地应力测量方法

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1、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 深孔套芯解除法应变、弹性模量 深孔水压致裂法应力 岩芯的差应变法声波波速、应力 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 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

2、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bac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.36中全应力测量探头；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120 Q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

3、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： 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 ；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；1秒12小时采集控制时间问隔；RS232C接口可以实现事后通讯，事后

4、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；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，(7 - 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个仙e ;(3)量程： 19999 小 ;(4)供桥电压：2.4V或1.2V;(5)灵敏系数：0.001999.999 数字设置；(6)适用电阻应变片阻值：60 Q 1000 Q;( 7 )平衡方式：自动；(8)平衡范围：6000叱 ;9 )存贮空间：主机32K 字节；当实时通讯时为海量存贮；（ 10

5、 ）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 -仃曲线生成等功能；（ 15 ）电源： DC6V;（16）体积重量：55X 280 mm,重纳5Kg;（ 18 ）工作环境： 0 -85 ，井下 1000 米以内。 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

6、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/t曲线生成等功能；(9)单体积重量：小于80Kg;(10)工作环境：0C-100 C,井下2500米以内。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

7、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TD48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TD48热退磁炉。主要技术指标:(1)精度：0.1MPa ；(2)分辩度：0.01MPa ;(3)

8、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/t曲线生成等功能(8)单体积重量：小于60Kg;(9)工作环境：0C-100 C；(10)岩芯加工精度：小于0.02mm。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、9个步骤：施工大孔一磨平孔底一打小孔一清孔一仪器参数和定时参数设定一安装孔 底探头一套芯一地表率定一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。钻孔直径建议开孔段91 ,穿过基岩风化带，套管插入完整基岩12米，套管底部用水泥密封，后变径为76。测量小孔28mm ,深度400500mm 。建议测点间隔1020米，每孔510点，最少每孔测5点。主要是考虑到要实测地应力随深度的变化规律、测点的代表性、数学

10、统计计算的需要。钻机必须绝对服从测试人员的指挥。2） 地应力测量步骤控制在井下空心包体环氧树脂三轴应变法的应力解除过程如下（如图 8 ） ：打大孔：在用钻机向围岩钻进应力解除孔，钻孔深度以巷道围岩应力场的范围为准， 终孔点应不受环境围岩应力场的影响。 钻头直径取76mm 。磨平钻孔孔底，消除残余岩芯和岩块、岩粉，岩芯管后带取粉筒。换锥形钻头做锥形孔底：以保证后面的小孔与大孔同轴心。图8井下空心包体应变法应力解除过程示意图1 .施工钻孔；2.磨平孔底；3.孔底磨锥槽；4.施工小孔；5.安装地应力探头；6.套芯解除；7.套芯结束；8.取岩芯和应变仪打小孔：采用特制的液压钻具，换上 小36mm的小钻

11、头，打50cm深 的一段小钻孔。钻具不同深度上开有泻水孔，通过水压的变化，判断小孔的深度。空心包体安装：用砂纸将空心包体外侧圆柱面打毛；按比例配制好粘结剂（A, B两种液态材料按1:3）,在空心包体的空腔内倒入适量的粘结剂，固定好销钉，将包体安装在定向器上。用钻杆慢慢地将其送入大孔中，不断地接长钻杆，并记下长度，在剩余长度为 5m左右时要特别注意慢推，以保证包体能够完好地进到小孔中。前端近入小孔20cm左右，应注意包体筒体部分缓慢推入，探头和安装器脱钩，包体成功地安 装于小孔中应变初始数据：一般在安装包体20 小时左右，环氧树脂固化。将安装 器小心地从钻孔中提出，安装器中电子罗盘记下探头安装角

12、，所显示数字为应力计的安装角。套芯地应力解除与应变测试：在井下应变仪到达预定时间时，应变仪将自动启动， 开始测量， 此时应按预定深度开始缓慢钻进， 进行套芯解除，套芯解除至一定深度后，应变计读数趋于稳定。每隔 10 秒读数一次，连续记录 10 小时以上，达到预定深度后，不再解除。将包含包体的岩芯折断并取出，并对岩芯的岩性进行描述。每个测孔第一测点完成后， 在孔底重新锥形孔底， 再打小孔， 重复以上步骤，进行第二测点的测试。3）套芯法地应力测量工作周期单段测试工作周期为 48小时（单段：就是应力解除一次所用的时间） 。 深孔水压致裂法1 ）水压致裂法地应力测量原理水压致裂地应力测量原理就是利用水

13、压致裂装置将一对封隔器把钻孔的一段岩壁密封， 向封隔段内施加压力， 进而使所压部位撑裂， 形成沿是大水平主应力方向的裂缝，测出相应力学参数，通过计算，获得所测部位的地应力状态，具体原理见图 9 。水压效裂装置图9水压致裂应力测量原理图水压致裂原地应力测量是以弹性力学为基础，以测量地点为依托，并以三个假设为前提的。三个假设分别为:(1)岩石是线弹性和各向同性的；(2)岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；(3)岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行。在上述理论和假设前提下,水压致裂的力学模型可简化为一个平面应变问题，如图 9所示。根据弹性力学原理，在作用有两向主应力(7 1和02的无限大平

14、板内，有一半径为a的圆孔，则圆孔外任何一点M处的应力为:2 ar2 a2 r2 a21 223a44a2-2 r3a44r3a4.-cos2 rcos2sin 20O* k-.LL、.二.一一.一(_ 一.二二 L l I 1 图9水压致裂应力测量的力学模型式中仃为M点的径向应力，皿为切向应力，为剪应力，r为M点到圆孔中心的距离；8为3方向起反时针量测的角度。当r=a时，即为圆孔壁上的应力 状态:2 cos2由式(2)可得出如图9(2)所示的孔壁A、B两点及其对称处(A、B)的应力集中分别为：液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时， 将在最小切向应力的位置上，即A点及其对称点A处产生张破裂。并且破裂将沿着垂直于最小主应力的方向扩展。此时把孔壁产生破裂的外加液压 Pb称为临界破裂压力。临界破裂压力等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度Thf,即:若考虑岩石中所存在的孔隙压力P0 ，将有效应力换成区域主应力，则式(5)将变为：Pb3S2S1ThfP0(6)此处的S2、Si分别为原地应力场中的最小和最大水平主应力。在垂直钻孔中测量地应力时，常将最大、最小水下主应力分别写为Sh和Sh ,即Si Sh ,S