地应力对裂隙的影响关系
煤岩采动应力-裂隙带发育规律研究
煤岩采动应力-裂隙带发育规律研究1、研究背景煤岩采动应力主要指煤矿放顶及断层作用下，当煤层采动时煤层所受的挤压应力和剪切应力的总和。
受不同的采动方法、地应力背景等多重因素影响，煤岩采动应力和地应力状态发生空间上的不均匀性，这将直接影响煤矿工作面采空区水平分布和空区占比，因而影响矿上回采工序稳定性及煤矿安全性。
煤岩采动应力与裂隙带发育具有密切的联系，非常重要的是采动应力分配和采动安全性能差异，与不同破碎方式相关，裂隙带受采动应力发生变形和拉伸，它们的分布及变形程度往往决定了煤岩的机械属性和空气属性，研究裂隙带演化规律就显得很有必要。
2、研究内容根据之前的研究，煤岩采动应力是影响性质和磨损程度空间变化的重要因素，究其本质，是煤岩采动应力促进裂隙带发育，然而其和裂隙带发育的关系还未得到深入的研究。
本研究的主要内容是研究不同受采动应力下细小裂隙带的演化规律，研究工作在研究区利用实地调查、试验室模拟试验及计算模拟的方法，来研究裂隙带的分布格局、变形程度特征以及煤岩采动应力变形模式相关的性质变化。
研究过程结合野外地质和煤岩物性试验数据，建立原位模拟试验装置进行野外模拟及荷载回实试验，并开展地应力—裂缝形成及变形模型试验，寻找出煤岩采动应力下裂隙带分布规律及变形程度特征，以建立煤岩采动应力—裂隙带发育模式和有关物性参数及变形应变规律等。
3、可能的贡献本研究的实施和有效的研究结果，可以为有关部门和研究人员提供采动应力-裂隙带发育模式等研究结果，可以有效的指导实际的采矿设计。
另外，煤岩的机械属性和空气属性是否能受到采动应力分配影响，以及在煤层特征发生变形时，它们是如何影响煤层面临采空区空间分配和地质背景下大小结构形变和空气性质变化的规律，也有可能在本研究当中增加相关的详细描述。
除此之外，本研究还将着重研究采动应力的数值计算，以便进行更精确的地应力计算，建立采动应力影响煤层变形模型，指导煤矿采掘设计，在很大程度上推进煤矿安全性评价及采矿技术开发应用。
构造断裂活动与地壳应力分析
构造断裂活动与地壳应力分析地壳构造是指地壳中的各种构造形态和构造活动，而断裂活动作为地壳构造的重要组成部分，对于地质灾害的发生和地壳演化具有重要的影响。
本文将从构造断裂活动的概念入手，探讨断裂活动对地壳应力的影响，并进一步分析地壳应力的形成机制。
一、构造断裂活动的概念构造断裂活动是指地球地壳中由于内部构造作用而引起的岩石破裂和变形现象。
断裂是一种地壳变形形式，其在地壳演化和构造过程中发挥了重要的作用。
断裂活动通常表现为岩层沿着断层面的错动和断裂，形成了地壳的剪切和滑动。
二、断裂活动对地壳应力的影响1. 应力集中与释放断裂活动使得地壳内部的应力得到了集中和释放。
当地壳的应力达到一定程度时，断裂面上的岩石开始破裂，释放出储存在其中的应力能量。
这种释放过程既可能是地震活动，也可能是地表地质灾害的发生。
2. 地壳形变与地震活动断裂活动导致地壳的形变，使得地壳内部的应力分布发生变化。
当应力集中到一定程度时，断裂面上的岩石破裂产生地震活动。
地震是一种突发性的地震现象，其对地壳的应力分布影响更为直接和剧烈。
三、地壳应力的形成机制地壳应力是指作用于地壳各点的接触力和应力。
地壳应力的形成与地球内部和外部力学过程密切相关。
1. 重力作用地球的重力是地壳应力的重要来源之一。
地球上具有不同密度和厚度的岩石在重力作用下会产生应力分布的梯度，从而形成地壳的应力场。
2. 化学稳定性地壳中的岩石和矿物在地球化学作用下可能发生化学反应和互变，这些过程也会导致地壳应力的变化。
例如，岩石的溶解和结晶会导致地壳应力的释放和积累。
3. 热力学过程地球内部的热力学过程对地壳应力场的形成也起到了重要的作用。
地球内部的物质运动、地热作用等都会导致地壳应力的分布和变化。
四、结论总之，构造断裂活动是地壳构造的重要组成部分，对地壳应力的分布和变化具有重要的影响。
断裂活动通过引起地壳形变和释放应力，进而导致地震和地表地质灾害的发生。
而地壳应力的形成是多种力学和物理过程的综合结果，其中重力、化学稳定性和热力学过程是主要的影响因素。
地应力在地质断层构造发生前后的变化
地应力在地质断层构造发生前后的变化现有文献中都有介绍不同断层构造和主应力的相应关系，但没有强调这是各种断层发生前的主应力和断层构造的关系；更没有介绍各种断裂发生后它们的相应关系，这往往使一般人认为断裂发生后的主应力的方向仍保持不变。
对全国13个大油区86个断块油田近千口钻井在正断层和逆断层地区进行了水压致裂测试地应力的试验。
地应力测试结果表明，无论这些油田的断层是正断层还是逆断层，压裂裂缝的方向基本是垂直于断层走向的，即最小主应力均是平行于断层迹线的水平应力。
这与现有文献中介绍正断层和逆断层发生前主应力的方向显然是不同的。
提出了断层发生后地应力的计算方法，较好地回答了这个问题。
1前言地应力的大小与方向对各种岩土工程都是十分重要的。
但由于地应力测量比较昂贵，有时就往往根据地质构造来估算地应力的大小和方向。
现有文献中都有介绍正断层、逆断层和走向断层发生前主应力的方向和计算方法。
如正断层开始形成前，最大主应力1σ是垂向应力v σ，最小主应力3σ是垂直于断层走向的水平应力⊥h σ，中间主应力2σ是平行于断层走向的水平应力h//σ，断裂面与水平面间的夹角大于45°，一般为60°～65°；逆断层开始形成前，最小主应力3σ是垂向应力v σ，最大主应力1σ是垂直于断层迹线的水平应力⊥h σ，中间主应力是平行于断层迹线的水平应力h//σ，断裂面与水平面间的夹角小于45°，一般为20°～25°；走向断层最大主应力和最小主应力都是水平应力，且它们相互垂直中间主应力是垂直应力，最大主应力与断裂面之间的夹角小于45°，一般为30°(图1)等等。
以上定性地介绍了各种断层发生时三向主应力与地质构造的关系。
图1各种断层发生时主应力与断层构造的相应关系Fig.1 Relationship between principal stresses and faulstructures during occurrence of different faults各断层发生时三向主应力的大小则要根据摩尔-库仑理论来确定[1]：式中：0C 为岩石单轴抗压强度(MPa)，α为断裂面上的法线方向与最大主应力方向间的夹角。
地表裂缝形成与构造变形机制
地表裂缝形成与构造变形机制在地壳运动的过程中，地表的地层会发生破裂形成裂缝。
这些裂缝是地质构造变形的结果，研究裂缝的形成与构造变形机制对于理解地壳运动过程具有重要意义。
一、地表裂缝的形成机制1.构造应力导致的裂缝形成地球内部存在着各种应力场，其中构造应力是裂缝形成的基本原因之一。
构造应力主要来源于板块运动、断裂活动和岩石变形等因素。
当地球表面受到构造应力作用超过其承受能力时，就会发生地壳破裂形成裂缝。
裂缝的形成方向与应力场的方向有关，常常呈现出特定的排列规律。
2.地下岩溶作用引发的裂缝形成地下水中含有溶解性较高的矿物质，当地下水渗透到岩层中并溶解其中的矿物质时，就会造成岩层的溶蚀和溶解，导致岩层的强度减弱，最终形成裂缝。
这种裂缝形成机制常见于石灰岩、石膏岩等溶岩地区。
3.岩石膨胀引发的裂缝形成一些岩石在受到外部因素（如温度、湿度、盐度等）的影响下，会发生膨胀或收缩，从而引起地表产生裂缝。
例如，粘土质地层含有较高的吸水性，当温度上升或湿度增加时，粘土层会膨胀，使地表形成裂缝。
二、构造变形机制1.挤压变形挤压变形是指在地壳运动过程中，两个板块相对运动，其中之一板块向另一板块方向运动，造成地层的堆积和挤压形变。
这种变形方式常见于两个板块的碰撞带或逆冲断层带。
2.延展变形延展变形是指地壳运动中，两个板块相对拉伸扩展，造成地层的拉伸和延展形变。
延展变形通常发生在沉积盆地、裂谷等地区。
3.走滑变形走滑变形是指地壳运动中，两个板块相互平行滑动，没有明显的堆积或拉伸形变。
走滑断层是走滑变形的典型表现。
总结起来，地表裂缝的形成与构造变形机制密不可分。
裂缝的形成主要来源于构造应力、地下岩溶作用和岩石膨胀等因素的综合作用。
而构造变形机制则是裂缝形成的结果，它与挤压、延展、走滑等不同类型的构造变形有关。
深入研究裂缝形成及构造变形机制，有助于我们更好地理解地壳运动的规律，并对地质灾害的发生和防范提供有益的参考。
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。
地应力及其测量
一、概述－研究地应力的重要性
地应力是各种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,进行围岩稳定性分析,实现开挖设 计和决策科学化的必要前提条件.
地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油 井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究 以及地球动力学的研究等也具有重要意义.
当θ＝0°时, σθ取得极小值, σθ＝3 σ2－ σ1
当水压达到 P i 32 1T 孔壁发生初始开裂
当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应力状态
停止加压,保持压力恒定,记此时压力为Ps
Ps 2
21
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时,则初始开裂压力Pi
原岩应力基础知识
1
本章内容
概述 地应力场的分布规律 地应力测量方法
2
一、概述
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体. 原岩应力亦称初始应力或地应力：
定义一：原岩中存在的应力. 定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力.
次生应力或诱发应力受工程扰动之后的天然应力状 态,J.Hudson:由于受井巷开挖、矿产资源开采等工 程影响,原岩应力平衡状态被破坏后的应力. 这一转换过程称为应力重分布.
无限体——圆形钻孔 平面应变受力状态
几点假定
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷 远处二维应力场σ1最大水平应力, σ2最小水平应力 , 其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：
1 2 2 1 2 c2 os
3 2 1
r 0
周边一点与σ1轴的夹角
6
一、概述－地应力的成因
地应力
。
水压致裂法原理
测量地应力的水压致裂法是借助封隔器在垂直钻孔中测点处封 隔一段,作为压裂段,通过加压段的水压力,使孔壁岩石破裂,然后用印 模器或通过安装电视照相机,得出压裂裂缝,借助罗盘测定压裂裂缝方 向,并根据压裂时的水压力计算岩体初始应力。 记录仪可测出距孔口不同位置地应力测量压裂曲线图， 经由水 压致裂数据处理软件将所测曲线图进行分析计算各测点的压力大小。， 而后关泵停止施压， 在
压力稳定后， 将之与大气接通。 4） 重张试验。等压裂管道内的压力回零， 再实行第二回次的重张试验， 即让上一次产生的破裂缝重新张开， 并实时记录压力随时间变化的曲线， 关泵后再记录压力随时间变化的衰减曲线， 然后接通压裂管道与大气的连 接， 将压力回零。 5） 印模。用印模胶筒对原生裂缝和产生压裂缝的孔段进行印模， 并对 印模胶筒上的裂缝痕迹进行记录分析， 计算出印模结果和压裂曲线以测出 地应力状态。 。
水压致裂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：
上图为水压致裂法简化为平面问题的原理图， 由弹性力学计算可得 出，
孔壁夹角为直角的A、B 两个点的应力集中σA、σB 分别为： σA=3σ2-σ1
σB=3σ1-σ2
（1）
临界破裂压力P1 即促使孔壁发生破裂的外加液压与岩石抗张强度 T 加上孔壁破裂处的应力集中的总和相等， 也就是：
P1= T+（ 3σ2-σ1） （2）
但如果岩石中存在着孔隙压力， 则有效应力为区域主应力所替换， 设孔隙压力为Po， σh 为原地应力场中最小水平主应力， 而σH 为最大
地应力及其原理
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基
本规律：
▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。 ▪ 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和
设钻孔壁发生初始开裂时的水压为则有原理如果继续向封隔段注入高压水使裂隙进一步扩展当裂隙深度达到3倍钻孔直径时此处已接近原岩应力状态停止加压保持压力恒定将该恒定压力记为p应和原岩应力相平衡原理在钻孔中存在裂隙水的情况下如封隔段处的裂隙水压在初始裂隙产生后将水压卸除使裂隙闭合然后再重新向封隔段加压使裂隙重新打开记裂隙重开时的压力为p原理由以上两式求就无须知道岩石的抗拉强度
应力或原岩应力。
▪ 6 地应力及其测量 ▪ 6.1概述 ▪ 6.1.1 基本概念 ▪ 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱
发应力。 ▪ 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
6.1 概论
▪ 一、 地应力测量的必要性 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力。
论）， ▪ 认为这个测压系数等于 ，即：
▪ 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围为0.15~0.30。
1
v H,h 1H
▪ ▪
此同期时的，当其他一些时人，主要关心，0的即.5也海是姆如假何说用只一是些h金数尼学克v公假式说H 来的定一量个地特计例算。地应力的大小，并且也都认
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最大、最小水平主应力随深度的变化
由上的表格所知，最大水平主应力随深度的增加而增大。
最小水平主
应力也是如此。
地应力与裂缝的关系
应力场在很大程度上影响着裂缝的形成、形态、渗透率和渗透率各向异性。
地层中最小主应力越大，破裂压力越大
华北地区水压破裂面方向随深度的变化
通过以上的数据分析，表明破裂面主方向为北方向。
不论均破裂面方位近似为北方向。
这说明着它们受着同一应力场的结果是近地表还是深度地层，它们的平
在不同的应力状态下，地应力与裂缝长度的关系
注：a为应力状态是z>x>y b为应力状态是x>z>y。