深圳抽水蓄能电站水压致裂法三维地应力测量和分析

由于水压致裂法地应力测量的突出优点已在国内外得到广泛应用,但以往只能测量钻孔横截面上的二维应力状态。近期兴起的水压致裂法三维地应力测量,已在多个工程中得到应用。深圳抽水蓄能电站采用了3个不同方向钻孔测量法和单钻孔测量法进行了三维地应力测量,得到了很好的测量成果。其中单钻孔三维地应力测量,在近水平向和铅垂向两个钻孔中应用。三维地应力测量成果不仅得到了相应钻孔横截面上和原生裂隙面上二维应力实测值的检验,而且得到了同一位置两种不同三维地应力测量方法的相互印证,和同一个钻孔（铅垂向）中套芯应力解除法三维地应力实测值的印证。两种水压致裂法三维地应力测量成果（单钻孔测量法包含了非铅垂向和铅垂向钻孔的两种测量法）非常一致,能够代表该测量区的地应力状态。     

正交各向异性岩体孔径变形法的二维地应力分析方法改进

根据正交各项异性材料的弹性理论,推导出偏轴坐标系下的三维、二维本构方程;利用应力变分法对钻孔周围的应力分布作出修正,进一步得出孔壁径向位移的计算公式。结合孔径变形法测量地应力的特点,建立正交各向异性岩体地应力的分析理论,通过一典型工程与传统的各向同性理论进行了对比。     

垂直孔应力解除法地应力测试技术及工程应用

针对应力解除法在垂直深孔中应用的局限性,提出一种适用于垂直深孔的应力解除法地应力测试技术。研制基于显微光学成像原理的触头式孔径变形测量装置,通过对单动双管钻具进行优化配接,形成了适用于垂直深孔的地应力快速测试技术。孔径变形测量装置采用孔径变形感知、显微成像及测量定向等关键技术,简化了测试过程,缩短了测试时间,能够实现高地温、高水压垂直深孔中多方向孔径变形测量;引入单动双管钻具,对其钻进、取芯以及过流进行优化配接,形成了地应力辅助测试装置。在金山店铁矿张福山矿床–410 m和–500 m水平进行了地应力测试,获取到的环形岩芯内径稳定,且完整性高,验证了辅助装置具备精确成孔和完整取芯的技术优势,为孔径变形准确测量提供了保障;计算得到了4个点位处的地应力数据,其主应力基本随深度增加而增大,最大水平主应力约在NNW～NNE方向上。研究表明,垂直孔应力解除法地应力测量技术能够在垂直深孔中快速、可靠地实现地应力测试     

正交各向异性岩体钻孔周围应力分布的应力变分法分析

利用孔径变形法和孔壁应变法测量地应力必然涉及到钻孔周围岩体应力的分布规律,由于各向异性岩体孔周应力的分布复杂,很难用求解偏微分方程的方法得到应力分布的解析表达式,而应力分布又影响着地应力分析结果的准确性。通过构造应力函数,采用应力变分法对钻孔周围的应力进行求解,为准确分析各向异性岩体的地应力提供理论基础。     

锦屏深部地下实验室初始地应力测量实践

地应力条件是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一,对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。以埋深2 400 m的中国锦屏地下实验室为例,首先重点阐述了高应力下条件下应力解除法测量地应力的原理与方法,并提出了针对在高应力条件下使用36-2型钻孔变形计地应力测量的改进技术：（1）采用新式阶梯状钻头,分级逐步解除,减小岩芯根部应力集中区域的范围和应力大小;（2）使用大直径解除钻头来增加套孔空心圆柱状岩芯的厚度,即增大裂隙贯通整个岩芯的时间;（3）在测点附近钻取勘探孔以获知测点岩体完整性条件,对是否适合开展测试进行评估。在此基础上,通过现场岩体地应力测试获得每个测孔不同深度垂直钻孔轴线平面上的平面应力状态以及三孔交汇处的三维应力状态（3个主应力的大小和方向）,分析开挖扰动导致的围岩应力重分布规律与原始应力场分布。依据洞室围岩重分布应力特征与现场实际破坏的空间位置对应关系,结合现场破坏情况和工程区域地质条件,多角度验证了三维应力结果是可靠的,可为进一步的工程稳定性评价以及围岩支护设计提供依据。     

岩石非弹性应变恢复(ASR)地应力测试方法中柔度研究进展评述

本文通过分析国内外非弹性应变恢复(ASR)法地应力测量研究现状,并对ASR法中重要的柔度参数作了系统整理,认为该测量方法在理论上逐渐趋于成熟,在技术应用上有广阔的前景,但该地应力测量原理中,针对温度、应力环境(作用应力)对ASR岩石柔度影响的研究相对较少,还存在一些缺陷,为此提出了该地应力测试方法有待改进或补充的建议,为完善ASR法地应力测量原理指明了研究方向,对今后ASR地应力测量技术的完善和发展具有重要的意义。     

基于岩饼几何形态测量的原地应力测定方法

岩饼是工程区高地应力的标志之一,其形状与主应力的大小和方向直接相关,岩饼出现时刻通常的应力解除法不能再用 于原地应力测量。根据国内外众多学者多年来对岩饼现象的研究成果,提出一种根据岩饼的几何形态测量初步计算三维地应力的方法。经实践验证,与同一工程区其他地应力测量方法的结果相比,岩饼几何形态测量方法确定出三维地应力的方向相差不大,倾角差值在10°以内,方位角之差小于20°,主应力大小满足岩饼出现的条件,具有简便实用的优点。     

ASR法在井下矿山地应力测试中的应用前景分析

现今地应力状态是井下矿山建设、巷道稳定性分析和冲击地压（煤与瓦斯突出）预测等方面的重要基础数据。目前井下矿山地应力测试主要以空芯包体解除法为主,实践中发现空芯包体解除应力计安装过程中,易出现不能与孔壁完全黏贴的情况,导致测试成功率较低且劳动强度较大。文章介绍了一种基于定向岩芯卸荷后非（滞）弹性恢复变形测量的近原位地应力测试方法（简称ASR法）,并通过与水压致裂地应力测试结果对比,验证了ASR地应力测试方法的有效性。ASR法的可重复性结果表明,同一测点ASR地应力测量结果平均差系数最大为6.29%,验证了ASR地应力测量方法的可靠性。预期ASR法以其安全、高效且不受测量深度和测试环境限制等优点,在井下矿山地应力测试中具有广阔的应用前景。      

科学钻探中的地应力测量

本文详细介绍了在钻孔中利用声波测井和密度测井数据原位确定最小主应力的原理和方法。对于小型水力压裂实验确定地应力,以及利用其结果对测井结果进行刻度,从而获得连续地应力剖面的方法也作了系统讨论。对于预应力场中钻孔周围的应力分布和造成井眼变形的力学原理,以及利用多方位井径测量,声波井壁成像测井和微电阻率扫描成像测井确定主应力方向的方法作了介绍,文中给出ＫＴＢ主孔中应力测量结果的一些实例。     

潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究

在山西潞安矿区的13个煤矿采用小孔径水压致裂地应力测量装置,完成了60个测点的原岩应力测量工作。实测数据表明：潞安矿区55%的测点最大水平主应力大于垂直主应力,由于受埋藏深度与地质构造影响,矿区内各矿地应力值差别较大,但地应力大小总体上属于中等地应力值;潞安矿区最大水平主应力方向从南到北变化较大,构造应力场呈现出多变的形态。在实测数据的基础上,绘制了潞安矿区地应力分布图;分析了地应力随埋藏深度的变化规律、平均水平主应力与垂直主应力的比值与埋藏深度的关系。煤矿井下地应力测量为井田开拓、巷道布置与支护设计等工程实践提供了可靠的基础参数,提高了工程设计的科学性、合理性与可靠性。     

川西郭达山隧道水平孔地应力测量与工程意义

新建川藏铁路穿越鲜水河活动构造带,沿线构造应力场极其复杂,隧道围岩工程破坏问题突出。为了揭示该区构造应力场特征,为深埋隧道设计、施工提供基础参数,采用新型水压致裂地应力测量系统在川西郭达山隧道水平孔获得10段有效地应力测量数据,最大测量深度达508.10 m,创造了水平孔地应力测量最深记录。测量结果表明,在148.4~508.1 m测量深度范围,郭达山隧道水平孔截面上最大主应力值为3.59~13.72 MPa,最小主应力值为3.28~8.36 MPa。根据印模实验结果,除浅部钻孔截面上最大主应力倾角较大外,深部钻孔截面上最大主应力倾角近水平。根据地应力状态将0~280 m段划分为应力释放区,280~330 m段为应力集中区,大于330 m段为原地应力区。基于地应力测量结果对郭达山隧道水平孔围岩稳定性进行了预判分析,在孔深292.9 m、508.10 m处隧道围岩有轻微至中等程度岩爆可能,其余段无岩爆可能性。     

中国大陆科学钻主孔现今地应力状态

用钻孔崩落法确定了中国大陆科学钻探主钻孔5 047 m深度以上的现今地应力状态.由钻孔声波成像测井资料发现, 科学钻主钻孔在1 200 m深度以下出现了钻孔崩落现象.我们从1 216~5 047 m的深度范围内采集了143个钻孔成像测井图象资料, 对钻孔崩落椭圆长轴方位进行了统计, 结果表明崩落椭圆长轴平均方位为319.5°±3.5°, 最大水平主应力方位平均为49.5°±3.5°.利用崩落形状要素(崩落深度和崩落宽度) 以及岩石的内聚力和内摩擦角, 估算了1 269 m至5 047 m范围内52个深度上的最大和最小水平主应力的大小.结果表明, 在浅处1 216 m深度, 最大水平主应力为42 MPa, 最小水平主应力为30.3 MPa; 在深处5 000 mm深度, 最大水平主应力为160.5 MPa, 最小水平主应力为120 MPa; 地应力随深度近于线性增加.据岩石密度测井资料计算了各个深度上静负载应力.3个主应力的大小和方向反映出科学钻主孔位置的应力场处于走滑应力状态, 与临近地区地震震源机制解和其他方法得到的应力场一致.利用声发射法对岩心试件进行了声发射测量, 得到了最大水平主应力幅值, 并与崩落法测量结果进行了对比, 两者十分一致.      

一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计

基于岩体初始地应力测量的套钻应力解除方法,在36-2型钻孔变形计的基础上增加8个轴向变形测量装置,优化设计加工成12分量新型钻孔变形计。该变形计具有8个轴向变形测量元件和4个径向变形测量元件。试验室内元件标定的结果表明,每个测量元件的分辨率可达0.000 1 mm,精度达到2 ‰;多项室内整体标定试验表明,该变形计应力测量稳定性和可靠性较好,分辨率可达0.028 MPa(当E=30 GPa时),实测误差小于10 %;在利用设计出的专用金刚石钻头钻取的钻孔中,安装该变形计,只需要一次套钻应力解除试验就可以确定测点部位的三维地应力状态。该地应力测试设备和方法解决了传统的利用3个钻孔套钻解除确定三维地应力的弊端,并可进行深孔测试。具有操作方便、精度高、可靠性好的特点。     

真三轴应力条件下钻孔围岩塑性区及增透半径研究

深部岩体处于三维应力场中受开挖扰动影响钻孔、巷道围岩处于明显的真三轴应力状态。钻孔抽采技术是煤矿广泛用于瓦斯治理的重要措施,钻孔周围塑性区是瓦斯流动的优质通道,研究钻孔围岩塑性区特性对于抽采钻孔的优化布置至关重要。为研究钻孔围岩的塑性区特性,基于广义平面应变理论分析围岩应力分布,比较几种常用强度准则（MC、Mises、D-P、MLC、SMP）的适用性和精确性,对比试验结果表明,MLC准则能较好地表征岩石的真三轴强度特性。基于MLC准则推导了围岩塑性区半径公式,分析偏应力、中间主应力、岩石内摩擦角、岩石黏聚力和钻孔半径对增透半径的影响,结果表明,增透半径随着偏应力的增大而增大,随中间主应力的增加先减小后增大,随岩石内摩擦角、岩石黏聚力的增加而逐渐减小,随钻孔半径的增加而线性增大。研究结果可为实际工程中巷道支护、煤层瓦斯抽采等技术的参数设计等提供重要参考。     

A diametral deformation method forin situ stress and rock property measurement

Summary Failure deformation of a borehole boundary in response to hydraulic loading via a plastic cylinder is directly related to both the initial stress state and the material properties of the ground. These relationships are utilized for determination ofin situ stress states and material properties of complex geological formations, including fractured hard rock and soft ductile media, by directly measuring diametral deformation of the borehole in relation to the applied pressure. This new method was first developed by means of finite element simulation models, and later confirmed by laboratory model studies. This method was then field tested in an outcropping of homogeneous sandstone and later applied to three underground geological formations: highly stratified shale, rock salt, and fractured green schist. Some of the results of these field applications are presented here to illustrate the validity and usefulness of this method, especially for complex ground where the conventional methods of overcoring and hydrofracturing may be ineffective. The instrumentation of this method involves a borehole probe which utilizes electrically powered hydraulic pumping and computerized data acquisition for rapid measurement and on-site analysis. The significance of the new method is its ability to obtain input data ofin situ stress states and material properties for finite element analysis of earth structures in complex ground.     

硬性结构面表面起伏形态测量及其尺寸效应研究

结构面表面形态与其力学性质密切相关,对结构面表面形态进行精细测量是研究结构面变形和强度等力学机理的基础。在分析国内外结构面测量仪器优缺点基础上,利用自主研制的新型便携式测量仪器———接触打孔器对硬性结构面进行机械化精细测量,应用效果表明:由接触打孔器获得的结构面粗糙度JRC值与结构面表面实际的JRC值十分接近。在此基础上,对硬性结构面进行尺寸效应分析,获得了结构面表面JRC值的统计方差随测量长度逐渐衰减的规律,并且计算分析了粗糙度对结构面剪切强度影响的极限长度,最后通过强风化粉砂岩节理、新鲜砂岩层面、泥岩层面进行了分析。结果表明,对于研究区强风化粉砂岩构造节理,当取样长度大于50cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应;对于平直新鲜泥岩层面、平直的新鲜砂岩层面,当取样长度大于5cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应。