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1、目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力 解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化 为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。其 中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中 测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。目前 国内外地应力测量普遍采用空心包体应
2、变计测量技术。KX 81型空心包体应变计 由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间， 圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包 体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量 出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。1.2完全温度补偿技术KX 一 81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作 为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大 后记录下来。电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变
3、化，从而产生虚假的附加应变值。因此在现场测试中必须采取温度补偿措 施。惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作 II），流过R2和R4的电流相同（记作12）。（2） B，D两点电位相等，即UB二UD。因而有I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。测量时，选择适 当的电阻作为R1和R2,用一个可变电阻作为R3,令被测电阻充当R4，调节R3使 电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精 确。电桥不平衡时，G的电流IG与R1，R2，R3，R4有关。利用这一关系也可根据 IG及三个臂的电阻值求得第四个臂的阻值，因
4、此不平衡电桥原则上也可测量电 阻。在不平衡电桥中，G应从“检流计改称为“电流计”，其作用而不是检查有 无电流而是测量电流的大小。可见，不平衡电桥和平衡电桥的测量原理有原则上的 区别。利用电桥还可测量一些非电学量。1）根据惠斯顿电桥的原理自行设计并制成1个应变一电阻一电压转换装置， 在每一桥路中，除工作应变桥臂外，其他3个桥臂均为电阻，其温度系数为 1X10.6/C，这样电阻在温度变化1C时只产生5 X 10P变化，从而可以忽略 不计。2）增加1个热敏电阻，在应力解除过程中连续不断地测量测点的温度变化。3）在每一次应力解除完成后，进行温度、应变标定试验，为计算地应力给出正确的测量数据。测点的布置
5、测点布置测点应布置在裂隙、孔隙少且均匀致密的完整岩体中，且不受开采影响的区 域，一般选择在开拓巷道或专门硐室内布置测试钻孔。钻孔要施工到巷道或硐室扰 动应力场范围之外，避开巷道和采场的弯、叉拐、顶部等应力增高区，保证应力测 点处于原岩应力区，钻孔深度一般为巷道宽度的15倍。若测点处有断层，则要 把测点布置在断层扰动应力场范围之外，一般要远离断层，避开岩石破碎带、断裂 发育带。为了研究地应力随深度变化的规律，应尽可能在3个或3个以上水平进行测量。测点布置还需考虑现场实际条件，以便于 钻机的搬运、安装、施工、通水和通电等。测试步骤1）钻孔。采用750型矿用钻机钻孔，用中130 mm的取芯钻头施钻，
6、大孔深度8 m，仰角a为13，钻到8 m后，施工垂130 mm喇叭孔，以便导向，再钻多37 mm测量 孔，测量孔长32 cm。测量孔施工好后，用水冲洗干净，并将用丙酮浸泡过的擦拭 头送入小孑L中来回擦洗，以彻底清除小孔中的油污和石粉，待钻孔风干后安装应 变计，然后用罗盘测量钻孔的倾角a和方位角0O2）将60 g环氧树脂与11g593固化剂混合搅拌均匀后，倒人空心包体应变计 圆筒中，然后将柱塞插入内腔，用铝丝将其固定，用定位器接送棒把空心包体应变 计送人测量孔中预定位置后，用力推动安装杆，可使铝丝剪断，继续用力推动使黏 结剂流入应变计与测量孔孔壁之间的间隙里，8 h后黏结剂固化。同时测量出应变
7、计的偏角口。3）将应变计电缆从解除钻杆中钻出，12枚应变片引出的电缆线分别对应接在应变仪相应的接线位置上，接桥方式为14桥型，然后连接应变计与笔记本电 脑，接通220 V电源（井下需配备660 V变压为220 V的变压器），启动应变仪与笔 记本电脑，打开测试软件，设置好参数，待应变仪预热30 rain后，将空心包体应 变计12枚应变片调零。4）应力解除。解除岩体应力用col30 mm的取芯钻头，应力解除过程中，钻机 需低速旋转以防止甩传感器断电缆，慢慢钻进，每隔24s采集1次数据，直到应 力完全解除。5）将大孔68 m处的岩芯在实验室加工成标准试件，测定岩石的弹性模量和泊松比，最后计算测点的3
8、个主应力大小、倾角、方位角。当代钻孔地应力测量的主要问题（当代钻孔地应力测量的主要问题）在现代地应力测量中，从原理到方法以及计算主应力大小和方向的公式，都是建立在以假定岩石是各向同性体为前提的理论基础上的。但是，由于岩石内含有 大量孔隙、裂隙、节理以及沉积环境和岩浆流动所造成的矿物成份和组织结构的不 均匀，实际岩石的力学性质是各向异性的。其中二正交方向某一力学参量之比值， 为此参量的正交异性系数。把各向异性的岩石假定为各向同性体，将会给测量结果带来误差。我们假设 在正交异性岩体中，坐标面与正交异性对称面重合，用“应变丛法”和“圆钻孔法”进 行讨论。将实际的弹性模量各向异性的岩石，简化为各向同性
9、体来进行地应力测量，会使测得的主应力大小、方向和性质，均能与实际情况产生严重的偏差。另外，由于岩石强度极限的各向异性，使钻孔压裂法所测得的孔壁破裂方 向，业不是垂直孔轴的最大主压应力方向（水压致裂法）和最小主压应力方向（孔壁 破坏法），而应是由岩石强度极限最低方向和测点岩体应力状态所共同决定的一个 方向。如果岩石的最低强度极限值超过垂直孔轴主应力的大小，贝吐孔壁破裂方向 主要反映岩石强度极限最低的方位。钻孔效应问题在以往的地应力测量中犷没有考虑钻孔的效应。实际上当打钻孔和钻槽时， 由于钻头和钻杆在钻进中强烈的机械振动和高载荷的撞击，使距孔壁几厘米至几十 厘米内的围岩中发生了大量的微破裂，其数量
10、随与孔壁距离的减小而增加，因而围 岩的压缩弹性模量和强度极限随之明显降低，业引起它们的各向异性系数的增大。 因此，钻孔周围岩石力学性质不是均匀分布的，若不考虑钻孔效应，将使测量结果 严重失真。测量的时间效应问题在当代地应力测量中，都假定了被测的岩石是线弹性的。但对于岩石，严格 地讲，虎克定律只适用于在极短时间内加卸载的情况，当受力时间延长时，由于岩 石发生了蠕变，业且在蠕变第一阶段其塑性形变量相当大，因而已不遵从线弹性规 律。地应力测量中的钻孔法和钻槽法均使原地应力状态在测点遭到破坏而发生变 化。地应力本身由于动力来源、断层活动、震前各种物理场异常或地表环境的变化 （水库蓄水和放水、筑坝、大型
11、地下施工开挖）也会改变。在这些地应力变化过程 中，随时间的延长，由于岩石发生了蠕变，其各种力学参量也必然随之改变。又 由于岩石是有孔隙和裂隙的多晶体，其随所受压应力的增大而被压密，因而其力学 性质也随应力的大小而变，业且在低应力下变化较大，只有高应力下由于岩石被压密而趋向稳定。而实际地应力的量值也不 大，在所测量深度范围内均小于100 兆帕，正处于低载荷范围。蠕变使得岩体中的应力和应变关系，已不遵从弹性规律。由几十分钟到几天 的实验测得的岩石和岩体中的应力应变升降关系曲线出现了滞后环。因此，应力与应变之间失去了线弹性关系，说明应力和应变的变化趋势业不一定相同。岩石经过多 个滞后环后，由于我们不
12、知道所测岩石正处于什么应力状态，因而一个应变值可对 应多个应力值，同样一个应力值也可对应多个应变值，使得应力与应变之间已无单 值关系。可见，在常温常围压下，完成一个应力升降过程所需的时间超过几小时， 运用虎克定律所引起的误差，已掩盖了地应力的变化量级，业可达到地应力绝对 值。因之，若地应力测量过程中，由于解除和恢复等测量方法所造成的原地应力发 生一个升降变化的时间或地应力场本身完成一个升降变化的时间，在地表浅层超过 几小时，在地壳深层超过几分钟，如果还使用线弹性定律，那么，所引起的误差将 会使得测量结果无意义。岩石力学性质的多变性高水平地应力测量为要从根本上解决当代地应力测量中的主要向题，必须
13、做到下述几点:(1) 把测量建立在岩石力学性质各向异性的基础上，业在应力测量过程中于原 地同时测得必要的岩石各向异性力学参量。(2) 减小或避开钻孔效应的影响。建立非均匀各向异性地应力测量理论，同时 测量钻孔周围非均匀分布的各向力学参量，或用化学灌浆及预压来部分恢复钻孔围岩的力学性质，或不用钻孔。(3) 考虑或避开测量的时间效应。在流动地应力测量中，可尽量减短时间，在 定点长期连续观测中，可使用弹性选测法，如X射线法，或使用应力平衡法，如高 刚度实孔法或液压平衡法，以便用各向异性线弹性理论计算地应力。(4) 避开岩石力学性质多变性的影响。在地应力测量的同时于原位测量围岩的 有关力学参量，而不再
14、取样或取岩芯续测或标定；也可选测力学性质稳定的矿物的 有关参量，算得应力，来取代直接测量。(5) 分测各种地应力成份。地应力由古构造残余应力、现代构造应力、热应 力、重应力、湿应力等多种应力成份所组成。古构造残余应力是古构造运动的应力场残留至今的应力，分区域残余应力和 嵌镶残余应力两种。测量方法有X射线法、矿物光性法和显微光弹法。在中国、日本、 美国、英国和葡萄牙测得区域残余应力约为1020兆帕，在中国测得嵌镶残余应力约为0.5 1.6兆帕。热应力是由于地温变化而产生的应力，可通过测量岩体的热胀系数 a,、弹性模量E和各种深度的地温T计算而得。如，对a=27x10-6 (C-1 )的 石灰岩，
15、E=1x105(兆帕)，若地温变化 T=1(C)，当边界固定时，所引起的单轴 热应力ot二aEAT=2。7 (兆帕)。重应力是由上覆岩体重力引起的，在地球表层随深度的增加而增大。通过测 量各种岩体的密度P1、层厚d1、测点的重力加速度g,可算得第n层下边界深度 处的铅直重应力，由其所引起的同深度处水平重应力式中卩为岩体的平均泊松比。湿应力是由于岩体中含水量不同所造成的湿胀千缩引起的， 包括湿胀压力和千裂张力，前者约为0.21.5兆帕，后者约为0.58兆帕。可通 过测量岩石吸水率和吸水时间确定湿胀应变，再由湿胀应变和湿胀模量算得湿胀压 力。这样从总的地应力中减去这几种成份，便可测得现代构造应力。
