秦岭北麓某勘探洞地应力测试实例分析研究

本文叙述了工程区某勘探洞地应力测试的原理、方法和结果,并结合地质地形条件进行了相关评价。通过三维水压致裂法对地应力计算,其结果表明:试验点第一主应力σ1量值约12.9 MPa,第三主应力量值约4.8 MPa,铅直向应力分量约12.0 MPa。最大水平应力方位分布在N92°~97°E之间(即近东西向),与试验区秦岭山脉总体走向基本平行,符合地应力场分布的一般规律。同时与该区所分布的近东西向断裂方位基本一致。根据地应力测试分析结果来看,勘探洞的成洞条件比较好,但在较大深埋段、岩体完整性较好的隧洞段,可能存在弱岩爆及洞壁局部坍塌掉块危险。     

宝塔山特长隧道地应力场研究及岩爆预测

为了确定宝塔山特长隧道的围岩应力状态,采用水压致裂法进行了地应力测试,并根据测试成果,通过有限元回归分析,预测了整个隧道围岩的应力分布。测试结果表明:宝塔山隧道深埋段地应力场以自重应力场为主导,在测试深度内最大水平主应力值为2.3~8.4MPa,具中等应力水平,最大水平主应力方向为N53°E,与隧道走向的夹角较大,即地应力对隧道围岩稳定性不利。最后,根据地应力资料对隧道围岩进行了施工期岩爆预测分析,表明隧道岩爆等级为弱-中等岩爆,但在完整坚硬岩石区,发生中等岩爆的可能性比较大。     

藏东南某大型水电站工程区地应力状态及反演分析

某水电站作为西藏易贡藏布流域的控制性调节工程,对满足西藏电网的用电需求发挥重要作用。为查明该水电站现今地应力环境,掌握地下厂房、引水隧洞等关键位置地应力分布特征,保障其工程安全,文章综合考虑工程区构造地质背景、岩体条件等,通过布设钻孔开展水压致裂法地应力测量工作,获得4个测点（8个孔）的地应力数据;依据现有地质条件,建立有限元三维地质模型;通过测得的应力状态,获得加载条件,进行工程区应力场反演分析。结果表明：二维地应力测试结果显示最大水平主应力为4.17～16.93 MPa,三维地应力测试结果显示最大主应力为14.20～16.23 MPa,最大水平主应力方位为NE 38°～NE 47°,现今构造应力场以北东向为主导;电站地下厂房区域2995 m高程水平面最大主应力σ1应力值为11.70～12.12 MPa,中间主应力σ2应力值为9.81～10.74 MPa,最小主应力σ3应力值为5.22～6.85 MPa;引水隧洞沿线最大主应力值σ1为11.8～14.05 MPa,中间主应力值σ2为10.13～12.83 MPa,最小主应力值σ3为4.56～8.49 MPa;该水电站地下厂房轴线方向和引水隧洞轴线方向与实测最大主应力方向呈小角度相交,地应力场对工程洞室的稳定性有利。后期施工过程中应综合考虑实际地质情况,采用适宜的隧洞施工技术并加强施工监测,从而确保工程安全建设。     

不同地应力测试方法在三山岛金矿2 005 m竖井建井区域的应用及其地应力分布规律研究

地应力对地下工程安全施工及长期稳定性是极其重要的。运用声发射法、非弹性恢复(ASR)法、水压致裂法对三山岛金矿西岭矿区2 005 m竖井工程勘察区域进行地应力测量,获取了其地应力分布规律及其异常区域,并分析了不同地应力测试方法的测试原理、适用条件及测试结果的差异性。结果表明：不同埋深水平最大主应力始终为第一主应力;当埋深增加到一定程度后,第二主应力发生转换,由最小水平主应力转变为垂直主应力;声发射法测量结果表明,第三主应力Kaiser效应点与ASR法、水压致裂法测试结果存在较大差异;分析了σ_H/σ_v、σ_h/σ_v、σ_H/σ_h随埋深的变化趋势(σ_H为水平最大主应力,σ_h为水平最小主应力,σ_v为垂直主应力),并对测试区域地应力异常区域进行了圈定。上述分析为竖井的设计、施工及长期稳定性提供了有效的数据支撑。     

基于灰色关联度分析法和主成分分析法对泥页岩储层评价方法的探讨

泥页岩储层的影响因素众多,明确各因素间的内部联系才能更好地评价储层。为对比灰色关联法和主成分分析法在储层评价中的适用性,本文选取鄂尔多斯盆地东缘上古生界Y88井丰富的储层数据进行分析。通过对比两种多元统计方法的原理、算法和结果,认为主成分分析法把各项因子视为离散变量,通过降维后用三个综合评价指标来反映储层的优劣,是对各项指标的概括性分析;灰色关联法将参数分为参考数据列和比较数据列,参考数据列的有机碳含量高低与储层的优劣成正相关,参考数据列对评价对象具有可测性。因此,若是对评价对象的概括性分析,用主成分分析法比较合适;若是对评价对象的可测性分析,如有机碳含量的高低决定能不能形成泥页岩储层,则用灰色关联法评价更合理。     

基于应力多边形与震源机制解的深部岩体应力状态预测方法初探

深部岩体应力量值确定一直是区域地应力场研究中的热点和难点问题,常用的深部岩体应力量值预测方法多以拟合经验公式外推确定为主,缺乏理论依据且可靠性低。研究工作基于应力多边形理论,结合侧压力系数K与震源机制解应力形因子R,在大范围应力预测结果基础之上,对深部应力量值进行了精细限定。以河北易县紫荆关地区的原地应力测量为参考,结合震源机制解资料,估算获得6、11、19km深度处最大侧压力系数K_(max)分别为1.07±0.07、1.14±0.14、1.09±0.09,最小侧压力系数K_(min)分别为0.85±0.15、0.88±0.12、0.86±0.14,并以此计算最大、最小水平主应力,结果的相对偏差在6%～17%之间;利用震源机制解和水压致裂法联合确定的研究区最大水平主应力方向为N44.4°E。研究提出并建立的联合震源机制参数R和应力多边形限定深部应力状态为深部岩体应力状态估算提供了新的途径。     

基于岩石物理模型的页岩储层裂缝属性及各向异性参数反演

针对富有机质页岩储层复杂的矿物组分与微观孔缝结构,本文提出基于岩石物理模型和改进粒子群算法的页岩储层裂缝属性及各向异性参数反演方法。应用自相容等效介质理论与Chapman多尺度孔隙理论建立裂缝型页岩双孔隙系统岩石物理模型。开发基于岩石物理模型的反演流程,引入模拟退火优化粒子群算法解决多参数同时反演问题,反演算法能够避免陷入局部极值且收敛速度快。将本文方法应用于四川盆地龙马溪组页岩气储层,反演得到的孔隙纵横比、裂缝密度等物性参数和各向异性参数与已有研究结果一致,能为页岩储层的评价提供多元化信息。     

水压致裂起裂压力的细观离散元模拟及试验研究

水压致裂起裂压力的预测对于油气开采、地应力测量、水工结构物抗裂设计等具有重要的意义。采用颗粒离散元结合域-管道渗流模型的流固耦合非连续数值模拟方法,基于扩展前端法生成的含规则形状钻孔的颗粒体模型,对水压致裂的细观起裂过程和起裂压力大小进行了定量模拟。结果表明,在消除了颗粒体中钻孔形状不规则性的基础上,钻孔壁的接触力链分布与理论解较为一致,拟合的离散元起裂压力公式也与理论解较为接近。进一步地,从颗粒材料受挤压时产生局部张拉力的角度解释了起裂压力拟合公式与理论解之间的差别。最后,设计了含预制钻孔的抗渗砂浆试块制备方法,对不同主应力组合下的起裂压力大小进行了真三轴室内试验,验证了离散元模拟结果的可靠性。     

基于FLAC3D岩石黏弹塑性流变模型的二次开发研究

由于岩土介质的复杂多样性,通用分析软件所提供的岩石流变本构模型往往不能满足工程实际数值分析的需要。依据FLAC3D（Version 2.1）所提供的二次开发程序接口,结合西原黏弹塑性流变模型分析了二次开发程序运行的基本原理,给出了西原流变模型具体实施的程序框图和代码编写中应该注意的几个关键技术。通过一个简单的算例验证了程序编制的正确性与可靠性。由于采用了面向对象的程序技术,FLAC3D二次开发接口更加简单实用,提供的研究思路可为其他流变本构模型的二次开发提供参考。     

基于岩石薄片分析的介形类化石赋存状态及地质意义——以济阳坳陷始新统泥页岩为例

首次利用岩石薄片观察和统计介形类化石的赋存状态,对济阳坳陷页岩的沉积环境及层序进行了研究。根据介形类化石在层面上的分布特征,将化石分布形式分为均匀分布、零星分布、条带状分布三种,按其保存状况分为双瓣、单瓣、破碎及压扁变形四种类型,化石丰度分为丰富(100瓣/4cm2)、中等(30~100瓣/4cm2)和稀少(30瓣/4cm2)三种。介形类化石的赋存状态与古盐度、岩相、层序及页岩中碳酸盐含量密切相关。研究表明:1济阳坳陷古近系沙河街组四段纯下亚段(Es4cx)——古近系沙河街组三段下亚段(Es3x)沉积期水体环境经历了由咸变淡的过程,盐度变化与化石丰度变化一致;2碳酸盐含量处于50%~60%范围内,最有利于介形类化石的保存;3纹层状灰质泥岩相和纹层状泥质灰岩相化石丰度高,但纹层状构造形成时期沉积速率慢,沉积基底较坚实,不利于介形虫死亡后的埋藏和保存,因此化石多以破碎为主。4介形类化石的盛衰与地层层序关系密切,一个层序内化石丰度呈现为出现-繁盛-衰退三个阶段,分别对应于低位体系域、湖扩展体系域和高位体系域。该方法解决了常规分析中难以观察到的化石原始保存和分布状态的问题,实现化石信息获取的最大化。     

压磁套芯三维原地应力测量研究

压磁套芯解除法是20世纪50年代开始发展起来的原地应力测试技术。为了实现在单一钻孔中进行三维地应力测量研制了单孔全应力计。在简单介绍压磁全应力计结构和计算原理的基础上,通过现场测试,对在锦屏二级水电站地下厂房洞群区压磁套心解除3孔交汇法三维地应力测量和单孔三维地应力测量及水压致裂地应力测量进行了比较分析研究。测量结果表明,在探洞浅部,受局部地形影响,测点的应力分布主要受自重和地形地貌控制,形成特有的“V”型河谷岸坡内的局部应力状态,最大主应力为11 MPa左右,作用方向NNW基本近水平;在探洞深部地应力应力值较高,最大主应力为40 MPa左右,作用方向近直立;随水平埋深的增大最大主应力由近水平状态转变为近直立状态,说明在洞深部自重应力起主导作用。通过三种方法测量结果的对比分析,说明压磁套心解除单孔三维地应力测试技术与压磁套心解除3孔交汇法和水压致裂地应力测试技术具有相同测试精度。     

郯庐断裂带山东段深孔地应力测量及其现今活动性分析

已有的地表调查和GPS位移测量、深部震源机制等研究结果表明,郯庐断裂山东段现今活动性表现为顺时针压扭性活动特征。为揭示郯庐（郯城－庐江）断裂带山东段地表和深部之间地壳浅表层日本大地震发生后的现今地应力状态和活动特征,在鲁东北部花岗岩地区开展了600 m的钻探工程与地应力测量工作。钻探岩芯编录初步揭示地壳浅表层岩体结构特征,随深度系统的地应力测量结果表明,现今水平主应力起主导作用,易于断层走滑作用发生,且现今最大水平主应力方向为近东西向,反映出郯庐断裂带山东段现今活动特征为压性兼右旋走滑,与地表和深部已有研究成果相吻合。研究成果为郯庐断裂带山东段现今活动性研究补充了新的资料。     

基于钻孔形态分析的地应力测量方法研究

地应力作用下的钻孔孔壁会发生一定程度的变形,导致钻孔横截面形状会发生变化,变形后的钻孔几何形态也反映了钻孔受力状态。在经典岩石力学理论的基础上,研究钻孔在平面二维应力作用下的几何形态,建立应力与变形后圆孔几何参数的关系,实现基于钻孔椭圆参数的应力解算,并提出钻孔椭圆参数的测量方法和测量技术,形成一种新的基于钻孔形态分析的地应力测量方法。结果表明,（1）在平面二维应力作用下圆孔变形后的几何形态为椭圆,推导了椭圆参数与应力的关系表达式;（2）利用3个不同方向的孔径值可以实现椭圆参数的解算,研发触头式显微光学孔径测量技术,实现了钻孔形态的测量,从原理上分析了技术实现的可行性,并就该技术进行地应力测量过程中可能存在的问题进行了探讨;（3）通过室内模拟试验,验证了技术原理的可行性,并通过误差分析和实例计算对该方法测量结果的准确性进行了讨论。     

油页岩原位加热温度场测温误差的评价

基于有限体积方法,对当前国内研究程度较高的IFCD原位开采技术进行数值模拟,分析测温井系统误差的形成原因与机理,并重点阐述测温误差的影响程度及变化规律。研究表明:不同材料之间的物性差异会对局部温度场的分布产生干扰,并使得测量值显著偏离真值,偏离程度由加热时间和热源间距共同控制。模拟过程的平均相对误差为3. 15%,最大相对误差可达15%。随着加热时间的延长,测温误差呈现出先增大后减小的趋势,而随着热源间距的增加,测温误差则先降低后增加。     

利用室内和现场水压致裂试验联合确定地应力与岩石抗拉强度

钻杆式水压致裂原地应力测试系统的柔性会影响最大水平主应力的计算精度。利用空心岩柱液压致裂试验获得的岩石抗拉强度来取代重张压力计算最大水平主应力是降低钻杆式测试系统柔性的负面影响的重要途径。在福建某隧道深度为65 m的钻孔内开展了8段的高质量水压致裂原地应力测试,随后利用钻孔所揭露的完整岩芯开展了17个岩样的空心岩柱液压致裂试验。利用空心岩柱液压致裂所得的抗拉强度平均值为8.40 MPa,与经典水压致裂法确定的岩体抗拉强度8.22 MPa接近。对于20 m的范围内8个测段的原地应力量值,最小水平主应力平均值为8.41 MPa,基于重张压力P_r的最大水平主应力平均值为16.70 MPa;基于空心岩柱抗拉强度的最大水平主应力量值平均值为16.88 MPa,两种方法获得的最大水平主应力平均值基本一致。最大最小水平主应力与垂直主应力之间的关系表现为σ_H > σ_V > σ_h,这种应力状态有利于区域走滑断层活动。通过对比分析可知,对于钻杆式水压致裂原地应力测试系统,当测试深度小且测试系统柔性小时,基于重张压力和基于空心岩柱抗拉强度得到的最大水平主应力量值差别不大,这说明基于空心岩柱的岩石抗拉强度完全可以用于水压致裂最大水平主应力的计算,同时基于微小系统柔性的水压致裂测试系统获得的现场岩体强度也是可靠的。      

隧道地应力测试及岩爆预测研究

高地应力以及由此诱发的地质灾害（如岩爆等）是目前隧道施工中经常遇到的工程地质问题,地应力测试则是进行隧道岩爆及其其他灾害预测预报的重要内容,利用岩石声发射Kaiser效应测试地应力应用较为广泛,作者采用岩石声发射Kaiser效应法对隧道岩体初始地应力场进行了测试,结果表明,笔架山隧道应力总体状态为稳定型,岩体应力量级普遍较低。利用所测得的地应力场数据,结合国内外相关岩爆判据判定和理论分析,进一步得出笔架山隧道不会发生岩爆的结论。通过2D-σ有限元数值模拟,对笔架山隧道开挖中是否会产生岩爆等施工地质灾害做出了最终的判定,这种综合预测方法的准确性和可靠性较以前单一的岩爆预测方法大大提高,在岩爆预测理论和工程应用方面具有很好的参考价值。     

川甘陕交汇地区现今地应力环境与地震危险性

川甘陕交汇地区新构造活动强烈、地震频发,具有复杂多样的构造变形模式和构造强烈活动特征,为一潜在地震危险性研究的关键构造部位。为了查明川甘陕交汇关键构造部位地壳浅表层现今地应力环境和潜在地震危险性,在甘肃省水市甘谷县及四川省广元市三堆镇实施机械岩心钻探工程和水压致裂地应力测量。地应力测量结果表明,甘谷钻孔3个主应力关系为SHShSv,甘谷地区现今水平主应力起主导作用,且具有较高地应力值,钻孔附近最大水平主压应力方位平均为N41°E,易于钻孔附近北西西向西秦岭北缘断裂产生左旋走滑兼逆冲活动;三堆钻孔3个主应力关系为SHShSv,该地区现今水平主应力起主导作用,钻孔附近最大水平主压应力方位平均为N85°W,利于钻孔附近北东向青川断裂产生右旋走滑兼逆冲活动。利用库仑摩擦滑动准则对断裂活动进行分析,结果表明天水和广元地区的地应力大小均已经达到了使地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,需加强地应力实时监测和分析。该研究成果为川甘陕交汇关键构造部位的断裂活动性分析和地质环境安全评价提供科学依据。     

淮南矿区深部地应力场特征研究

利用水压致裂法和套孔应力解除法对淮南矿区-500～-1 000 m深度范围内的12个矿井进行了地应力测量,取得了19个有效测点的数据。数据分析表明：（1）淮南矿区深部地应力场以水平应力为主,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;（2）地应力量级属高应力水平;（3）垂直主应力、最大及最小水平主应力随深度的增加均呈增大趋势;（4）侧压系数 随深度增大而减小,地应力场有从大地动应力场型向准静水压力场型过渡的趋势;（5）侧压比 的回归曲线分布于Hoek-Brown内外包线带内,且变化趋势与Hoek-Brown曲线相似,但与Hoek-Brown曲线相比,回归曲线 值偏小;（6）最大水平主应力与最小水平主应力的比值范围为1.12～2.02,其中68.42%的测点分布在1.67～2.02之间;（7）最大水平主应力方位为NEE－EW向。最后探讨了淮南矿区地应力与地质构造的关系,分析认为,矿区最大主应力方向与构造运动密切相关,矿区现今构造应力场最大主应力方位与实测最大水平主应力方位大致吻合。     

利用钻孔崩落数据再认识白鹤滩右岸地应力场特征

白鹤滩水电站是仅次于三峡水电站的第二大水电站,位于中国西南地区川滇菱形块体内的金沙江上。通常地壳应力状态是影响地下工程安全的重要地质因素,对地下硐室稳定性分析具有重要意义。在水电站右岸厂房建设过程中,为了水电站的长期安全运营,采用超声波井下电视录井测试系统对白鹤滩右岸厂房锚固洞内7处钻孔进行测试,基于钻孔崩落数据计算了现今白鹤滩右岸厂房区域上方工程岩体的主应力方向。研究结果表明：白鹤滩右岸厂房区域最大水平主应力（SH）方向为北北东—南南西方向,主要受到构造应力、自重应力、河流剥蚀作用以及岸坡卸荷作用的共同影响,属于局部构造应力场。