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。     

松辽盆地深部基底地应力状态：来自松科2井地应力实测数据的证据

松辽盆地基底内的地应力状态是地震等地质灾害研究、盆地动力学分析和油气资源开发利用等领域的重要基础数据。岩心非弹性应变恢复法是近年来发展起来的基于钻孔岩心的近原位三维地应力测量方法。本文将岩心非弹性应变恢复法应用于松辽盆地大陆科学钻探松科2井(SK-2)深部地应力测量,获得了松辽盆地基底内近6～7 km的三维地应力状态,结果表明盆地基底内(6 646～6 846 m)为走滑断层应力环境(σ_H>σ_V>σ_h),最大水平主应力方向为近E-W方向。盆地基底内的应力状态与盆地内及周边邻近区域的震源机制解(震源深度7～15 km)所反演的应力环境相吻合。盆地基底处于以E-W向近水平挤压为主导的构造应力场,这种应力状态的形成,可能为西太平洋板块NW向挤压运动背景下,受控于NE-NEE走向的依兰—伊通断裂和敦化—密山断裂右行走滑产生的次级应力场。研究结果对于认识区域构造应力场背景及松辽盆地的形成与演化过程具有重要参考价值。     

龙门山北端青川断层附近应力测量与断层稳定性

汶川8.0级地震后, 余震是否沿青川断裂向汉中方向发展, 是否还会发生强烈余震成为社会关注的问题。为了查明汶川8.0级地震后青川断层库仑应力的变化, 判明余震的发展趋势, 2008年6月2日~28日我们在青川断裂中段阳平关一带开展了断层附近原地应力测量研究, 在3个钻孔中分别用水压致裂法和解除法得到了断层上下盘构造应力的大小、方向和分布特征。根据实测的地应力资料, 断层附近最大水平主压应力方向为NE-NEE向, 与区域构造应力SN-NNE向主压应力方向有一些差异, 说明受断层活动影响, 断层附近的应力状态与区域应力场已经发生了改变。青川断层是一条逆冲兼右行走滑的活动断裂, 在汶川大地震中虽未见其活动, 但其阻隔了余震向北发展, 表明该断层是一条重要的边界断层, 既是区域构造分区的界线, 也是区域应力场的分区标志线。利用地应力实测资料研究了断层的活动性, 在测量深度域内水平和铅直应力的关系为σ_H>σ_h>σ_V, 该应力状态有利于逆断层活动, 与地质资料反映的以逆断层活动及近期在断层附近发生的地质异常现象一致。利用库仑摩擦滑动准则, 摩擦强度取0.6~1.0进行分析, 断层附近的现今地应力状态接近产生逆断层摩擦滑动的临界值, 其中断裂东段发生逆断层活动的可能性较小, 相比而言, 青川断裂带西段危险性更大。      

煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究

为了研究煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律,采用型煤试样,利用自主研发的水力压裂实验系统,参照现场压裂施工制定了“施加三向应力-顶部注水”的煤岩水力压裂物理模拟实验方案并开展了水力压裂实验,分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。实验结果表明:压裂液泵注排量越大,起裂压力越大。三向应力满足最大水平主应力σ_H > 垂向应力σ_v > 最小水平主应力σ_h,水力压裂裂缝沿着垂直于σ_h的方向扩展。σ_v和σ_h一定,随着σ_H的增大,煤岩起裂压力先增大后减小,水力压裂裂缝扩展路径越平直。当σ_H远大于σ_v和σ_h时,水力压裂裂缝扩展路径越复杂,分叉缝角度越大。研究结果可为煤岩水力压裂理论的完善提供一定的参考和借鉴。      

太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用

采用水压致裂地应力测试技术,开展了山西太原抽水蓄能电站工程2个孔(孔深500 m和520 m)的地应力测试工作,获得了工程区关键部位地应力状态,分析了工程区的地应力水平、地下建筑布设方式和衬砌形式。结果表明:工程区最大水平主应力为10.98～18.09 MPa,最小水平主应力为6.79～11.32MPa,垂直主应力9.61～13.57 MPa;与山西省南北两端“南高北低”地应力值相比,此次测值处于两者之间,与沁水盆地地应力场模拟值相比,测试结果基本一致;垂直应力介于最大水平主应力和最小水平主应力之间(S_H>S_V>S_h),即测点的最大水平应力即最大主应力,且处于走滑型应力状态,其侧压系数K_av为0.92～1.09,反映出工程区构造作用不强烈;2个钻孔330～506 m范围内岩石饱和单轴抗压强度(R_b)为35.00～107.00 MPa,平均为63.79 MPa,岩石饱和单轴抗压强度与最大主应力比值(R_b/σ_m)为3.54～5...     

山东蓬莱近海岸的地应力状态及断层稳定性评价

为查明蓬莱近海岸的地应力状态,开展了2个钻孔（深度小于200m）的水压致裂地应力测量工作,并与长岛附近海域3个钻孔的地应力状态进行了对比,采用回归分析方法,分析了该地区地应力随深度变化的特征,结合最大剪应力与平均主应力之比（μ_m）和侧压力系数（K'）探讨了研究区的断层稳定性。结果表明:蓬莱近海岸和长岛海域的地应力状态基本一致,最大水平主应力方向主要表现为北东东至东西向,这与华北的区域应力场相一致;水平应力的梯度大于环渤海圈的平均地应力梯度;研究区浅部三向主应力相对大小以S_H > S_h > S_v为主,这有利于逆断层的活动;研究区K'值和μ_m值均较高,分布区间分别为:2.76~3.98和0.47~0.59;陆区断层与区域应力方向均以较大角度相交,处于稳定的状态;海域的北西西向和北东向断层与区域应力场的方向夹角较小,如果区域应力持续增强,将有利于走滑断层的活动,这与震源机制以走滑型地震为主相符。研究结果对研究区内断层稳定性的评价和重大工程的设计及施工都具有重要参考意义。      

东构造结墨脱关键区域地应力场特征及其构造稳定性分析

为获取东构造结关键构造部位地应力特征、分析其构造稳定性,采用水压致裂法开展了墨脱断裂带西让段1个地应力孔、11个测试段的原位地应力测量工作。结果表明:61.43～121.34 m测试段最大、最小水平主应力值(S_H、S_h)分别为3.05～14.50 MPa和2.16～9.87 MPa,垂向主应力值(S_v)为1.63～3.31MPa,即S_H>S_h>S_v;测点处应力场以水平挤压作用为主,均处于逆断层应力状态,且其主应力值随深度增加而逐渐增大,测点的最大水平主应力优势方位为北东东向;在整个地应力测量深度范围内,侧压系数值(K_av)为1.39～4.38,最大水平应力系数值(K_Hv)均大于1,且比值随深度的增加而增大,该关键部位区域应力场以水平应力为主导,方向性较强,所有测试段水平应力系数值(K_Hh)为1.23～1.66,与林芝-通麦段地应力特征参数计算结果基本相似;测点位置98 m以浅地层...     

中核甘肃核技术产业园预选厂址区地应力测量研究

为更科学地指导中核甘肃核技术产业园的选址工作,需对预选厂址工程区范围内岩体的地应力状态及分布规律进行分析研究。在预选厂址工程区内对2个450m深的钻孔开展水压致裂原地应力测试,并采用了4种方法进行关闭压力处理来保证主应力值的可靠性和准确性。压裂测试结果表明,工程区内最大水平主应力值6.66~25.91 MPa,最小水平主应力值3.94~15.76 MPa,水平主应力和垂直应力关系为S_HS_hS_v,揭示工程区内水平应力作用占主导,利于逆断层活动。印模测试结果显示最大水平主应力优势方位为NE方向,与区域构造应力场方向基本吻合。基于实测数据计算K_(av)、K_(Hv)、K_(Hh)、μm和τm这5种应力状态特征参数,并利用库伦摩擦滑动准则分析预选厂址区断层活动性,进而综合评价预选厂址区的应力场特征及其对岩体工程稳定性的影响。     

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。      

鄂尔多斯地块南缘地应力测量研究

利用水压致裂法得到的地应力测试数据对鄂尔多斯地块南缘地壳浅部地应力分布规律及断层活动性进行研究。结果表明:（1）两个水平主应力随深度线性增长,应力梯度分别为0.032和0.021,在测量深度域内水平和垂直应力的关系为S_H > S_h > S_V,该应力状态有利于断层发生逆断层活动,与1556年华山大地震的发震正断层的性质不同;（2）研究区的最大水平主应力方向为北南-北北西向,与区域速度矢量场方向一致,与其他资料解译的区域构造应力方向有一些差异,主要是受鄂尔多斯地块周缘断层活动的影响;（3）利用Mohr-Coulomb准则及Byerlee定律,摩擦系数取0.6~1.0,对研究区的地应力状态进行分析,发现鄂尔多斯地块南缘的测点未达到或超过地壳破裂极限状态,不存在断层失稳或地震等其他形式的地壳活动,处于较稳定地壳应力状态;（4）实测数据为该区补充了新的地应力测量资料,研究结果为该区工程设计及建设、构造应力场数值模拟提供了边界条件,对于该区地质灾害评价、地壳稳定性以及大陆动力学的研究具有重要意义。      

甘肃某水电站的水压致裂三维地应力测量

本文详细介绍了常规水压致裂方法的测量程序以及三孔交汇法三维地应力测量的原理。同时为查明某水电站的三维地应力状态,在厂房附近的交通洞内开展了两个测点的三维地应力测量。测量结果表明:三个主应力的大小表现为S_HS_hS_v,有利于逆断层的活动,这与测孔附近发育的逆断层相符合。最大水平主应力S_H方向为NE31°和NE33°,这与区域应力场NE向或NNE向相一致;三维应力计算结果显示,两向水平主应力接近水平,垂直应力倾角大于70°。虽然洞轴线的布线方向与最大主应力夹角过大,由于工程区为非高应力区,因此不影响洞室的稳定性。     

成兰铁路地应力测量与构造应力场分布规律研究

成兰铁路位于青藏高原东部边缘高山峡谷区,由于印度板块与欧亚板块碰撞,区域内构造变形强烈,构造应力场十分复杂。为研究成兰铁路工程区地应力分布规律及断层稳定性,在铁路沿线茂县、松潘县以及宕昌县境内4个深孔水压致裂地应力测量基础上,获得了不同位置区域地应力实测值的大小和方向,并建立工程区应力参数随深度分布规律。分析表明:工程区应力随深度变化呈现出较好的线性关系,在测试深度范围内,水平应力普遍高于垂直主应力,地应力值总体上属于中—高地应力级别,在750 m深度内,最大水平主应力达25 MPa,反映出工程区构造应力占主导地位,侧压系数随深度呈缓慢衰减趋势。成兰铁路在不同构造单元上最大水平主应力方向有所不同,在东昆仑断裂以北甘南块体内,最大水平主应力为北北东向,在东昆仑断裂以南川青块体内最大水平主应力为北西向。根据实测的地应力数据并结合库伦滑动摩擦准则,对工程区内的断层稳定性进行了分析。文中取得的认识对成兰铁路工程区的构造应力场、断裂活动性的研究以及隧道工程的建设具有重要的参考意义。     

陕南特长公路隧道水压致裂法地应力测量结果及工程地质意义分析

中国西部地区地势复杂,区域构造应力场各向异性显著,了解地区地壳应力状态是判断隧道设计阶段线路布设合理性的基础,也是预测隧道施工过程可能出现岩爆、断层滑动等其他工程灾害的重要参数。为了研究陕南特长高速公路隧道现今地应力状态,基于古仙洞隧道钻孔(ZK10钻孔)与化龙山隧道钻孔(ZK11钻孔)水压致裂地应力测量,获得了两隧道现今地应力分布特征。古仙洞和化龙山特长深埋隧道最大埋深处S_H值分别为13 MPa和22 MPa;古仙洞与化龙山隧道的应力关系分别为S_H>S_h>S_v和S_H>S_v>S_h,水平主应力起主导作用;S_H方向为近北西—北西西向,与区域现今构造活动背景基本一致,主要受秦岭造山带活动断裂影响。基于地应力测量结果、相关理论及判断依据认为:最大水平主应力方向与洞轴线夹角,有利于隧道围岩稳定,研究区内古仙洞与化龙山隧道的总体布置是合理的;采用岩石强度应力比法、陶振宇判据、Russenes判据和岩石应力强度比法综合判定研究区内两隧道不具备发生中等强度以上等级岩爆的可能;利用莫尔-库伦准则及拜尔定律,摩擦系数μ取0.6~1.0,对研究区内两隧道的现今地应力状态分析后发现,两隧道附近断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,处于较稳定的应力状态。      

地应力在致密油勘探开发中的应用——以鄂尔多斯盆地黄陵地区为例

通过水力压裂、测井计算和水力压裂裂缝监测等方法,分析和计算黄陵地区延长组地应力大小和方向,结果表明黄陵探区延长组主应力方向NEE向;最大水平主应力(S_H)、垂直主应力(S_v)和最小水平主应力(S_h)满足：S_H>S_v>S_h,为典型的走滑应力。随着深度的增加,最大主应力、最小主应力和垂直主应力均逐增加。水平井应该平行于最大水平主应力方向,这样在钻井过程中所消耗能源最小,成本较低。     

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

川西地区地质构造环境复杂,该区深埋隧道建设过程中经常面临岩爆风险,而地应力条件对深埋隧道的规划建设和岩爆风险预判具有重要意义。本研究利用水压致裂法在川西折多山某深埋隧道开展了原地应力测量及其工程效应分析。某钻孔196~650 m深度范围内的地应力测试结果显示,隧址区以水平构造应力为主导,测试深度范围内水平主应力随深度线性增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。地应力结构整体以逆断型(S_H>S_h>S_v)为主,其中389.50~560.50 m深度范围属应力释放区,地应力结构以走滑型(S_H>S_v>S_h)为主。侧压系数及最大、最小水平主应力比值随深度分布基本符合中国大陆各参数变化特征。最大水平主应力方向为NWW向,与区域应力场分布及周边活动断裂反映的力学机制一致,主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲和高原物质东南向扩散作用控制。测点现今地应力强度较高,临近断裂失稳状态,随着应力的不断积累,区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能发生失稳滑动。最后,基于地应力测量结果对深埋隧道围岩稳定性进行了预判分析,受隧址区高地应力影响,围岩发生中-强岩爆的可能性较大,需优化设计并重点防护。     

地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析

鸭绿江断裂带为郯庐断裂系的重要分支，现今构造活动强烈，沿断裂带出露温泉60余处，地热资源丰富。为查明断裂带南段五龙背地区的现今地应力状态和断层的活动性，研究断裂活动对温泉地热水体的控制作用和远期影响，采用水压致裂法对该区开展了12个测段的原位地应力测量。测量结果显示，在测段深度36.80～215.50 m范围内，最大、最小水平主应力及垂直主应力值(S_H、S_h、S_v)分别为6.00～13.52 MPa、3.18～7.26 MPa和0.97～5.7 MPa，总体而言，3个主应力值呈现随深度的增加而逐渐增大的趋势，最大水平主应力方向以北东向为主；断裂带中段(198.60～207.80 m)，主应力关系为S_H>S_v>S_h，有利于走滑型活动，具有一定潜力的富水导水条件，断裂带上段(36.80～196.63 m)及下段(215.50m),S_H>S_h>S_v，有利于逆断层活动，热流通...     

南水北调西线第一期工程调水区水压致裂地应力测量及其工程意义

本文介绍了水压致裂地应力测量原理和方法及其在南水北调西线工程中的应用。在调水工程沿线测得主应力大小、方向,并分析了其相互关系和分布规律。结果表明现今地壳应力场水平主应力占主导地位,属逆断层状态,且σ_Hmax/σ_V较大,属于构造影响强烈地区,主压应力方向总体呈NE向,与区域构造线呈锐角相交,是造成区域大多数断裂压扭左行运动的主要动力。进一步分析了深埋隧道发生岩爆灾害的可能性,为南水北调西线工程各引水线路的优化设计和隧道灾害防治提供了可靠资料。      

贵州东南部榕江加里东褶皱带内的现今地应力分布特征及构造分析

贵州东南部位于盖层极不发育的榕江加里东褶皱带内,为查明该区域内的地应力状态,在贵州省黔南州境内进行了7个钻孔的水压致裂地应力测量工作,同时结合贵州西部已有研究结果和贵州西北部1个钻孔的地应力测量资料,对贵州东南部与西部和西北部的地应力分布差异进行了对比研究,最后结合断层的活动性质以及Byerlee准则探讨了测孔区域断层的稳定性,结果表明:水平主应力在研究区占主导地位,最大水平主应力方向表现为北西向;根据安德森断层理论,三向主应力的相对大小有利于逆断层和走滑断层的活动,这与研究区发育的活动断层性质相对应;最大和最小水平主应力的线性拟合结果表明,研究区水平主应力的梯度大于黔西煤层地区、广西盆地东北部和全国的地应力梯度值,最大水平主应力的值在相近深度上大于黔西、黔西北地区和广西盆地东北部;三都断裂带附近存在较高的构造应力,μ_m值（最大剪应力与平均主应力的比值）较高,表明断层处于摩擦极限平衡状态;而三江-融安断裂两侧的构造作用存在较为明显的差异,西侧的构造作用强于东侧;虽然部分钻孔内的μ_m值都处于高值,但区域应力方向与断层多以较大角度相交,因此断层是稳定的,这与研究区的地震活动性相吻合。      

雪峰山深孔水压致裂地应力测量及其意义

利用最新研制的深孔水压致裂地应力测量设备在雪峰山2000 m科钻先导孔内开展了原地应力测量,在孔深170~2021 m范围内获得了16个测段的有效地应力测量数据,是国内首次利用水压致裂法获得的孔深超过2000 m深度的原地应力测量成果。测量结果表明,地应力随孔深增加而逐渐加大,对实测数据进行线性回归,得到最大和最小水平主应力随深度变化的关系分别为:S_H=0.03328H+5.25408,S_h=0.0203H+4.5662,在孔深2021 m深度,其实测值分别为66.31 MPa和43.33 MPa。基于实测数据,结合钻孔成像测试和井温测试结果,对测点应力状态进行了综合分析。在170~800 m深度范围,三向主应力关系为S_H > S_h > S_v,有利于逆断层活动;孔深1000~2021 m表现为S_H > S_v > S_h,表明该区域深部应力结构属于走滑型。最大水平主应力方向为北西-北西西方向。基于实测地应力数据及莫尔-库伦破裂准则,对测区附近断层活动性进行了分析讨论,认为该区域断层处于稳定状态。      

安徽怀宁某地区地应力测量结果及其构造分析

通过水压致裂法对安徽怀宁某地区进行原位地应力测量,为后续洞室施工提供基础设计参数。本次测量采用单回路测试系统,最大开挖深度为203.2 m,获得了10段地应力测量值。测量结果表明：最大主应力值为9.32 MPa,小主应力最大值为7.48 MPa,最大主应力方向平均为北东74.5°,地应力结构为σH>σh>σv,可知当地地应力场主要受到水平构造应力场控制。实测的大小主应力均大于中国地区区域内的平均水平,主要是受到断层地貌以及花岗岩岩层的影响;实测的此片区最大水平主应力优势方向为北东向,与区域构造线重合;在开挖洞室时,洞轴线走向应当与所测的最大主应力方向尽量一致。