地应力及其测试技术

1、引言

岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。

由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了大量的工作，并取得一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。

虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。在高地应力的脆性岩体开挖时，甚至能发生岩爆现象。这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。

2、地应力的组成及其特点

2.1 地应力的组成

地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。前者是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。封闭应力是地壳经受高温高压引起岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力积聚封闭于岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。

2.1.1 自重应力

在地壳的原始应力场中，自重应力场是其重要组成部分。在20世纪20年代，德国科学家海姆就提出地壳一定深度的自重应力场解析解，且被广泛应用。

海姆理论应用弹性理论方法，并假设岩体为均质各向同性体，对于没有受到构造作用，产状较为平缓的岩层，在深度为H 处的垂直自重应力可按下式计算：

H z γσ=

式中 z σ—— 自重应力垂直分量；

γ—— 岩石容重；

半无限体中的任一微分单元体上的正应力x σ、y σ、z σ显然都是主应力，而且水

平方向两个应力与应变彼此相等，即，x σ=y σ，y x εε=

若假设半无限体中任一单元体上都不产生侧向变形，即0==y x εε 则有0)(=+-z y x

E E σσμ

式中，E 、μ分别为岩石的弹性模量与泊松比。

又由于x σ=y σ，所以上式可化为

x σ=y σ=z σμμ-1

若令K=μμ

-1则有

x σ=y σ=z K σ

式中，K 即为侧压力系数，在实验条件下所测定的泊松比为0.2~0.3，此时侧压力系数为0.25~0.4。

2.1.2 构造应力

构造应力是地质运动引起的，在构造运动结束之后，残留于岩体之中。在岩石圈的一定深度范围内, 岩体构造应力随深度不断增大. 在工程涉及的深度范围内, 这种随深度的变化梯度往往大于自重应力水平分量的变化梯度, 因此, 工程中构造应力随深度的变化是不能忽略的。但是，由于构造应力的复杂性，目前仍难以提出构造应力的理论解。

2.1.3 其它应力

除了自重应力和构造应力，地应力场还受地形、地貌、气温等因素的影响。

首先为温度应力，它随着距离地表深度增加，地温地热使得岩体性质改变，并产生附加应力。除此之外，地形、地貌，地壳剥蚀等因素也在一定程度上影响着地应力

场。

2.2 地应力场的特点

一般情况下，地应力场是一个三向不等压的空间应力场，其中主应力大小和方向是随空间和时间的变化而变化。特别是随时间变化更为明显。

2.2.2 垂直地应力的特征

一般情况下，在深度25～2700范围内，很多地区垂直地应力v σ大致等于平均密度为2.7g/cm 3计算出来的上覆岩体的自重。但是，在某些目前正在进行的构造运动的地区，v σ可能显著大于上覆岩体自重的结果。

初始应力场的垂直应力分量并非与地表垂直，多数有10°左右的偏角。而且，垂直应力常常是主应力之一。但是，与单纯的自重应力场不同的是，v σ大都是最小主应力，少数为最大或中间主应力。

2.2.2 水平地应力的特征

岩体中水平地应力的分布和变化规律是一个比较复杂的问题。根据已有实测结果分析，岩体中水平地应力主要受地区现代构造应力场的控制，同时还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸载作用、现代构造断裂运动、应力调整和释放以及岩体力学性质等因素的影响。岩体中的水平地应力可以概括为以下特点。

（1）水平应力以压应力为主，很少出现拉应力，且拉应力多具有局部性质。

（2）水平应力一般大于垂直应力。

（3）两个水平应力max ,h σ和min ,h σ通常不等。一般来说，min ,h σ/max ,h σ的值随地区

不同而变化。起范围为0.2～0.8。

（4）最大与最小水平应力随深度增加而增大，但是变化的梯度在不同地区不一

样。

（5）在单薄的山体、山谷附近以及未受构造变动的岩体中，水平应力均小于垂

直应力。

2.2.2 水平地应力与垂直应力的比值的特征

地应力场中，水平应力与垂直应力之比定义为比值系数，用λ表示。世界各地的测量结果表明，绝大多数情况下，平均水平应力与垂直应力的比值为1.5～10.6。应力比值随深度的增大而减小。对于不同地区，λ值略有差异，但其变化范围基本上介于下述不等式所圈定的范围内：

Z Z 1500

5.0100

3.0+≤≤+λ

式中，Z 为实测应力的深度，以m 为单位。

根据国内外应力测试资料得出，距地表一定深度后，值逐渐趋于1，即水平应力与垂直应力相等，且都接近自重应力。由此可知，较大深度时，应力状态接近于静水压力状态，这也是海姆早就指出的情况。他指出，在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的质量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。

3 地应力的测量

在工程设计时，岩体中地应力大小以及其分布状态，是不可缺少的重要资料之一。但是由于地应力不易计算，所以最好的办法是现场测量。此外，即使在工程建成后的使用阶段，为了监测岩体中应力的变化和活动情况以及对理论计算进行校核，也需对地应力进行测量因此，地应力的测量一直是一个重要的工作。

由于地应力是一个非可测的物理量，它只能通过测量应力变化而引起的诸如位移、应变或电阻、电感、波速等可测物理量的变化值，然后通过某种假设反算出其应力值。目前国内外主要用的地应力测量方法有：水压致裂法、扁千斤顶法和钻孔套心钻孔应力解除法等3种方法。本文将着重介绍水压致裂法。

水压致裂法是20世纪70年代发展起来的一种地应力测量方法，该方法是国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力推荐方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可进行连续或重复测试、测量速度快、测量值可靠等特点,近年来得到了广泛应用,并取得大量的成果。

3.1 测量原理

水压致裂法地应力测量利用一对可膨胀的橡胶封隔

器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该

段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应

力。如左图所示。

水压致裂法原地应力测量是以弹性力学为基础，并以

下面3个假设为前提：

(1)岩石是线弹性和各向同

性的；

(2)岩石是完整的，压裂液

体对岩石来说是非渗透的；

(3)岩层中有一个主应力的

方向和孔轴平行。

在上述理论和假设前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个平面应力问题,如下图所示。

当钻孔存在孔隙压力时,可以将主应力分解为有效应力(即岩石晶粒格架承受的应力)和孔隙压力(即岩石孔隙中的液体压力)，即

0max ,max ,p h

h +'=σσ 0min ,min ,p h

h +'=σσ 0p v

v +'=σσ 式中: max ,h σ和min ,h σ分别代表最大和最小水平主应力; v σ代表垂直主应力; max ,h

σ'和min ,h

σ'分别为最大和最小有效水平应力; v σ'为垂直有效应力; 0p 为孔隙压力。地壳中某一点的应力状态，一般来说可用三个主应力分量

max ,h σ、min ,h σ和v σ来表

示。在上图中，相当于有两个主应力1σ和2σ,作用在有一半径为a 的圆孔的无限大平板

上,根据弹性力学分析，当r=a 时，即圆孔壁上的应力状态

0=r σ

θσσσσσθ2cos )(2)(2121--+=

0=θτ

由上式可知，上图（b ）所示的孔壁A 、B 两点，及其对称处的应力集中分别为

123σσσσ-=='A A

213σσσσ-=='B B

假设1σ=max ,h σ、2σ=min ,h σ。当泵入高压后，在钻孔内壁作用有内水压力p c ，则拉裂时A 破坏的条件为

t c h h p σσσ-=--1max ,min ,3

式中，t σ为岩石的抗拉强度。

在孔壁拉裂隙形成以后，如果要继续维持拉裂隙张开而又不进一步扩展，则水压需要满足以下条件：

s h p =min ,σ

式中，p s 为为稳定裂隙而不张开需维持的水压。

联立上面两式，可解得水平天然应力为

1min ,max ,3c h t h p -+=σσσ

h p =min ,σ

式中，1c p 和s p 都是试验测得的，t σ是孔壁岩石的抗拉强度，可由试验确定。因此，通

过水压拉裂试验可以求出max ,h σ和min ,h σ的值。

3.2 水压致裂法步骤

水压致裂地应力测量首先用橡胶封隔器封隔选定测量段，再向封隔段内注入高压水，直到将孔壁岩石压裂。它是在成岩良好的坚硬岩层中进行的，并假定：岩石是均匀的，脆性和各向同性的线弹性体；钻孔与三个主应力之一平行(三主应力方向之一接近垂直向，故一般取垂直孔)；当岩石为多孔介质是，注入流体按达西定律在岩石孔隙中流动。先对钻孔岩心作分析，选择岩体完整性好的孔段作为测量段，用一对可膨胀的橡胶封隔器将测量段封隔起来，然后通过耐高压的钻杆向测量段连续注入高压水，并不断增压直到测量段岩石压裂产生裂缝。此后进行多次破裂缝的重张循环试验，以取得可靠的应力参数。在每个压裂、重张过程中，连续记录压力随时间的变化曲线，根据压力随时间的变化曲线可计算出各钻孔横截面上的应力。试验过程如下:

(1)封隔测量段：把一对封隔器用送进杆安放到需要测量的孔段位置，启动高压油泵，使封隔器膨胀。

(2)岩石破裂：转换油路开关，再开动高压油泵，向测量段连续注入高压水，

使测量段内的液体压力不断增大。当测量段孔壁上的切向有效张应力等于或大于岩石的抗张强度时，就会在孔壁上产生裂缝。

(3)关泵：当破裂形成后，继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径

深度时，关闭高压油泵，保持压力恒定，这时，便得到了破裂面处于临界闭合时的平衡力，也就是垂直于破裂面的主应力，即瞬时闭合压力。

(4)卸压:在测量出瞬时闭合压力之后，即进行卸压，地面泵压降为零。此后，在压裂段孔内，不再承受外加的液压作用，上述水压所形成的破裂面处于完全闭合状态。

上述四个步骤是水压致裂法地应力测量的基本操作程序。每个测量段都要进行3~4次循环操作，以便取得合理的压裂参数以研究岩石破裂和裂缝延伸的过程。

(5)印模：钻孔横截面上主应力的方向，即水压破裂面的方向确定是采用一套自动定向印模器，直接将孔壁上的破裂痕迹印模下来。据此，便可得到裂缝破裂的形态和方向。

3.3 水压致裂法的优点

与其他应力测量方法比较，钻孔水压致裂法具有以下优点。

（1）测量深度较深。

（2）资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石弹性参数取值不准

确引起的误差。

（3）岩壁受力范围较广，可以避免“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影响。

（4）操作简单，测试周期短。

4、结论

本文论述了地应力的特点及其测试技术。主要阐述了以下几点内容：

（1）地应力是由构造应力、岩体自重应力以及温度变化引起的温度应力等组成的。其中，构造应力是地应力的主要组成部分，它在很大程度上决定着水平应力与垂直应力的比值。自重应力地应力的重要组成部分，它跟上覆岩体的质量成正比。

（2）地应力场是一个三向不等压的空间应力场，其中，垂直应力常常是主应力之一，而且大都是最小主应力，少数为最大或中间主应力。岩体中水平地应力主要受地区现代构造应力场的控制，且一般大于垂直应力。

（3）地应力场中，水平应力与垂直应力的比值在1.5～10.6之间。应力比值随深度的增大而减小。在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的质量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。

（4）由于地应力不易计算，获取地应力场情况的最好办法是现场测量。目前国内外主要用的地应力测量方法有：水压致裂法、扁千斤顶法和钻孔套心钻孔应力解除法等3种方法。

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《岩石力学》地应力及其测量

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。 2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。 3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即???= ????=???? 金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认为这个系数等于?? 1-??，即????=????，???=?? 1-?? ???? 4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。 5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。 6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即????=????。重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。构造应力主要表现为以水平应力为主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。 8. 简述地应力场的分布规律答：1）地应力场的特性（1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场（2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 2）垂直应力的分布规律在深度为25~~2700m的范围内，????呈线性增长，大致相当于按平均容量??γ等于273kN???-3?计算出来的重力????。 3）水平应力的分布规律

地应力测试步骤、所需仪器及注意事项总结——张念超

地应力测试步骤、所需仪器及注意事项总结从淮南到淮北，地应力测试做了五个孔了，成功率60%。虽然成功率刚刚过半，但这都是我们课题组在没有任何前辈莅临指导的情况下，经过多个井下不眠之夜，独立摸索完成的。虽然做地应力测试比较苦，但是虽苦犹乐，因为我们又掌握了一样新知识，新技术。现根据我们在朱集矿和孙疃矿做地应力测试的情况，总结经验吸取教训，总结地应力测试步骤、所需仪器及注意事项如下： 1、地质钻打孔。 1.1步骤： (1) 地点选取。选取整体岩性较好区域的巷道，安设测点。测点巷道内应水电方便，地质钻工作时应不影响巷道运输。 (2) 打孔取芯。使用75/105型地质钻机，配直径为42mm/50mm的接长钻杆，并运用特制的取芯套筒（长度为2m和1m，直径为127 mm）及平钻头（直径为127 mm），在所测巷道岩壁上打直径为127 mm的水平钻孔，至巷道跨度的2～3倍深处，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。当钻孔至预定长度时，取出岩芯，并编号套袋保护岩芯。 (3)打空心包体孔。利用自备的钻头（直径为127 mm），其上带有长370mm，直径36mm的小钻头，打同心小孔并取岩芯，同时将孔底磨平，并用锥形钻头打出7cm长的喇叭口，小孔深35～40cm。此小孔一杆打到底，钻孔过程中，必须利用2m长岩芯管定向。 (4) 冲洗钻孔。小孔成形后，抽出钻杆5cm，用钻机的水管冲洗。 1.2注意事项 (1) 钻孔要稍向上倾斜，并测量倾斜角度确切数值，一般控制在3°~5°，以便排水并易于清洗钻孔； (2) 打孔要一次用一种钻头，不要先打孔再扩孔，因为孔长度较大，容易导致两钻头轴向不在同一条直线上，进而产生台阶，安装时定位器会被卡住，孔就废掉了。 1.3仪器准备 (1) 矿方准备：75/105型地质钻机；42mm/50mm钻杆；长度2m和1m，直径127 mm 取芯套筒；直径127 mm平钻头，岩芯箱：1000mm×500mm×150mm。 (2) 矿大自备：记号笔；记录本；塑料袋；直径127 mm带有直径36mm的小钻头

地应力与地应力测量方法简介

地应力与地应力测量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起

地应力测量

地应力测量的国内外研究现状 0 引言地应力（in-situ stress），又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场（雷化南，等译.1976）。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。因此，岩石中的原地应力是由主动施加的力和积蓄的残余应变两者引起的。地应力测量（In situ stress measurement），就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测量是一项综合性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地完成，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。即使如此，地应力测量中也往往会出现同一测点测量值分散的情况。地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。 1 地应力测量在国外发展概况及研究现状人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于20世纪30年代。1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝(HooverDam)下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。此后，地应力测试技术一直停留在岩体表面应力测量上，发展十分缓慢，在20世纪50年代，哈斯特(Hast)采用应力解

矿山地应力测试方案

- 矿山地应力测试工作方案省XXXXXX勘察院 2015年4月

目录 1 前言 (2) 2 地应力的基本原理 (2) 2.1 地应力的基本概念 (2) 2.2 地应力的组成部分和影响因素 (3) 2.3 地应力场的变化规律 (5) 2.4 我国地应力场的区域划分 (8) 3 水压致裂法试验介绍 (9) 3.1 水压致裂法基本原理 (9) 3.2 水压致裂法地应力测量的主要设备 (14) 3.3 水压致裂法测试步骤 (15) 4 测试结果 (17) 4.1 参数确定 (17) 4.2 现场实测 (18) 5 测试成果综合分析 (21) 5.1 试验结果的可靠性分析 (21) 5.2 最大水平主应力的量级 (21) 5.3 最大水平主应力的方向 (21) 5.4 侧压系数及应力构成分析 (21) 5.5 分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系 (22) 6 地应力场反演分析 (23) 6.1 有限元数学模型多元回归分析法基本原理 (24) 6.2回归结果分析 (25)

1 前言地应力是引起采矿和其他各种地下或露天岩土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，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。地应力是所有地下工程，包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力。在没有开挖工程扰动的情况下，岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖，打破了原始平衡状态，导致地应力的释放，从而引起岩体的变形和向自由面的位移，引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏，这就是地压形成的过程和机理。因此，从本质上来定义，地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与岩体的受力状态、岩体结构和重量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。 2 地应力的基本原理 2.1 地应力的基本概念蓄存在岩体部未受扰动的应力，称之为地应力(Insitu stress 或Geostress)，它是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其它固体如土体的最基本特征。地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆(Heim ，1905-1912)提出。他认为，岩体中有应力存在，并处于近似静水压力状态。应力的大小等于上覆岩体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于H γ(γ为岩体的重度，H 为研究点的深度)。此后，金尼克(1926)又根据弹性理论分析，假定岩体是均匀、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为H γ，而水平应力应等于H γμμ -1的假说(μ为岩石的泊松比，μ μ-1为侧压系数)。按照金尼克的理论，海姆假说只是金尼克假说在5.0=μ时的一个特例。然而，随着地应力现场实测资料的积累，表明在浅层的地应力并不

流变应力恢复法地应力测试技术.

深部软弱围岩地应力测试的流变应力恢复法原理与技术刘泉声1，张程远2，朱元广2，蒋景东1 （1武汉大学土木建筑工程学院岩土与结构安全湖北省重点实验室，湖北武汉 430072； 2 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉，430071）摘要：针对煤矿深部软弱围岩地应力难以测量的技术难题，基于深部围岩在高应力作用下具有强流变性的特点，提出了一种地应力测试新方法——流变应力恢复法地应力测试技术。该方法的提出基于如下假设：在深部巷道软弱围岩中钻孔埋设岩体压应力传感器，由于围岩的强流变特性，传感器附近围岩的应力会随时间逐渐恢复，传感器感受到的应力随时间逐渐上升并最终趋于稳定，可以根据传感器的实测应力来分析围岩的初始应力状态和巷道围岩应力分布的演化。该方法的分析原理是：在巷道围岩的钻孔中某一点，在位于两个完全不同轴的直角坐标系oxyz 和'''ox y z 上放置两个三向岩体压应力传感器A 和B ，通过实测可以得出测点处位于oxyz 和'''ox y z 两个坐标系中的六个正应力分量x σ，y σ，z σ和'x σ，'y σ，'z σ，在已知oxyz 和''' ox y z 坐标轴方向余弦的条件下，即可通过应力分析的转轴公式求解得出该测点处位于oxyz 和'''ox y z 两个坐标系中的六个剪应力分量xy τ，yz τ，zx τ和'xy τ，'yz τ，'zx τ，从而确定该测点的应力状态。该方法不需要对岩体的力学性质做出任何假定，也不需要知道被测岩体的本构关系，仅需在测点处放置两个完全不同轴的三向压应力测试传感器，通过应力分析的坐标转换公式求解同一点两个完全不同轴坐标系的六个剪应力分量，从而严密确定一点的应力状态。基于该方法的原理，研发了三向岩体压应力传感器、现场测试的孔内推送定位装置和注浆固定材料技术等一整套技术，并获得中国国家发明专利和澳大利亚国际发明专利。采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，研究了三向岩体压应力传感器埋入围岩介质后的嵌入效应及其自身的感知性能，建立了三向岩体压应力传感器实测应力与围岩介质初始应力状态之间的数学关系。在平顶山矿区深部巷道的现场测试说明了该方法的有效性。关键词：煤矿深部巷道，软弱破裂岩体，地应力；流变应力恢复；三向压力传感器；嵌入效应。 The Principle, technology and instrument of rheological stress recovery method for geostress measurement in deep soft rock LIU Quansheng 1, ZHANG Chengyuan 2, ZHU Yuanguang 2, JIANG Jingdong 1 (1. School of Civil Engineering & Key Laboratory of Geotechnical and Structural Engineering Safety of Hubei Province, Wuhan University, Wuhan, Hubei, 430072, China; 2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei, 430071, China) Abstract: For the technical problem that it is difficult to measure the geo-stress in soft and fractured rock surrounding deep roadways in coal mines, a new geo-stress measurement technique called rheological stress recovery method is proposed. It is based on the observations that the soft surrounding rock shows a strong rheological property due to high stress in deep roadways. According to this method, it is assumed that if 3D compressive stress sensors are embedded in the boreholes, the stress of surrounding rock nearby the stress sensors will gradually recover and the stress measured by the stress sensors will gradually increase to a stable value as a result of the strong rheological property of surrounding rock. Then, the in situ stress and the performance of stress distribution can be analyzed by the measured stress. The analysis principle of this method is embedding two 3D pressure cells A and B at a point in the borehole with totally different directions to measure six independent normal stresses x σ,y σ,z σ,'x σ,'y σ,'z σin two different Cartesian coordinate system firstly, and then calculating six independent shear stresses xy τ,yz τ,zx τ,'xy τ,'yz τ,'zx τto determine the stress state at the point by coordinate transformation formula with angels measured in advance. Neither it is necessary to assume the mechanical property nor to know the constitutive equation of the rock. Only two 3D pressure cells have to be embedded nearby with different directions. Based on this method, a three-dimensional vibrating wire 3D compressive stress sensor and corresponding installation devices are developed. The measurement performance of the 3D

矿山地应力测试方案样本

- 矿山地应力测试工作方案湖北省XXXXXX勘察院 4月

目录 1 前言............................... 错误!未定义书签。 2 地应力的基本原理 ....................... 错误!未定义书签。 2.1 地应力的基本概念 ..................... 错误!未定义书签。 2.2 地应力的组成部分和影响因素............ 错误!未定义书签。 2.3 地应力场的变化规律 ................... 错误!未定义书签。 2.4 中国地应力场的区域划分 ............... 错误!未定义书签。 3 水压致裂法试验介绍 ..................... 错误!未定义书签。 3.1 水压致裂法基本原理 ................... 错误!未定义书签。 3.2 水压致裂法地应力测量的主要设备......... 错误!未定义书签。 3.3 水压致裂法测试步骤.................... 错误!未定义书签。 4 测试结果 ............................... 错误!未定义书签。 4.1 参数确定 ............................. 错误!未定义书签。 4.2 现场实测 ............................. 错误!未定义书签。 5 测试成果综合分析 ....................... 错误!未定义书签。

5.1 试验结果的可靠性分析 ................. 错误!未定义书签。5.2 最大水平主应力的量级 ................. 错误!未定义书签。5.3 最大水平主应力的方向 ................. 错误!未定义书签。5.4 侧压系数及应力构成分析 ............... 错误!未定义书签。 5.5 分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系错误!未定义书签。 6 地应力场反演分析 ........................ 错误!未定义书签。6.1 有限元数学模型多元回归分析法基本原理... 错误!未定义书签。6.2回归结果分析........................... 错误!未定义书签。

地应力知识

地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。30多年来的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。 1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。2地幔热对流引起的应力场由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。 3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全

等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。 5地温梯度引起的应力场地层的温度随着深度增加而升高，一般为a=3℃/100m。由于地温梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一。6地表剥蚀产生的应力场地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度引起的自重应力还要大得多的水平应力值。因此，在某些地区，水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。二地应力的研究观点对地应力的研究已有一百多年的历史了，但总的说来，现在主要有三种观点： 1“静水应力式”分布的观点它最早是海姆(Heim)于1878年提出的“静水压力”假说。以后（1905~1912年），又提出相应的应力计算公式。1925年，金尼克也提出了弹性理论计算法及相应的公式。但事实表明，它们只能适用于一定的环境条件下，如，埋深较大的未受到扰动的地层。

地应力与地应力测量方法简介

3.1 地应力与地应力测量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起

地应力检测(1)

1、地质雷达检测隧道支护情况包括隧道衬砌厚度是否满足设计要求、钢筋保护层厚度是否满足设计要求、隧道衬砌钢筋布臵是否满足设计要求、隧道衬砌钢架布臵是否满足设计要求、隧道衬砌的密实情况（包括二衬背后脱空及初支背后空洞、不密实）。评判标准：《公路工程质量检验评定标准》（GTG F80/1-2004）；参考《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB10233-2004）。 2、地应力检测我国地应力测量试验和研究开始于20世纪50年代后期，迄今为止，地应力测量的主要方法虽然很多，但尚未形成统一的分类标准．根据测量数据特点的不同，地应力测量大体分为绝对应力测量和相对应力测量．前者主要是确定地壳应力背景值，即主应力的大小和方向；后者则是观测应力随时间变化的动态变化规律，通常也称为地应力监测．根据测量基本原理的不同，绝对应力测量方法又可分为直接测量法和间接测量法．所谓直接测量法就是利用测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系直接换算得到原岩应力值．间接测量法则是借助某些传感元件或媒介，测量和记录与岩体相关物理量的变化（如密度、泊松比、弹性波速等变化），然后通过相应的公式换算间接得到原岩应力值．目前，较为常用的绝对应力测量方法主要有水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法、套芯应力解除法、应变恢复法等．其中，前3种方法属于直接测量方法，后2种方法属于间接测量方法．相对应力测量方法包括压磁法、压容法、体应变法、分量应变法及差应变法等．我们采用水压致裂法地应力测量存在的问题与展望：随着我国工程建设不断向深部发展，地应力测量及监测正面临着严峻的考验．与发达国家相比，尚存在许多问题与不足．首先，在宏观层面上存在的问题与挑战有：第一，测量和监测深度不足。目前，国际上最大地应力测量深度已达5100m．在德国的KTB深钻及美国的SAFOD计划中，应力测量深度一般达到2000～3000m；日本也建立了数10座深度为1000～3800m的深井观测台站．我国的绝大部分应力测量深度仅数百米，超过1000m的深井观测极为稀少，这严重制约了测量数据在空间上的代表性．第二，缺乏合理系统的地应力监测网络．我国虽然积累了大量的地应力测量数据，但数据分布不均且质量参差不齐，地应力监测台站少、布局不合理，

地应力及其测试技术

地应力及其测试技术 1、引言岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了大量的工作，并取得一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。在高地应力的脆性岩体开挖时，甚至能发生岩爆现象。这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。 2、地应力的组成及其特点 2.1 地应力的组成地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。前者是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。封闭应力是地壳经受高温高压引起岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力积聚封闭于岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。 2.1.1 自重应力

地应力与地应力测量方法简介

地应力测量方法共6页

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。探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法。孔壁应变法孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设，通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力。孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法。CSIR型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中。空心包体是将应变元件贴到薄筒壁中，再用胶将薄筒和孔壁粘结。还有一种实心圆柱式包体技术，由于受包体材料和岩石物理力学性质差异影响大，已基本不用。孔壁应变法最大的优点是单孔单点可准确测量岩体的三维地应力，缺点是:对岩石的完整性要求高，岩芯解除长度大于40～60 cm，并且在岩芯易饼化时测试很难成功；存在应变元件的粘贴、防潮、全过程测量和定向等问题;受温度变化、岩性差异影响大，测量结果离散性大。

应力解除法测试地应力

应力解除法测试地应力应力测试方法与原理 1测试方法测试采用应力解除法，测试系统构成主要是YJ—H4静态电阻应变仪和36—2型四分向钢环式钻孔变形计(简称“变形计”)，利用变形计测量岩体内某点的空间应变大小和方向。安装在钻孔内的探头上粘贴有4个薄壁钢环(电阻应变片)，变形计是通过感应元件的触头与钻孔岩壁紧密接触来接受孔径变形讯号，由应变计测量变形变化量，然后根据率定曲线换算为孔径变形。此种测量法的突出特点是感应元件安装在变形计的内部，不与钻孔岩壁直接接触，因此变形计可在室内预先安装、设定，不仅在现场操作简便，可以重复使用，而且测量元件具有良好的线性、稳定性及防水性能。 2测试原理套钻孔径应力解除法的应力测量是建立在弹性理论的基础上，而岩体为裂隙介质，并非理想的弹性体，如果岩体完整或比较完整而应力又不太高时，岩体介质可作线弹性体假设。测量时根据被钻进切割的岩芯的弹性恢复(应变或变形)来计算地应力大小和方向。变形计的结构元件主要是贴有电阻片应变计的圆钢环，4个圆钢环放置在钢环特制架上，4个钢环分别呈45。夹角。试验时每对钢柱塞触头，一端压在钢环上，另一端伸出元件的外套与小孔径钻孔孔壁紧密接触，钢环受力变形，通过解除岩芯前后的变形或应变差值获取文、晚、是、盈四个变形量，由此可以计算出岩体中钻孔横截面上平面主应力大小和方向。 3现场试验 1主要测试仪器设备及材料的配备 (1)每个测量断面配置不少于5支936～2型变形计； (2)YJ--H4静态电阻应变仪(附预调平衡箱)1套，16芯屏蔽电缆1500m； (3)惠斯登电桥1台； (4)钻孔定向器1套； (5)应变计率定架1套； (6)钻机1部(含若干万36mm、万130ram钻具及钻头)； (7)水泵1台； (8)钻孔弹模率定器l套。在进驻测试现场前，除测试仪器、设备及材料配备齐全外，有关的测试仪器必须进行计量鉴定，鉴定合格后才能进行测试；同时要对各个变形计上的钢环进行位移与应变关系曲线率定。 4 测点布置及要求测点的位置如图1所示。左洞掌子面里程ZK41+545，右洞掌子面里程 YK41+567。

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。电桥不平衡时，G的电流IG与R1，R2，R3，R4有关。利用这一关系也可根据IG及三个臂的电阻值求得第四个臂的阻值，因此不平衡电桥原则上也可测量电阻。在不平衡电桥中，G应从“检流计’改称为“电流计”，其作用而不是检查有无电流而是测量电流的大小。可见，不平衡电桥和平衡电桥的测量原理有原则上的区别。利用电桥还可测量一些非电学量。 1）根据惠斯顿电桥的原理自行设计并制成1个应变一电阻一电压转换装置，在每一桥路中，除工作应变桥臂外，其他3个桥臂均为电阻，其温度系数为1×10.6／℃，这样电阻在温度变化1℃时只产生5 X 10～P变化，从而可以忽略不计。 2)增加1个热敏电阻，在应力解除过程中连续不断地测量测点的温度变化。 3)在每一次应力解除完成后，进行温度、应变标定试验，为计算地应力给出正确的测量数据。测点的布置测点布置测点应布置在裂隙、孔隙少且均匀致密的完整岩体中，且不受开采影响的区域，一般选择在开拓巷道或专门硐室内布置测试钻孔。钻孔要施工到巷道或硐室扰动应力场范围之外，避开巷道和采场的弯、叉拐、顶部等应力增高区，保证应力测点处于原岩应力区，钻孔深度一般

地应力测试及其在勘探开发中的应用

综述地应力测试及其在勘探开发中的应用葛洪魁林英松王顺昌 (石油大学石油工程系,山东东营257062)(石油物探局) 摘要对国内外地应力测试与应用工作现状进行了综合分析。论述了地应力的分布规律、地应力的矿场和岩心测试方法、地应力的计算及其在油气勘探开发中的应用等。分析了水力压裂法、井壁崩落法、声发射法等地应力测试方法的原理、应用范围及计算方法,对目前应用的测试方法中存在的问题进行了研究,并指出了进一步发展的方向及需要解决的主要问题。结合油气勘探开发的需要,对油田开展地应力研究问题提出了建议。主题词岩石应力;测试;水力压裂;声发射;开发方案;裂缝;预测;定向射孔中图法分类号T E21;P554X 第一作者简介葛洪魁,男,1963年生。副教授,1989年获硕士学位,现在攻读博士学位。主要从事岩石力学、地应力等方面的研究。引言石油形成并赋存于地壳岩石中。地应力的大小及其变化是控制油气富集区分布、水力压裂裂缝扩展、储集层裂缝分布、油井套管长期外载以及钻井地层破裂压力、坍塌压力等项参数的因素之一,也是油气田开发方案的制定及油井工程设计必不可缺少的基础数据。认真分析研究国内外地应力测试及应用的现状,依此确定地应力研究工作的方向和路线,具有重要意义。 1地应力测试方法研究概况到目前为止,地应力的确定方法可以分为四大类:一是利用资料进行定性分析,如火山喷道、断层类型、油井井眼稳定情况、取心收获率、区域应力场、地形起伏、地质构造、震源机制等;二是矿场应力测试,如水力压裂应力测试,井壁崩落地应力反演;三是岩心测试,如差应变分析、波速各向异性测定、滞弹性应变分析、声发射(Kaiser效应)测定等;四是地应力计算,如地应力场有限元数值模拟、地应力测井解释、钻进参数反演等。地应力测量方法虽较多,但真正能直接测量出地应力的方法,严格来讲还没有。相对而言,水力压裂方法可给出比较可靠的最小地应力值,在一定精度范围内可视为地应力的直接测量。其它方法一般均基于形变或有关物理量来推算地应力状态,属间接测量,其精度与所采用的反演方法密切相关。中国石油天然气总公司密切结合生产实际,根据生产需要进行了地应力的研究工作。该研究涉及地层的深度,介于矿山、水利水电和地球动力学之间。制定了许多工程措施,为开展地应力研究提供了良好的试验条件。同时,其适用的测试技术也与矿山和地震部门有所区别。石油勘探开发不仅需要区域的、宏观的地应力场,更需要局部的、平面的和三维的地应力场,特别是分层的地应力。因此,不仅要了解地应力的现今状况,也要了解地应力场变化的历史,在地应力研究中特别注重孔隙流体的作用。石油部门对地应力的研究虽然起步晚,但发展速度快、发展前景远大。目前来看,存在的主要不足是各种应用工作单独进行,比较零散,没有形成统一的理论体系,难以从更高的高度对问题的本质进行系统地分析和研究。 2地应力的分布规律在沉积岩中地层倾角不太大时,垂向应力一般与上覆岩层质量近似相等,另外两个主应力是水平的。在倾斜地层中,垂向主应力往往与垂直方向呈一夹角,夹角大小不超过30b,三向地应力和水平差应力的大小随深度而增加。一般情况下主应力方向随深度变化不大,但也有一些应力方向随深度变化 1998年第22卷第1期石油大学学报(自然科学版) Journal of the U niver sity of Petroleum,China Vol.22No.1 F eb.1998 X收稿日期:1997-03-18