地应力测量方法

地应力测量方法

目前，我所地应力测量主要采用四种方法进行，分别为基于钻孔的深孔套芯解除法、深孔水压致裂法和基于岩芯的差应变法、滞弹性恢复法。其中套芯法测试精度最高，水压致裂法次之，但套芯法测试周期长，建议根据项目需求选择合适地段进行测试。几种测试方法可以联合使用，综合比对各种方法的测试结果，最终确定测试钻孔的地应力状态及规律。

一、实验参数

①深孔套芯解除法

应变、弹性模量

②深孔水压致裂法

应力

③岩芯的差应变法

声波波速、应力

④岩芯的滞弹性恢复法

应变、时间

二、实验仪器设备及技术参数

①深孔套芯解除法

2006型-深孔套芯地应力测量仪是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量仪（实物见图2和图3），包括井下专用空心包体探头和井下应变记录仪，另外还有配套的井下专用安装工具，在青藏铁路沿线、南水北调西线和西气东输等国家重大工程中得到应用。

图2 中国地质科学院地质力学研究所2006型-深孔套芯地应力测量仪

a b

c

图3 井下应变记录仪（深孔型外壳为无磁不锈钢）

a.井下应变记录仪操作面板；

b.36Ф全应力测量探头;

c. 井下应变记录仪分解图

KB-2006-J型井下专用空心包体探头，是我所获地质部科技成果一等奖的KX－81型空心包体全应力计的基础上改进发展的全应力测量探头，12个120Ω箔式应变片（三组90°、0°、±45°应变花，呈径向120°排列），一次测量即可获得该点的三维应力。水下胶为丙烯酸树脂或可水下低温固化的双组份环氧树脂两种，下井前配好，适应期2小时。

KB-12-J型深孔应变仪是超小型智能化数字仪器，是我所研制的钻孔专用定时记录式微型应变仪，采用目前最先进的msc1200微处理器芯片和Flash存贮器及独立知识产权的电子开关技术研制开发的技术先进、方便实用的智能数字应变仪。主要特点是：①外壳采用高强度不锈钢和高强度钢化玻璃视窗，端面密封圈防水结构耐静水压40MPa；②独立微功耗电子定时器，可按事先设定的时间定时启动主机，一次充电可在井下定时待机数月，连续采集工作时间＞20小时；③1秒～12小时采集控制时间间隔；④RS232C接口可以实现事后通讯，事后回访主机为PC机或笔记本电脑，简明快捷的人机对话窗口，利用主机或PC双向设置控制；⑤理想实用的PC处理软件--多点曲线实时显示同时生成数据文件，σ-ε曲线自动生成。除此之外为满足不同用户需要还设计了功能丰富的隐含菜单。

主要技术指标

（1）精度：测量值的± 0. 1%±1个字；

（2）分辩度：1个με；

（3）量程: ±19999με；

（4）供桥电压：2.4V或1.2V；

（5）灵敏系数：0.001~999.999数字设置；

（6）适用电阻应变片阻值:60Ω~1000Ω；

（7）平衡方式：自动；

（8）平衡范围：±6000με；

（9）存贮空间：主机32K字节；当实时通讯时为海量存贮；

（10）通信方式：定时和事后传输；

（11）采集速率：1秒/点；

（12）测量点数：16；

（13）软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；

（14）软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-ε曲线生成等功能;

（15）电源：DC6V;

（16）体积重量：Ф55×280 mm,重约2.5Kg;

（18）工作环境：0℃-85℃，井下1000米以内。

②深孔水压致裂法

2007型-深孔水压致裂地应力测量系统是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量设备，包括高压泵、数据采集器、工控机、封隔器、印模器、拉推开关、高压管道、定向器、压力表、压力传感器、转接头及辅助设备，在水电、铁路隧道、矿山、油田等领域的国家重大工程中得到广泛应用（现场测试见图4）。

主要技术指标

（1）精度：0.1MPa；

（2）分辩度：1MPa；

（3）压力表量程: 100MPa；

（4）高压泵供电电压：6KW；

（5）通信方式：定时传输；

图4 SY-2007封隔器安装测试现场

（6）数采采集速率：100次/秒；

（7）软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；

（8）软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-t曲线生成等功能;

（9）单体积重量：小于80Kg;

（10）工作环境：0℃-100℃，井下2500米以内。

③岩芯的差应变法

岩芯差应变压力容器是中国地质科学院地质力学研究所研制的岩芯差应变地应力测量仪器，与地质力学研究所古地磁实验室的美制立式2G－755R超导磁力仪、美制TD－48热退磁炉联合测试。目前，地应力测量实验室已应用岩芯差应变地应力测试技术在油田领域完成7个2000米以上测孔的地应力测量工作（见图5和图6）。

图5 差应变测试岩芯图6 差应变测试成果主要仪器和设备：

（1）试验压力容器；

（2）加载设备：德国产-200压力试验机；

（3）记录设备：数字16通道电阻应变仪；

（4）多通道数字记录仪；

（5）多通道高精度超声波仪；

（6）美制立式2G－755R超导磁力仪；

（7）美制TD－48热退磁炉。

主要技术指标：

（1）精度：0.1MPa；

（2）分辩度：0.01MPa；

（3）压力表量程: 100MPa；

（4）高压泵供电电压：10KW；

（5）数采采集速率：100次/秒；

（6）软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；

（7）软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-t曲线生成等功能;

（8）单体积重量：小于60Kg;

（9）工作环境：0℃-100℃；

（10）岩芯加工精度：小于0.02mm。

④岩芯的滞弹性恢复法

试验涉及的仪器设备主要有数据采集仪、数据接收机、保温设备、应变传感器及其辅助设备，如下图为我所自行研制的滞弹性地应力测试仪及试验照片。

图7 地质力学所36L滞弹性地应力测试仪及试验照片

三、质量控制

①深孔套芯解除法

1）地应力测量工艺控制

测量步骤与套芯法基本相同，分如下9个步骤：

施工大孔→磨平孔底→打小孔→清孔→仪器参数和定时参数设定→安装孔底探头→套芯→地表率定→数据回访。

安装和套芯过程需要钻机密切配合，需要配备特种钻具，建议钻孔和测试工作由同一家单位或合作过的两家单位实施，测量要求如下：

随钻孔进行地应力测量，测试段应避开裂隙，在岩石较完整的孔段进行，测试段要求有300-400mm长完整岩芯。