地应力测量,hao

地应力测量的国内外研究现状地应力（in-situ stress） ，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。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。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场（雷化南，等译.1976） 。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。因此，岩石中的原地应力是由主动施加的力和积蓄的残余应变两者引起的。地应力测量（In situ stress measurement） ，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测量是一项综合性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地完成，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。即使如此，地应力测量中也往往会出现同一测点测量值分散的情况。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。1 地应力测量在国外发展概况及研究现状人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于 20 世纪 30 年代。1932 年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝(HooverDam)下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。此后，地应力测试技术一直停留在岩体表面应力测量上，发展十分缓慢，在 20 世纪 50 年代，哈斯特(Hast)采用应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量，并于 1958 年首次公布了他于 1952-1953 年在瑞典拉伊斯瓦尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛(seandinavianPeninsula)四个矿区的地应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高于垂直应力，且最大水平应力一般为垂直应力的 1~2 倍，从事实上2否定了传统地应力理论的假设，引起了人们的关注。此后，地应力测量工作在加拿大、美国、南非、澳大利亚等国得到较为广泛的开展。如 50 年代初瑞典科学家哈斯特博士通过测量地应力发现：地下介质处于压应力状态，其应力值随深度线性增加。地应力测量技术和仪器是随着工程的需要不断被革新和发展的。20 世纪 60年代中期之前，地应力测量基本上处于平面应力测量水平，即通过一个单孔或一点的测量，只能确定该点某一剖面上的应力状态。进入 20 世纪 60 年代中期之后，随着岩石力学、数值分析、工程测试技术等学科的诞生和发展，地应力测量理论和测试技术也得到了创新和发展，这时出现了三维地应力测量技术，即通过一个单孔的测量就可以求得岩体中某一点的三维地应力状态，使钻孔应力测量技术进入了快速发展阶段，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CSIRO)研制的 CSIRO 型空心包体应变计应用最为广泛。60 年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出了水压致裂法，成为和应力解除法并驾齐驱的两大地应力测量方法;水压致裂法的突出优点是能够测量地壳深部的地应力。 1977 年美国人 Haimson 在深 5.1km 处进行了水力压裂地应力测量，并对此作了大量理论和实验研究。20 世纪 80 年代初，瑞典国家电力局(SSPB)研制成功了水下钻孔三向应变计，同时还开发了带有数据自动采集系统的井下三向应变计探头，使深钻孔应力测量技术达到了一个新的发展水平，其最大测量深度己达到 510m。到目前为止，地应力现场测量方法二十多种，主要分为直接法和间接法两大类：其中直接法主要包括扁千斤顶法、刚性包体应力计、之前提到的水压致裂法和声发射法等；间接法包括套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法和地球物理探测法等。经过几十年的努力，人们对地壳浅层的地应力分布规律有了一些基本的认识，同时，各个国家的专家学者也对本国或本地区的地应力分布规律进行了总结。根据实测资料，1980 年 Zoback 等人绘制了美国大陆的地壳应力图；1986年 StePhansson 等人建立了斯堪的纳维亚大陆的地应力数据库，并描绘了该地区地应力随深度的变化规律；Klein 和 Ban 分析了西欧的地应力分布规律；Herget分析了加拿大的地应力分布规律；李方全、刘光勋总结了我国现今的地应力状态;根据地应力测量资料和地震震源分析，格佐夫斯基编制了全苏联构造应力场3图；1988 年 Hudson 等人对英国的地应力分布规律进行了分析；高建理、丁健民等则总结了中国海区及其邻域的原地应力状态；Kugawara 等则总结了日本的地应力测量资料，分析了日本的地应力分布规律。通常在一个工程前期可以使用水压致裂法大致测出一个工程区域的地应力状态，而在施工过程中或者之后可以利用套孔应力解除比较准确的测量各点的地应力的大小和方向，而且经济上合理。近年来澳大利亚利用水压致裂法在矿山等地下工程进行了大量的地应力测量，印度也将其应用到水电工程建设中去。加拿大原子能机构利用套孔法进行了大量的测量，并对仪器和技术做了重大的改进；Sugawara，K. 和Obara，Y.115 提出了压实锥形孔底套孔解除法； Martin，C.D. 和Lanyon，G.W.[l6]分别利用水压致裂法、CSIRO 空心包体应变计和钻孔变形法在软岩中进行了地应力测量，并对结果进行了比较。2 地应力测量在国内的发展概况及研究现状我国的地应力研究是在李四光教授的倡导下开展起来的。20 世纪 40 年代，他就把地应力作为地质力学的一部分进行了研究。我国的地应力测量技术和设备的研制工作起步较晚，起始于 20 世纪 50 年代末期，而地应力实测工作从上个世纪 60 年代初开始，到目前为止已经取得了大量的测量数据。1962~1964 年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力测量成果。1964 年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力解除测量，测量深度为 80m。20 世纪 60 年代以来，开始了地应力对地震预报的研究，1966 年在河北省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，1980 年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，从而迈出了我国深部应力测量的第一步。20 世纪 80 年代中期成功研制出了 YG-81型压磁应力计，不仅缩短了在测量时所取完整岩心的长度，而且提高了测量的成功率和测量精度。20 世纪 70 年代以后，地应力测量技术获得了普遍发展和广泛应用，中国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院地质研究所、国家地震局地壳应力研究所、长江科学院等单位都进行了专门组织的地应力测量和研究工作。这一时期，在我国普遍采用的地应力测量设备是压磁式钻孔应力计等。进入 20 世纪 80 年代以后，空心包体应变计进入我国，随后地质力学研究4所、长沙矿冶研究所和长江科学院等都研制了自己的空心包体应变计，例如KX-81，KX-2003，CKX-97，CKX-01 型空心包体等在现场得到了广泛的应用。中国矿业大学研制了 YH3B-4 型空心包体应变计，同时还比较了空心包体应变计和 ANZI 应变计的功能特点，得出 ANZI 应变计更适合煤岩体的三维地应力测量。同时，在这一期间水压致裂法由地壳应力所从美国引入我国，在我国石油工程领域做出了巨大的贡献，并在实际工程中不断的被发展和改进，煤科总院同时在这一时期发明了小孔径水压致裂测量技术；目前出现了深孔和超深孔水压致裂法，获得了深度超过 6000m 的地壳应力数据 (M.D.Zoback，1993)以及预存裂隙水压致裂法(F.H.Comet，1984，1989，1997)，该方法可以在含有原生节理的测段进行水压致裂法测量。利用水压致裂法进行三维地应力测量，我国也作了许多工作(刘允芳，1991;高建理，1994)，取得了很好的测量结果。随着水压致裂法和应力解除法在我国的发展和普及，地应力测量工作己经在地震、水利水电、采矿、油田、交通和土木工程领域广泛开展。丰富的地应力现场测量资料不仅为工程设计提供了可靠的依据，而且加深了对我国地应力分布规律的认识。80 年代以后，地壳应力研究所率先在国内开展了水力压裂地应力测量的研究工作，并于 1980 年 10 月在河北易县首次成功进行了水力压裂法地应力测量，从而迈出了我国深钻孔地应力测量的第一步。1990 年以来，北京科技大学不仅在地应力测试理论方面进行了系统的研究，而且还在实验室试验研究和现场实测的基础上，提出了一系列考虑岩体非线性、不连续性、非均质性和各向异性、正确进行温度补偿等大幅度提高应力解除法测量精度的技术和措施。近年来提出了一种钻孔局部壁面应力全解除法。胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计，提高了测量元件的分辨率(0.000lrnrn，精度达到 0.2%)。原位测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法。深部地应力状态和分布规律是进行深部开采设计与巷道支护设计的重要科学依据。目前，我国煤炭系统的充州、淮南、大屯、潞安、开滦、邢台等矿区都进行了地应力测量，为后期深部资源开采作好了充分准备。如为了掌握徐州5矿区深部地应力分布规律，为深部巷道支护和煤层开采提供科学依据，在徐州矿区进行了现场地应力测量，并通过地质力学分析方法，通过对徐州矿区大范围构造背景、构造体系格局及其演化规律分析，得出了徐州矿区现今构造应力场的分布特征。但是对于深部岩体地应力测量，目前只有水力压裂法。水力压裂法地应力测量是对油井实施水力压裂增产技术发展而来的岩体应力测量方法，目前其最大测量深度己达 5105 米。从本质上讲，水压致裂法是一种平面应力测量方法，虽然该方法具有许多优点，但该法在确定地应力大小和方向时作了一些假定，从而使得测量结果的可靠性存在疑问。尽管水力压裂法有其自身的弊病，但在深部地应力测量中有着不可替代的作用，目前深部地壳应力实测数据资料目前主要是通过水力压裂法获得的。在石油工业中，20 世纪 80 年代以来，辽河油田、北京勘探开发研究院、吉林油田、胜利油田、大庆油田、华北油田等都相继开展了地应力测量及应用研究工作。1983 年，中国石油大学（华东）黄荣樽教授进行地层破裂压力预测新方法研究时，提出了考虑构造应力影响的地应力预测模式，即黄荣樽模式。1993 年以来，中国石油天然气总公司主持了“地应力测量及其在油气勘探开发中的应用”研究项目的全国性攻关。研究内容包括：多种地应力测量、计算、模拟、解释技术方法，储层裂缝的评价与预测，地应力演化与油气运移与富集，地应力状态与开发方案的选择，地应力场状态与油田改造方案选择和地应力在其它方面的应用等,其中，中国石油大学（华东）岩石力学实验室承担了分层地应力的研究工作。胜利油田闫树纹在国内较早的开展了应用测井资料解释地层参数。这些研究，对加快我国石油工业地应力研究及运用起到了很大推动作用。我国的地应力测量技术和设备从无到有，经过近 40 余年的发展，己经取得了长足的进步，但与国际先进水平相比尚有一定的差距，研究新的测量方法和测试技术解决目前地应力测量中存在的各种问题和不足，仍然是从事地应力测量与研究工作的广大科技人员面临的重大研究课题。3 地应力测量方法近半个世纪以来，特别是近 30 年来，随着地应力测量工作的不断开展，各6种测量方法和测量仪器也不断发展起来。就世界范围而言，目前主要测量方法有数十种之多，而对测量方法的分类并没有统一的标准。目前各国采用和正在研究的测定地应力的方法主要有：应力解除法，水压致裂法，钻孔锯法，非弹性应变恢复法等。利用从钻孔中采取的岩芯实验室测量方法有：凯塞尔效应法，变形率分析，微分应变曲线分