行计算：

式中：σ1、σⅡ和σⅢ为从正北向逆时针旋转0°、45°和90°方向的正应力实测值；σ1和σⅡ分别为水平方向上的最大、最小主应力，规定应力以压应力为正，拉应力为负；θ为水平最大主应力与正北向夹角，逆时针转到北方向为正。

随着地层深度的增加，岩石Kaiser效应突变点对应的应力会接近并超过岩石单轴抗压强度，对于裂隙较多的岩石试样，每个试样套上PVC管，用AB胶粘结加固后再进行声发射试验，试验以0.1 mm/min的位移控制方式加载直至试件破坏，如图3所示。

由于在自然条件下受到应力作用，岩芯内部已产生部分裂隙，将岩芯加工成试样后裂隙依然存在，因此本次试验对试件加卸载2次，以降低岩芯内部的裂隙闭合引起的误差。首次加载时随着应力的逐渐增大，裂隙逐渐闭合，会产生部分声发射活动；第2次加载时，在未达到Kaiser效应突变点之前声发射活动极少或不存在，因此以第2次加载试验首次出现声发射活动的点作为Kaiser效应突变点，如图4（a）所示。对于受节理裂隙的影响，在2次加载过程中难以判断Kaiser效应突变点的情况，可以通过观察绝对能量的突增点来判断Kaiser效应突变点，如图4（b）所示。随着地层深度的增加，岩石Kaiser效应突变点对应的应力会接近并超过岩石单轴抗压强度，这时给每个试样套上PVC管，用AB胶粘结加固后再进行声发射试验，如图4（c）所示，具体地应力测试结果见表1。

由地应力计算结果可以看出，随着埋深的增加，垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力随深度的变化趋势分别如图5~图7所示。可以看出，随着埋深的增加，垂直应力与自重应力逐渐增加，但是单位埋深增加量逐渐降低。垂直应力与自重应力随埋深的变化逐渐表现出显著的差异性，具体表现为当埋深到达一定程度时，自重应力大于岩芯的垂直应力，二者之间的差值与埋深呈正向关系，说明随着埋深的增加，深部岩石的声发射特征所受的影响越来越大。最大水平主应力、最小水平主应力与埋深均呈良好的幂指数增长关系，增长幅度随着埋深的增加而逐渐减小，相关性系数均大于0.8。

应力—应变曲线蕴含关于岩石力学性质的丰富信息（Baptista et al.，2008；李夕兵等，2019；左建平等，2011），图8给出了不同钻孔各个埋深的完整岩石典型应力—应变曲线。由图8可以看出，不同深度应力—应变曲线大致可划分为4个阶段：压实阶段、弹性变形阶段、非线性变形阶段和峰后应变软化阶段。在压实阶段，各埋深岩石试样的应力—应变曲线相似，该阶段试样的最大应变约为0.004，是极限破坏应变的50%，最大应力约为50 MPa，是峰值应力的30%。在弹性变形阶段，岩石试样的最大强度约为峰值强度的95%。在非线性变形阶段，岩石仅在较小的应变范围内发生塑性变形，而在岩石峰后应变软化阶段，岩石承载能力快速下降，表现出明显的脆性特征。

如图8所示，由于受埋深的影响，岩石的应力—应变曲线表现出显著的差异性，具体表现为抗压强度与弹性模量的不同。虽然岩石的抗压强度与弹性模量表现出较强的离散性，但是岩石的弹性模量、抗压强度与埋深均呈正向关系，如图9所示。具体表现为随着埋深的增加，岩石的抗压强度与弹性模量大致呈对数函数增加的趋势。当埋深达到一定值时，抗压强度与弹性模量逐渐接近于恒定值。这与大陆地下岩石强度特征随深度的线性变化趋势存在一定的差异（满轲等，2010；景锋等，2010；满轲，2011；林斌等，2017；周宏伟等，2010；仵彦卿，2000；姜晨光等，2004）。造成该现象的原因可能是由于海水对于三山岛金矿西岭矿区岩石具有较强的腐蚀作用（Peng et al.，2019）。渗透到海底基岩中的海水因地温不断蒸发与浓缩形成浅层咸水、基岩卤水和深层咸水，这将导致深部岩石受到的腐蚀作用逐渐增大，海水对于岩石的水岩作用不断增强（Ma et al.，2007），进而改变了滨海矿区不同埋深岩石的强度特征。

岩石的抗拉试验采用巴西法测定试样的抗拉强度，不同赋存深度下岩石的抗拉强度如表2所示。其中，岩石试样的拉伸应力—应变关系曲线如图10所示。由图10可以看出，不同钻孔各个埋深的拉伸应力—应变曲线与压缩应力—应变曲线呈现出大致相同的变化规律，所不同的是拉伸应力—应变曲线的压密阶段不明显。岩石的拉伸强度随着埋深的增加呈现大致增加的趋势，但是增加幅度远远小于岩石的抗压强度。

虽然滨海岩石试样的抗拉强度与埋深呈正相关关系，但是随着埋深的增加，滨海岩石试样抗拉强度增加的幅度逐渐降低，如图11所示。对比图9和图11可知，随着埋深的增加，试样抗拉强度的增加幅度逐渐降低，但是降低的程度小于试样的抗压强度，表明埋深对岩石抗拉强度的影响大于其对岩石抗压强度的影响。

地应力是岩体能量积累与释放的结果，岩体应力的上限必然受到岩石力学性质的限制。因此，开展不同埋深下岩石力学参数与地应力关系的研究，对于深部岩石工程的开挖设计具有重要意义。

总结上述研究结果，得出地应力与岩石弹性模量、抗拉强度及抗压强度之间的关系，如图12所示。

由图12可以看出，最大水平主应力、最小水平主应力与岩石的抗拉强度、抗压强度及弹性模量之间存在正向关系，随着地应力的增加，岩石的力学参数大致以对数函数的形式增加。最大主应力对于岩石力学参数的影响明显高于最小主应力，二者对于岩石力学参数影响的差异性随着地应力的增加逐渐增强，表明最大水平主应力对岩石力学参数的影响大于最小水平主应力。

由于最大水平主应力的大小最能反映岩石应力的积累程度，说明弹性模量较大的岩石有利于高应力的积累，这符合地壳极限应变学说（李光煜等，1979）。

结合工程实践与实验室测试，对埋深范围为300~1 900 m的滨海岩芯进行地应力和岩石力学参数测试分析，得出如下结论：

（1）随着埋深的增加，滨海矿区岩石的自重应力、垂直应力、最大水平地应力和最小水平地应力均随着埋深的增加呈近似对数关系增加。当到达一定深度时，岩石的垂直应力小于自重应力。

（2）统计意义上，滨海岩石力学性质与埋深呈对数关系，同一埋深岩石力学参数的离散性显著，埋深对岩石抗拉强度的影响大于其对岩石抗压强度的影响。

（3）滨海矿区地应力与岩石力学参数呈近似对数关系，最大水平主应力对岩石力学参数的影响大于最小水平主应力。