套筒致裂法测试地应力的原理与方法
7地应力测量
§7.3.3
水压致裂法
2、测量步骤：
A 钻孔，封隔加压 段； B 多循环注水测压； C 封隔器卸压，回撤 仪器； D 测量压裂裂隙和天 然裂隙位置、方向。 图7-13 水压致裂试验压力-时间、流量-时间曲线图
§7.3.3
水压致裂法
3、特点分析： （1）是一种二维应力测量方法，只能测垂直 于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大 小和方向； （2）以岩石连续、均匀和各向同性假设为条 件，适用于完整脆性岩石中； （3）能够测量深部应力。
§7.4.1
套孔应力解除法
套孔应力解除法是发展时间最长，技术上比较 成熟的一种地应力测量方法。 在测定原岩应力(绝对应力)的适用性和可靠性 方面，目前还没有哪种方法可以和应力解除法 相比。
§7.4.1
套孔应力解除法
图7-16
应力解除法测量步骤示意图
图 垂直钻孔轴线的平面孔内的孔径 变形和应力状态示意图
4 P0 rR E= 2 2 U (R − r )
2
第七章习题与思考题
1.简述地应力测量的重要性和高地应力区的特征。 2.地应力测量方法分那两类？两类的主要区别在哪里？ 3.简述水压致裂法的基本测量原理和步骤，并对对水压致裂法的 主要优缺点做出评价。 4.简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测量步骤。 5. 简述地壳浅部地应力分布的基本规律。
§7.2.1
地应力分布的基本规律
之三：水平地应力普遍大于垂直地应力。
§7.2.1
地应力分布的基本规律
之四：平均水平应力与垂直应力的比值随深度增 加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相 同。
§7.2.1
地应力分布的基本规律
之五：最大水平主应力和最小水平主应力也随深 度呈线性增长关系。 Stephansson方程：
地应力的测量方法
地应力的测量方法
嘿，朋友们！今天咱来聊聊地应力的测量方法，这可真是个有趣又重要的事儿呢！
你想想看，地应力就像是大地的“脾气”，咱得搞清楚它是怎么个情况，才能更好地和大地打交道呀！那怎么测量这大地的“脾气”呢？
有一种方法叫水压致裂法，就好像给大地来个“温柔的挑战”。
通过向钻孔里注水，然后观察岩石的反应，就像试探一个人对不同事情的反应一样，是不是挺有意思？这种方法能比较直接地得到一些关键信息呢。
还有一种叫应力解除法，这就像是给大地“松松绑”。
先把岩石周围的束缚慢慢解除，然后看它会有什么变化，从而了解它原来承受着多大的应力。
就好像你一直背着很重的包，突然把包放下，那一下子的轻松感，就是我们要去捕捉的。
声发射法也不错哦！就像是听大地“说话”。
岩石在受力的时候会发出一些微小的声音，我们就通过这些声音来推断地应力的情况。
这就好比你能从一个人的语气中听出他的心情一样。
那这些方法难不难呢？其实也没那么可怕啦！只要咱认真去学，去实践，肯定能掌握的。
就像学骑自行车一样，一开始可能会摇摇晃晃，但多练几次不就会了嘛！
测量地应力可不能马虎，这关系到很多工程的安全呢！要是没搞清楚
地应力，那盖房子、修隧道啥的，说不定就会出问题哦，那可不得了！所以啊，我们得重视起来，把这些方法学好、用好。
大家想想，要是我们能准确地知道地应力的大小和方向，那不是能让我们的工程建设更顺利、更安全吗？那多有成就感呀！所以说，地应力的测量方法可真是太重要啦，我们可得好好研究研究呢！总之，地应力的测量方法是我们了解大地的重要途径，让我们一起努力，把这个神秘的领域搞清楚吧！
原创不易，请尊重原创，谢谢!。
地应力测量方法及其需要注意的问题
地应力测量方法及其需要注意的问题地应力是指存在于地壳中的内应力。
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,近年来随着我国社会经济的持续快速发展,我国水电领域工程建设保持着较快增长势头,工程建设地点向江河源头、高山峡谷地带延伸,工程建设内容往往包含深埋长深隧道,大跨度、大尺度地下厂房等,在这种情况下,我国地应力测试事业也取得了长足的进步,各种试验手段、测试方法层出不穷,并取得一定的成果。
1地应力测量方法1.1 应力解除法应力解除法是以弹性理论为基础,它把一定范围内的岩体视为均质的、各向同性的完全弹性体。
这一测量方法的实质是在被测虚力场的岩体中选定测点,在测点位置安设测量元件,然后在所安装的测量元件周围掏槽或套孔,使安设有测量元件的岩石与周围岩体分离,也就是使这一部分岩石从被测应力场作用之下解脱出来。
此时,测点岩石将由于外力的消失而产生弹性恢复变形。
通过测量元件将这一变形记录下来,即可按弹性理论来确定被测应力场的3个主应力的大小、方向和倾角。
应力解除法测量地应力的方法有:孔底应变计、孔径应变计、孔壁应变计、空心包体应力计等方法,其中孔底应变计、孔径应变计只能测出二维应力,若用它测三维应力,则需要打交于一点互不平行的三个钻孔。
采用孔壁应变计和特殊制作的空心包体式孔壁的应力计只需要打1个钻孔就可测出三维应力。
1949年奥尔森(O.J.Olson)第一次将应力解除法用于岩石应力测试以来,套孔应力解除法发展为技术上比较成熟的一种原岩应力测量方法。
套孔应力解除法具有测量灵敏度高、测量结果可靠、可以在深孔中进行测量测点的三维应力状态(需要利用三孔交汇的方法)等特点。
因此,利用套孔应力解除法可以较为准确地测量矿山岩体的原岩应力。
4-地应力及其测量解析
e) 对地应力的传统认识有误。
1912年A.Heim h v H
1926年A.H.Динник
h
H 1
20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳 上部的最大主应力方向接近水平的，而且 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍， 甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流
• 硅镁质组成的地幔因高温，上 下对流、蠕动，深部地幔上升 到顶部时变成2股方向相反的 平流：与反向平流相遇，转为 下降流进入深部，形成封闭的 循环体系。
Pb0 Pb0
Ps
Ps
Ps0
Ps
Ps0
Ps
P0
P0 ④Ps0-关闭压力
⑤Pb0-重张压力
图 压裂过程泵压变化及特征压力
36
• 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
裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩
y 1 sin
z 1 sin
17
（4）当松散介质有一定粘聚力时 (c>0 )
侧压力为：
x
H
1 sin 1 sin
2c cos 1 sin
18
注：当 x 0
说明无侧压力
x 0
无侧压力深度
HO
2C cos
1 sin
19
5)地质构造应力
20
5)地质构造应力
Fujianshanghang，
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
4.4 高地应力地区的主要岩石力学问题
3地应力及其测量原理解析
3地应力及其测量原理解析地应力是指地球内部岩石受到的力。
地应力是大地构造活动的重要因素，它对岩石变形、断裂产生重要影响。
了解地应力的分布及其大小对地质灾害预测和地下工程设计具有重要意义。
本文将探讨地应力及其测量原理。
地球内部的岩石受到的力主要有三个方向的应力，即水平应力、垂直应力和剪切应力。
水平应力是指岩石受到的平行于地表面的力，可以分为水平主应力和水平次应力。
垂直应力是指岩石受到的垂直于地表面的力，也称为垂向应力或竖向应力。
剪切应力是指岩石受到的平行于地表面的剪切力，它是水平主应力和水平次应力的合成力。
测量地应力的方法有很多种，常见的方法有直接法、间接法和综合法。
直接法是指在地下开展实地观测和实验，测量地应力的大小和分布。
这种方法需要精密的仪器设备和专业的人员，成本较高。
直接法主要有压力封、应力计和杨氏圆及其变形规律三类。
压力封是将传感器封装在地下岩石中，通过监测传感器的变形来获得地应力信息。
应力计是一种用于测量地应力的仪器，它通过应用压力给传感器的晶体，在晶体上产生电压信号来测量地应力的大小。
杨氏圆及其变形规律是一种通过岩石的弹性性质和材料参数来推导地应力的方法，它主要通过岩石的横向应变和纵向应变的关系来计算地应力的大小。
间接法是指通过间接测量来推断地应力的大小和分布。
这种方法通过测量岩石的应力释放和地震活动来判断地应力的情况。
间接法主要有岩层位移法、地震法和微观破裂法。
岩层位移法是通过测量岩层的位移来推断地应力，它主要通过岩石剪切带和断层的破碎及位移来判断地应力的大小。
地震法是通过测量地震波的传播速度和波峰时间来推断地应力的情况，它主要通过地震波在地下传播的路径和速度来判断地应力的方向和大小。
微观破裂法是通过观察岩石微观裂纹和破碎情况来推断地应力的大小和方向，它主要通过观测岩石的细微结构和断口来判断地应力的情况。
综合法是指将直接法和间接法相结合来测量地应力。
这种方法利用不同的测量技术和方法相互补充，可以提高地应力的准确性和可靠性。
水压致裂法地应力测试卸压方法
水压致裂法地应力测试卸压方法
水压致裂法地应力测试卸压方法一般包括以下几种：
1. 预压卸压法：在注水前，施加一定的初始应力，可以是静态压力或动态压力，然后注入水压进行致裂，随后将注水停止，逐渐减小应力，观察裂缝回闭情况，根据回闭时间和速率来推断地应力水平。
2. 递减压力卸压法：在注水致裂完毕后，将注水管道封闭，逐渐减小注水压力，但保持应力不变，观察裂缝回闭情况，根据回闭速率来推断地应力水平。
3. 静态降压卸压法：在注水致裂完毕后，停止注水，直接排空压力，观察裂缝回闭情况，根据回闭速率来推断地应力水平。
4. 陡降速卸压法：在注水致裂完毕后，迅速排空注水管道，观察裂缝回闭情况，根据回闭速率来推断地应力水平。
这些方法的选择取决于具体的地质条件、岩石性质和应力状态，不同的方法在不同的情况下可能会有不同的适用性和结果。
需要根据实际情况进行选择和灵活运用。
第3章地应力及其测试
锦屏河谷下切后最大主应力分布
58 锦屏河谷下切后剪应力分布图
——
下 蚀 作 用 的 结 果
峡
谷
地
貌
虎跳峡
三峡
59
3.3 高地应力区特征
研究高地应力问题的必要性 • 研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。 • 岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地
应力大小的变化而变化。
60
高地应力判别准则和高地应力现象
53
4）平均水平应力与垂直应力之比随深 度增加而减小，且趋近于1
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
54
• 5）最大和最小水平主应力也随深度呈线性 增长关系
55
6）最大水平主应力与最小水平主应力之差随深度 增加而增大,一般差别很大。
56
世界部分国家和地区两个水平主应力的比 值表
1. 高地应力判别准则
（1）目前国际国内无统一的标准。
（2）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米
深)。
（3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储R能c性能也不同。按《工程岩体
分级标准》（GB50218-2014）：
称为极高初始地应力，
度；
为高地应力。 其中： 为岩石单轴饱和抗压强
•近代地质力学的观点认为，在全球范围内构造应力的总 规律是以水平应力为主。
•我国地质学家李四光认为，因地球自转角度的变化而产
生地壳水平方向的运动是造成构造应力是水平应力为主的
重要原因。
14
15
地应力分布理论：
• 海姆假设： （首次提出了地应力的概念，静水压力假设）
地应力测量方法及其需要注意的问题
１ ６・ ３
价 值 程
地 应 力测 量 方 法及 其 需 要注 意 的 问题
Ｔｈ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔ ｆ Ｇｅ ｓ ｒ ｓ ｅ Ｍ ａ ｕｒ ｍ ｎ ｓｏ ｏ－ ｔ ｅ ｓａｎｄ ｔ ｏ ｅ ｓ ｏ ｏ ．ｔ ｅ ｓ Ｍ ｅ ｕ ｅ ｅ ｔ ｈｅ Ｐｒ ｂｌｍ ｆＧｅ ．ｓｒ ｓ ａｓ ｒ ｍ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ ｏｔｅｄ ｅ ｏ ｋｅ ｇｎ ｅｉｇ ｓ ｅｓｓ ｔ ｏ ｃ ｓ ｉ ｃｌ ｉｆ ｅ ｃｓｔｅ ｓ ｂｌｙｏ ｒ ｅ ｔＴ ｒｕ ｈｃｌ ｃｉｇａｌｒｅｎ ｍｂ ｒｏ ｓｒｃ：Ｔ ｈ ｅ ｐｒｃ ｎ ｉｅ ｒ ， ｔ ｓ ｔ ｅ ｆ ｏ ｋｍａｓｄｒ ｔ ｎ ｕ ｎ ｅ ｈ ｔ ｉｔ ｆ ｏ ｃ． ｈｏ ｇ ｏｌ ｔ ａｇ ｕ ｅ ｆ ｎ ｒ ａ ｒ ｅ ｙ ｌ ａ ｉ ｐｊ ｅ ｎ
ｄ ｍｅ ｔ ａ ｄ ｏ ｅｇ ｒ ｓ ａｃ ｄ ｔ ｏ ｇ ｏ—ｓｒ ｓ，ｔ ｅ ａｉｕｓ ｏ ｓｉ ｎ ｆｒ ｉｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ａａ ｎ ｅ ｃ ｔｅ ｓ ｈ ｖ ｒｏ ｍｅｈ ｄ ｏ ｇ ｏ— ｔｅ ｓ ｔｏ ｓ ｆ ｅ ｓｒｓ ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔ ｎ ｔｅ ｐｒｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｄ ｅ ｎ ｉ ｅｍｉｎ ｒ ａ ｕ ｅ ｎ ａ ｄ ｈ ｏ ｌｍｓ ｈａ ｎ ｅ ｏ ｓｄ ｒ ｏ ａｅ
摘 要： 于深 埋岩 石 Ｓ程 ， 体 的地应 力状 态直接 关系到 工程 的稳 定性 。本文通 过 收 集大量 的 国 内外有 关地 应 力的研 究 资料 ， 结 了地 应 力 对 － 岩 总 测量 的各种 方法及 地应 力 测量 需要 注意 的 问题 。探讨 了地 应 力测量 的发展 趋 势 。
文 章 编 号 ：０ ６ ４ １ （０ ０）５ ０ ３ — ２ １０ — ３ １２ １ ２ — １６ ０
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。 用于煤矿井下地
应力测试的主要方法却有限， 主要有水压致裂法、 应 力解除法和应变解除法， 其中用的较多的有水压致 裂法和应力解除法。 由于煤矿井下条件复杂， 可供
责任编辑：常 琛 收稿日期：2014 － 02 － 17 基金项目：国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目（ 51134025 ） E － mail：1027432232@ qq． com 作者简介：经 纬（ 1989 —） ， 女， 安徽淮南人， 博士研究生。Tel：0554 － 6632830 ，
P min 与 可 得 到 P max ，
－ σy cos 2 α + τ xy sin 2 α 2 － σy cos 2 α － τ xy sin 2 α 2
（5）
344
煤
炭
学
报
依据厚壁圆筒的弹性力学理论
［17 ］
2015 年第 40 卷
将式（ 5 ） 代入式（ 3 ） 即可得到如下用 σ x ， σy ， τ xy 表示的致裂方程。 － （ σ x + σ y ） + 2 （ σ x － σ y ） cos 2 α + 4 τ xy sin 2 α + P b2 = 0 tan 2 α = 2 τ xy σx － σy
轴向拉伸虎克定律
和材料力学 可知存在如下关系：
［15 ］
（6） σ θb
式（ 6 ） 式（ 3 ） 的一个方程中包含有 2 个未知数， 中的 2 个方程中包含 3 个未知数， 两式是等效的。 式（ 6 ） 为一个测试孔 加 压 致 裂 得 到 的 致 裂 方 程， 若想将测试点处的全应力求出， 共需要 3 个不同 方位测试孔获得的致裂方程联立求解 ， 因此， 精确的 地应力测试 （ 包含全应力、 主应力、 构造应力 ） 通常 需用三孔致裂法。 1. 2 致裂压力的换算原理 P b2 均是套筒与测试 （ 6 ） 中的 P b1 ， 式（ 2 ） ～ （ 4 ） ， 但测试仪自动存储器获得 孔壁之间的相互作用力， 的致裂压力却是套筒内液压油的压力， 由于套筒与 孔壁之间存在空隙、 橡胶套筒壁在测试孔壁致裂的 过程中也会发生壁厚的变化， 因此， 孔壁承受的压力 数值与油压的数值并不相等， 需要通过一定的换算 关系方能求得， 下面通过具体的实例 （ 淮北矿业股 份有限公司南轨道大巷 N84 测点底板测孔 ） 进行说 明。 图 3 为某一致裂测试孔的致裂曲线， 取第 2 次 致裂锯齿段下齿尖的数值作为套筒内致裂油压 T = － 27. 64 MPa。已知：a = 20 mm（ 套筒原始内半径） 、 b = 32. 5 mm（ 套筒原始外半径 ） 、 E = 0. 090 GPa （ 橡 胶压缩弹性模量 ） 、 ν = 0. 47 （ 橡胶泊松比 ） 、 测试孔 内径 Ｒ0 = 34. 5 mm。
［16 ］
Equivalent stress of surrounding rock unit cell
当孔壁内压 P 达到一定 依据弹性力学理论 ， A， B 两点的环向应力值为 数值后， （1） σ A， B = P max － 3 P min + P P max 为最大水平地应力； P min 为最小水平地应 式中， 力。 套筒致裂法测试地应力需对测试孔孔壁实施 2 次致裂， 第 1 次致裂的目的是为了消除围岩抗拉强 度的影响， 为第 2 次致裂奠定基础， 第 2 次致裂获得 的致裂方程才是求解地应力需要的方程 。 第 1 次致裂时， 在孔壁内压、 围岩远场应力和岩 B 两点发生胀 石抗拉强度的共同作用下， 孔壁上 A， 裂的孔壁内压若记为 P b1 （ 图 2 ） ， 则 P b1 应满足： （2） P max － 3 P min + P b1 = T
cnki． jccs． 2014． 0172 Jing Wei， Xue Weipei， Hao Pengwei， et al． Principle and method of sleeve fracturing method in testing insitu stress［ J］ ． Journal of China Coal Society， 2015 ， 40 （ 2 ） ：342 － 346． doi：10． 13225 / j． cnki． jccs． 2014． 0172
Байду номын сангаас
要：为更加精准地获得煤矿井下地应力的大小和方位 ， 提出了一种测试地应力的新方法。该方 通过 法采用具有高频自动存储测试压力并生成压力 － 时间曲线功能的 JHDC － 1 型地应力测试仪， 摘 对某个测试孔实施 2 次加压致裂， 能够获得精确的油压值及相应的致裂方程。 采用弹性力学中的 圆孔应力集中理论， 详细地剖析了油压值与致裂压力之间的换算关系 ， 给出了三孔致裂法测试地应 力的基本原理。并详细的阐述现场测试方法与步骤 。该测试方法适用于各种地质条件和井下环境 的测试， 尤其适合煤矿井下地应力测试的现场使用 。 关键词：套筒致裂法；地应力；测试 中图分类号：TD311 文献标志码：A 文章编号：0253 － 9993 （ 2015 ） 02 － 0342 － 05
预先钻取的测试孔中进行的， 致裂的主要设备之一 是中空的橡胶套筒， 套筒腔内的油压通过橡胶套筒 筒壁间接作用于测试孔壁， 当作用于测试孔壁的压 B 两点就会被 力达到某一限值后， 此时图 1 中的 A， B 两点连线方向的裂缝。 拉裂， 并产生沿 A，
即通过 2 次致裂可以很方便地推算出测试钻孔 处岩石的抗拉强度值， 且结果非常精确。 因式 （ 4 ）
第2 期
经
纬等：套筒致裂法测试地应力的原理与方法
343
选择的地应力测试点很少， 故寻求一种轻便、 灵巧， 且可控性较强的仪器与方法就显得十分重要 。由于 目前常用的测试方法都具有一定的局限性 ， 如有的 测试方法需要钻取完整的岩芯， 有的测试方法需要 围岩干燥， 但煤矿井下需要实施地应力测试的地点 多为泥质松散岩性， 往往难以获得理想的岩芯和测 孔， 因此， 很多情况下测试结果难以把握， 测试精度 不高。作为上述特殊情况下的补充， 套筒致裂法能 够在较恶劣的围岩条件下完成精度较高的地应力测 试。由于其对围岩性质要求不高， 致裂压力自动存 储， 涉及主观因素较少， 故是一种非常值得推广的地 。 应力测试方法
Principle and method of sleeve fracturing method in testing insitu stress
JING Wei1 ， XUE Weipei1 ， HAO Pengwei2 ， JING Laiwang2 ， YANG Ｒenshu3
（ 1 ． Building and Civil Engineering Institute， Anhui University of Science and Technology， Huainan China） ty of Mining and Technology（ Beijing） ， Beijing 100083 ， 232001 ， China；2 ． Mine Engineering Mechanics and Support Technology Institute， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001 ， China；3 ． Mechanics and Architecture Institute， China Universi-
Abstract：In order to more accurately obtain the coal mine ground stress level and orientation ， authors proposed a new method for testing ground stress． The type JHDC1 stress testing instrument is adopted and can automatically store testing pressure with high frequency and generate the test pressuretime curve． Through the implementation of two pressurized fracturing on a test hole ， it can get accurate oil pressure value and its corresponding fracturing equation． Authors adopted the elastic stress concentration theory of round hole ， analyzed the conversion relationship between the oil pressure value and its fracturing pressure ， and provided the basic principle of three hole crack method for testing ground stress． In addition， authors also gave a detailed description for field test methods and steps． The test method is applicable to various geological conditions and underground environment test ， especially suitable for onsite coal mine ground stress test． Key words：sleeve fracturing method ；ground stress；test 煤炭开采、 瓦斯与煤尘突出、 巷道与硐室支护均 ［1 － 6 ］ ， 目前地应力测试的方法较 与地应力密切相关 多， 主要包括： 应力恢复法、 应力解除法、 水压致裂 X 射线法、 法、 波速法、 声发射法、 压磁电感法高精度 应力测试系统和测绘法等