深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析
旗山煤矿深部地应力测量及地应力场分布规律
旗山煤矿深部地应力测量及地应力场分布规律王波;高延法;朱伟【摘要】With the increasing of coal mining depth and intensity,the geostress plays more important roles in the displacement and damage of surrounding rock. It is very important to take geostress measurements and ana-lyze the distribution characteristics of the geostress fields in coal mining area. The geostress measurements have been conducted within the depths of - 1000 and - 850 m in Qishan Coal Mine by using stress relief method. The analysis of the measurement data indicates that: The geostress field in Qishan Coal Mine, in which the tectonic stress takes absolute predominance, is dominated by horizontal stress and belongs to typical tectonic stress field;The magnitudes of the geostress are super high stress level. The orientations of the maxi-mum horizontal principal stresses mainly concentrate on NW - SE121° ~ 140°,the average is 130 . Finally, combined with the tectonic movement to further explore the relationship between mining deep geostress field and geological structure.%随着矿井开采深度的增加，地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出，在煤矿矿区进行地应力测量，并分析地应力场分布规律具有重要意义。
深埋特长隧道水压致裂法地应力测量与分析
2017年第1期广东公路交通GuangDong GongLu JiaoTong总第148期文章编号：1671-7619 (2017)01-0045-05深埋特长隧道水压致裂法地应力测量与分析彭仙淼(广东省南粵交通投资建设有限公司，广州510101)摘要：对于深埋特长隧道，岩体的地应力状态直接关系到工程的稳定性。
准确地测量地应力，对于预测岩爆等工程地质灾害有着重大意义。
基于水压致裂法和室内岩体力学试验，研究了隧道围岩地应力状态，最后基于隧道地应力对岩爆发生的部位和等级进行了预测，为隧道的开挖与支护方案设计提供依据。
关键词：深埋特长隧道；地应力；围岩应力中图分类号:U456.2 文献标识码：B0概述地应力是指存在于地壳岩体内的未受工程扰 动的天然应力，亦称岩体初始应力。
它是导致地 壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用 力。
精确测量地应力对于预测岩爆、地震等工程 地质灾害有着非常重大意义。
岩爆是岩体中聚积的弹性变形势能在一定条 件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来 的现象。
它是岩石破裂过程的一种失稳形式，是 深埋特长隧道的主要地质灾害之一。
测量地应力 是研究围岩变形破坏机理和设计相关防治方案的 基本依据。
某高速公路位于粤东地区,穿越莲花山脉，将 建成全长6 175m的特长隧道，埋深最大达739m。
本文基于水压致裂法和室内岩体力学试验，分析 研究了隧道围岩地应力状态，基于隧道地应力对 岩爆发生的部位和等级进行了预测，为隧道的开 挖与支护方案设计提供依据。
1工程概况1.1工程简介该高速公路位于粤东地区，特长隧道是其控 制性工程。
隧道全长6 175m，最大埋深约739m。
隧址区受区域构造莲花山断裂带、莲花山断裂伴 生北西向断裂、桐子洋复向斜褶皱影响。
依据地 质调绘、遥感、物探及钻探资料，隧址区内分布多 条断裂。
1.2测试钻孔简介本次测试利用钻探孔CSZK14,使用水压致裂法进行地应力测量。
CSZK14钻孔地下水位约228m，钻孔靠近山脊部位。
水压致裂法地应力测量的几个问题研究
出现经典 的水 压致 裂压力 曲线 中破 裂压
力 Ｐ 与 重 张 压 力 Ｐ ， 的 明 显 区别 （ 如 图 １ ） ，而 是 出现 与 经 典 压 力 曲 线 中 第 一 次
压 裂后循 环加 压 曲线形状 类似 、峰 值相 仿 的情况 （ 如图 ２所示 ） 。 所 以 ，压 裂段 是否存 在原 生裂 隙或 其 他地质 构造 很容 易从压 裂循 环 曲线 中
ｌ 钻 孔 岩壁 上 原 生 裂 隙 的鉴 别 和 处 理
水压致 裂法 地应力 测量 的前 提之一 是钻 孔承压 段岩 壁上 的破裂缝 沿 岩壁拉 应力最 大部 位展 开ｌ ２ ｊ 。如
果压 裂段 的岩壁 上存 在原 生裂 隙或其他 地质 构 造 （ 包 括 软弱 带 ） ，就不 符 合 上述 基 本假 定 。在 这种 情 况 下 ，当压 裂段 承受 足够高 的液体 压力 时 ，初始 开裂很 可能 发生在 这些 部位 ，而不 再产 生新 的破裂 缝 。虽 然也 可根 据重 张压 力和瞬 时关 闭压力 计算地 应力 量值 ， 但 是瞬 时关 闭压力不 再是 原地 应力 场 中 的最小 水
平 主应力 ， 也 就不 能按 常规计 算最 大水平 主应力 ，压裂缝 方 向也并 非是最 大水平 主应 力方 下 ，高 压 水 无 需 进 一 步 克 服 岩 石 的 抗 拉 强 度 来 产 生 新 的 张 裂 缝 隙 ， 因 而 不 会
石油天然气学报 （ 江 汉石 油学 院 学 报 ）２ ０ １ ３ 年８ 月第３ ５ 卷第８ 期 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｏ ｉ ｌ ａ ｎ ｄ Ｇ ａ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ（ Ｊ ． Ｊ Ｈ ）Ａ ｕ ｇ ． ２ ０ ］ ３ Ｖ ｏ １ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． ８
地应力测量方法
为消除端部效应，试件两端浇铸由环氧树脂或其他复合 材料制成的端帽。
测试步骤
2、声发射测试
将试件放在单轴压缩试验机上加压，并同时监测加压过程 中从试件中产生的声发射现象。
4.2.3 水压致裂法
（2）加液压将孔壁
压裂与重开
PbPb
①P0-孔隙水压力或 地下水压力
②Pb-初始压裂压力 ③Ps-稳定开裂压力 ④Ps0-关闭压力 ⑤Pb0-重张压力
Pb0 Pb0
Ps
Ps
Ps0
Ps
Ps0
Ps
P0
P0
P0
图 压裂过程泵压变化及特征压力
4.2.3 水压致裂法
各特征压力的物理意义 ①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 ③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开
4.2.3 水压致裂法
P
3水压致裂应ຫໍສະໝຸດ 测量原理如果采用图所示的水压致裂 系统将钻孔某段封隔起来， 并向该段钻孔注入高压水， 当水压超过 3 2 和1岩石抗
拉强度T之和后，在 ＝ 0º处，
也即所在方位将发生孔壁开 裂。设钻孔壁发生初始开裂
时的水压为 ，则有Pi
Pi 3 2 1 T
4.2.3 水压致裂法
水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大 测深为5000m，这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用 来测量深部地壳的构造应力场。同时，对于某些工程，如露天边 坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应 力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的 地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。
水压致裂法地应力测量常见误差与修正
水压致裂法地应力测量常见误差与修正水压致裂法地应力测量常见误差与修正陈兴强 1，2（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），西安 710043）摘要水压致裂法地应力测量在深埋长大铁路隧道等工程领域应用广泛，但不同技术人员对同一地区测量的结果差异明显。
测量实例表明，压裂测量、印模定向试验和计算参数选取过程中会产生误差。
误差产生的原因主要有压裂段落存在原生裂缝、原始测量参数取值不合理等。
通过压裂曲线特征判定压裂段岩芯是否完整、选择初始破裂压力较高的段落进行印模定向试验、选择压裂完全的循环读取破裂重张压力、选择拐点明显的循环读取瞬时闭合压力等措施可有效降低误差。
本文推荐的处理措施可为工程勘察和设计提供更多翔实、可靠的地应力数据。
关键词铁路隧道；勘察设计；现场试验；地应力测量；水压致裂法；测量误差；误差修正水压致裂法由美国学者Hubbert等［1］提出，最初主要应用于油田，后来Scheidegger［2］、Kehle［3］和Haimson［4］等分别在理论研究、实验室测试、现场测试等方面做了大量的工作，证实了水压致裂法测量地应力的可行性。
相对其他地应力测试方法，水压致裂法具有测量深度大、所需力学参数少、测量准确度较高、操作简单等优势。
尤其是该方法测量深度可达地下数千米，是其他方法无法比拟的。
目前美国油田内最深测量已达5 105 m［5］。
因此，在开发利用深部空间过程中，水压致裂法几乎成为了地应力分析唯一可行的方法。
近年来，随着山区高速铁路的增多，该方法逐渐应用于解决铁路深埋隧道问题，并在拉林铁路、成兰铁路、兰渝铁路等重要铁路通道广泛应用［6］。
理论上，水压致裂法地应力测量有3个假设：①岩石是线性、均匀和各向同性的弹性体；②岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；③岩层中一个主应力的方向和钻孔轴线平行。
在上述理论和假设前提下，水压致裂法地应力测量的力学模型可简化为一个平面应变问题，即通过测得的相关参数，计算水平方向上的2个应力（最大水平主应力SH和最小水平主应力Sh），再通过垂向应力SV，从而得到测点地应力状态。
地应力测量方法
地应力测量方法1.水压至裂法水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。
水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。
常规水压致裂法(HF法)HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。
在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。
HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。
通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔 6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。
HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。
但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。
为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。
原生裂隙水压致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。
HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。
对于深孔三维地应力直接测量，HTPF 法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。
HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。
但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。
2.套钻孔应力解除法套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。
地应力的测量方法
地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。
1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。
目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。
KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。
1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。
电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。
因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。
惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。
（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。
因而有 I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。
测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。
某抽水蓄能电站水压致裂法地应力测试分析
一
（ 等＋ ｓ ） ｉ 一 ｎ ２
式 中 ：ｎ为 钻 孔 半 径 ，ｒ为 径 向距 离 ， 为 极径 与轴 Ｘ 的夹 角 ， ， 、 和 ｒ 分 别 为 径 向 应力 ，切 向应 力 和剪 切应 力 ， 和 。分 别 为钻 孑 横 截 面上最 大 和最小 主应 力 。 Ｌ 在孑 周岩 壁 （ － ａ Ｌ ｒ ）的应 力状 态 为 ：
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第 ７期 （ ３ ４ ） 第 １期
［ 章编 号］ １ ０ －８ ６ （０ ８ ０ —０ １０ 文 ０ ９２ ４ ２ ０ ） ７０ ０— ３
吉 林
水
利
２０ ０ ８年 ７月
某抽水蓄能 电站水压致裂法地应力测试分析
王 国 军
（ 东省 水利 电力勘 测设 计研 究院 ，广 东 广 州 ５ ０ ７） 广 １ １ ０
Ｏ 一 ３ Ｂ ０ — Ｐ ＇ ｏ ａ－ ＂ Ａ （） ６
由于深 孔 围岩存 在着 孔 隙水 压力 ，实 际上 岩 体 的 地应力 由有效应 力 （ 石 晶 格骨 架 所 承受 岩 的应 力 ） 和 孔 隙 水 压力 Ｐ （ 石孔 隙 中 的 液 体 ｏ 岩
［ 稿 日期 ］ ２ ０ —０ －３ 收 ０８ ３ １
［ 摘要］ 由于水压致裂法能在深钻孔 中测量岩石应力并且 具有花 费较 少的优 点， 因而得到 了广 泛的应 用。曩 量 原理表 Ｉ 明 ，水 压 致 裂 应 力测 量 过 程 中 的一 些 特 征 压 力点 ，如 破 裂 压 力 Ｐ 、 重 张 压 力 Ｐ 、 关 闭 压 力 Ｐ 等 与 岩 石 应 力 有 关 。 实例 ｂ ｒ ｓ
＝ ＝ ：
（） ２
水压 致裂 测试 时 ，施 加液 压 Ｐ ｗ产 生 的 附加 应力为 ：
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岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.4 April，2010
深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析
张延新 1，宋常胜 2，蔡美峰 3，彭 华 4
(1. 燕山大学 建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004；2. 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000； 3. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；4. 中国地质科学院 地质力学研究所，北京 100081)
均为 1.97，说明勘探区现今应力场以水平应力为主导。测得的 21 个印模中有 18 个点位于 NEE-SWW 向，3 个点
位于 NW-SE 向，符合本区震源机制解得出的挤压应力场方向，且与新构造活动所反映的区域构造应力场方向一致。
结合实际的地质条件和地层参数，在实测地应力结果的基础上，提出基于有限元三维地应力拟合分析法反演勘探
地应力测量是一项十分复杂的工作，其测试方
法很多，应力解除法和水压致裂法是 2003 年国际岩 石力学学会新推荐的 2 种地应力测试方法[4]。应力 解除法的测试深度较浅，并且需要足够的地下巷道 容纳设备[5]。水压致裂法是利用一对可膨胀的封隔 器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入 流体对该试验段增压，同时记录压力随时间的变化 过程，通过对实测记录曲线进行分析，得到特征压 力参数，再根据理论计算公式，求得测点处最大和 最小水平主应力值及岩石的水压致裂抗拉强度参 数，主应力方位可根据印模确定的破裂方位而定。 从理论上讲，水压致裂法没有测试深度限制，并且 特别适合于在矿山的初期勘探阶段应用[6～8]。因此， 万福煤矿地应力测量采用水压致裂法。
如何准确反映地下工程中的初始地应力场，是 地下工程面临的一个重要课题。一方面，现场实测 地应力是了解应力场最直接的途径，但是由于场地 和经费等原因，不可能进行大量的现场测量；另一 方面，地应力成因复杂，影响因素众多，各测点的 结果在很大程度上仅反映该点的局部应力，即测量 结果有一定的离散性。因此，为获得更为准确、适 用较大范围的地应力场，必须针对具体工程的地质 条件在实测地应力资料的基础上进行初始应力场的 反演计算[9，10]。目前，将实测点应力转化为场应力 的理论和方法主要有：边界载荷调整法、应力拟合 分析法、应力函数趋势分析法等[11～16]，其共同特点 是以实测地应力值为依据，建立地质模型，利用数 理统计原理，拟合出与实测应力值残差平方和最小 的地应力场。本文提出的基于有限元三维地应力场 拟合分析法，能够充分考虑研究区域复杂的地质条 件和引起地应力的主要因素，具有计算精度高、运 算速度快的特点。该法使实测地应力数据得到更广 泛的应用，从而把初始地应力的研究理论从点应力 阶段推向场应力设计阶段。
由于地下工程的复杂性和地下空间形状的多样 性，利用解析法进行工程稳定性的分析和计算几乎 是不可能的。随着高速计算机的应用和各种数值模 拟方法的发展，使地下工程成为一门可以进行定量 设计和分析的科学，但所有的计算及分析都须在掌 握地应力分布状况的前提下进行。
产生地应力的原因十分复杂，也是至今尚不十 分清楚的问题。40 多年来的实测和理论分析表明， 地应力的形成主要与地球的各种内动力地质作用和 外动力地质作用有关并受其影响。地应力场属于非 稳定应力场，它在空间的分布极不均匀，且随着时 间的推移不断变化。迄今为止，地应力场还很难用 函数形式来表达，要了解一个地区的地应力状态， 唯一的方法就是首先进行原位地应力测量。
2 测试技术和设备
为适应万福煤矿特殊的地质条件及深孔地应力 测量的要求，对传统的水压致裂地应力测量技术和 设备进行了系统改进(见图 1)。
收稿日期：2009–10–16；修回日期：2010–01–01 基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490271) 作者简介：张延新(1977–)，男，博士，1999 年毕业于河南理工大学采矿工程专业，现任副教授，主要从事地应力测量及岩土工程稳定性方面的 教学与研究工作。E-mail：zyx382@
4. Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China)
Abstract：Hydraulic fracturing is an efficient method for determining the stress field and is suitable at the early stages of projects when no underground access exists. Wanfu coal mine is located in the southwest of Shandong Province，China，which is prepared to construct with great annual coal capacity. The overburden soil layer is the alluvium of the Yellow River with the thickness of over 700 m. The depth of coal deposit is about 1 004.12 m. Determination of both the orientation and magnitude of in-situ stresses at great depth is quite difficult，so some new stress measurement techniques are employed. In the exploration area，a total of 37 hydrofracturing tests in 7 vertical exploration boreholes drilled from the ground surface are carried out. The results suggest that the maximum horizontal stress is dominantly oriented NEE-SWW. This stress direction is also in agreement with the direction derived from the focal mechanism in the area. At the same time，the maximum horizontal stress orientations are closely consistent with those in the general contemporary stress field in southwest of Shandong Province. The ratio of maximum horizontal principal stress to vertical principal stress is 1.44–3.22 with the average of 1.97 in 37 measuring points. It is shown that the prevailing stress field in Wanfu coal mine is controlled by the tectonic horizontal stress. Based on the geological conditions and rock mass properties，a 3D mechanical
摘要：万福煤矿是一座拟建特大型矿井，上覆冲积层厚度高达 700 m，主煤层平均埋深达 1 004.12 m。选择 7 个勘
探钻孔、37 个试验段进行深孔水压致裂地应力测量。为保证超千米深孔地应力测量的成功，对传统水压致裂法的
测试技术和设备进行改进，提高系统的耐压能力和测试精度。测孔最大水平主应力与垂直主应力的比值较大，平
第 29 卷 第 4 期
张延新，等. 深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析
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model is established and a regressive method for obtaining regional stress from limited stress data by using a 3D finite element method is proposed. According to the spatial distribution of the stress filed，the curves of principal stress for coal roof are plotted；and some adverse geological phenomena are discussed. Key words：rock mechanics；hydraulic fracturing method；in-situ stress measurement；regression of stress by finite
ZHANG Yanxin1，SONG Changsheng2，CAI Meifeng3，PENG Hua4
(1. School of Civil Engineering and Mechanics，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China； 2. School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China； 3. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；