礦山地應(yīng)力測(cè)試方案

1、-礦山地應(yīng)力測(cè)試工作方案湖北省XXXXXX勘察院2015年4月目 錄1前 言22 地應(yīng)力的基本原理22.1 地應(yīng)力的基本概念22.2 地應(yīng)力的組成部分和影響因素32.3 地應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律52.4 我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的區(qū)域劃分83 水壓致裂法試驗(yàn)介紹103.1 水壓致裂法基本原理103.2 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的主要設(shè)備153.3 水壓致裂法測(cè)試步驟164 測(cè)試結(jié)果184.1 參數(shù)確定184.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)195 測(cè)試成果綜合分析225.1 試驗(yàn)結(jié)果的可靠性分析225.2 最大水平主應(yīng)力的量級(jí)225.3 最大水平主應(yīng)力的方向225.4 側(cè)壓系數(shù)及應(yīng)力構(gòu)成分析225.5 分析最大、最小水平主應(yīng)力與巖層深

2、度的關(guān)系236 地應(yīng)力場(chǎng)反演分析246.1 有限元數(shù)學(xué)模型多元回歸分析法基本原理256.2回歸結(jié)果分析261 前 言地應(yīng)力是引起采礦和其他各種地下或露天巖土開(kāi)挖工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖土工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提。地應(yīng)力是所有地下工程，包括地下采場(chǎng)、巷道地壓顯現(xiàn)的根本來(lái)源。地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力，也稱原巖應(yīng)力。在沒(méi)有開(kāi)挖工程擾動(dòng)的情況下，巖體處于原始平衡狀態(tài)。地下巷道或采場(chǎng)的開(kāi)挖，打破了原始平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地應(yīng)力的釋放，從而引起巖體的變形和向自由面的位移，引起圍巖應(yīng)力的重新分布。圍巖的過(guò)量位移和應(yīng)力集中將導(dǎo)致圍巖局部的或整體的

3、失穩(wěn)和破壞，這就是地壓形成的過(guò)程和機(jī)理。因此，從本質(zhì)上來(lái)定義，地壓就是巖體因受開(kāi)挖擾動(dòng)而產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)。它與巖體的受力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)和重量、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)條件以及時(shí)間等因素有關(guān)。2 地應(yīng)力的基本原理2.1 地應(yīng)力的基本概念蓄存在巖體內(nèi)部未受擾動(dòng)的應(yīng)力，稱之為地應(yīng)力(Insitu stress 或Geostress)，它是巖體中存在的一種固有力學(xué)狀態(tài)，是巖體區(qū)別于其它固體如土體的最基本特征。地應(yīng)力的概念最早是由瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆(Heim，1905-1912)提出。他認(rèn)為，巖體中有應(yīng)力存在，并處于近似靜水壓力狀態(tài)。應(yīng)力的大小等于上覆巖體的自重，即巖體中各個(gè)方向的應(yīng)力均等于(為巖體的重度

4、，H為研究點(diǎn)的深度)。此后，金尼克(1926)又根據(jù)彈性理論分析，假定巖體是均勻、連續(xù)的彈性介質(zhì)，提出巖體的鉛垂應(yīng)力為，而水平應(yīng)力應(yīng)等于的假說(shuō)(為巖石的泊松比，為側(cè)壓系數(shù))。按照金尼克的理論，海姆假說(shuō)只是金尼克假說(shuō)在時(shí)的一個(gè)特例。然而，隨著地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的積累，表明在淺層的地應(yīng)力并不符合海姆和金尼克假說(shuō)。瑞典哈斯特(Hast.N)于1952-1953年應(yīng)用壓磁式應(yīng)力計(jì)在斯堪的納維亞半島的4個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)的水平應(yīng)力普遍比鉛垂應(yīng)力要高。此后，許多國(guó)家相繼發(fā)展了多種在鉆孔中測(cè)量地應(yīng)力的方法，也都得到了相似的結(jié)論。1978年霍克和布朗(Hoek & Brown)在研

5、究了大量的實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料后指出，一般而言，巖體結(jié)構(gòu)中的鉛垂向地應(yīng)力主要由上覆巖體的自重產(chǎn)生，水平向地應(yīng)力介于同一深度的鉛垂向地應(yīng)力分量的一半到3倍左右，深部巖體(距地表千米以上)的應(yīng)力狀態(tài)，比較接近海姆假說(shuō)。2.2 地應(yīng)力的組成部分和影響因素地應(yīng)力主要由五個(gè)部分組成，即巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造、地形勢(shì)、剝蝕作用和封閉應(yīng)力。自重應(yīng)力是地心對(duì)巖體的引力。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力，包括古地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力，前者是地質(zhì)歷史上由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留于巖體內(nèi)部的應(yīng)力，也稱構(gòu)造殘余應(yīng)力；后者是現(xiàn)今正在形成某種構(gòu)造體系和構(gòu)造型式的應(yīng)力。地形勢(shì)與剝蝕作用引起的應(yīng)力僅僅表現(xiàn)在局部的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)受到影響。例如，高山峽谷

6、或深切山谷底部的應(yīng)力往往比較集中；地表剝蝕會(huì)使該處地應(yīng)力的鉛垂方向分量降低得較多，而水平分量基本保持不變。封閉應(yīng)力是地殼經(jīng)受高溫、高壓引起的巖石變形時(shí)，由于巖石顆粒的晶體之間發(fā)生摩擦，部分變形受到阻礙而將應(yīng)力封閉在巖石之中，并處于平衡狀態(tài)，即使卸載，其變形往往不能完全恢復(fù)，故稱封閉應(yīng)力。一般認(rèn)為，淺層巖體中地應(yīng)力的分布有以下5個(gè)方面的影響因素。2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響主要表現(xiàn)在影響應(yīng)力的分布和傳遞方面； 在均勻應(yīng)力場(chǎng)中，斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力量值和方向的影響是局部的； 在同一地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)，被斷層或其它大結(jié)構(gòu)面切割的各大塊體中的地應(yīng)力量值和方向均較一致，而靠近斷裂或

7、其它分離面附近，特別是在拐彎處、分叉處及兩端，因?yàn)槎际菓?yīng)力集中地帶，其量值和方向均有較大變化； 在活動(dòng)斷層附近和地震區(qū)，地應(yīng)力的量值和方向均有較大變化。2.2.2 地形地貌和剝蝕作用對(duì)地應(yīng)力的影響地形地貌對(duì)地應(yīng)力的影響十分復(fù)雜，至今沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。剝蝕作用對(duì)地應(yīng)力有顯著的影響。剝蝕前，巖體內(nèi)存在一定量值的鉛垂應(yīng)力和水平應(yīng)力。剝蝕后，鉛垂應(yīng)力降低得較多，而水平應(yīng)力降低得比較少，基本上保持原來(lái)的應(yīng)力量值。2.2.3 巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)地應(yīng)力的影響從能量積累的觀點(diǎn)來(lái)看，巖體地應(yīng)力是能量積累與釋放的結(jié)果。巖體地應(yīng)力的上限必然受到巖體強(qiáng)度的限制。因此，巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)地應(yīng)力的影響是顯而易見(jiàn)的。杰格爾(Jaeg

8、er)曾提出地應(yīng)力與巖石的抗壓強(qiáng)度成正比的概念。李光煜、白世偉通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)資料提出用巖體彈性模量(E)來(lái)評(píng)價(jià)巖石力學(xué)性質(zhì)與地應(yīng)力的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，E=50GPa以上的巖體，巖體中的地應(yīng)力一般為1030MPa, 而E小于10GPa的巖體，地應(yīng)力很少超過(guò)10MPa。他們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果還表明，在相同的地質(zhì)環(huán)境中，當(dāng)巖體的彈性模量分別2GPa和100GPa時(shí)，地應(yīng)力值分別為3MPa和30MPa。因此，彈性模量較大的巖體有利于地應(yīng)力的積累，其地應(yīng)力值也往往較高。2.2.4 水對(duì)地應(yīng)力的影響水對(duì)巖體中地應(yīng)力的影響是顯而易見(jiàn)的。由于巖體中水的存在而形成的巖石孔隙水壓力于巖石骨架承受的應(yīng)力共同組成巖體的地應(yīng)

9、力。因此，孔隙水壓力高的地區(qū)，巖體地應(yīng)力的量值也會(huì)相應(yīng)增加。2.2.5 溫度對(duì)地應(yīng)力的影響巖體溫度對(duì)地應(yīng)力的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：地溫梯度和巖體局部受溫度影響。一般而言，巖體溫度應(yīng)力為壓應(yīng)力，并隨深度的增加而增加，因此，隨著地溫梯度的增加，地應(yīng)力的量值有增加的趨勢(shì)。當(dāng)巖體局部受溫度影響時(shí)，由于溫度分布不均勻，會(huì)產(chǎn)生收縮和膨脹，導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響巖體的地應(yīng)力量值。2.3 地應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律由于地應(yīng)力的非均勻性以及地質(zhì)構(gòu)造、地形和巖體力學(xué)特性等的影響，地應(yīng)力的變化規(guī)律沒(méi)有明顯的確定性。但從實(shí)測(cè)資料來(lái)看，淺層(深度小于3000米)地應(yīng)力總體上遵循如下的規(guī)律：2.3.1 地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定

10、的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)巖體中地應(yīng)力除地殼深層外，絕大多數(shù)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓的三維應(yīng)力場(chǎng)。三個(gè)主應(yīng)力的量值和方向隨著空間位置和時(shí)間的變化而變化。地應(yīng)力在空間上的變化程度，就一個(gè)小范圍來(lái)講，例如一個(gè)水利樞紐工程或礦山工程，地應(yīng)力的量值和方向從一個(gè)地段到另一個(gè)地段發(fā)生變化。但對(duì)大的區(qū)域整體而言，地應(yīng)力的變化特別是最大主應(yīng)力的方向是不大的，例如，我國(guó)華北地區(qū)，地應(yīng)力的主導(dǎo)方向?yàn)楸蔽魑骱徒鼥|西向。地應(yīng)力的量值和方向在時(shí)間上的變化，就人類工程活動(dòng)所延續(xù)的時(shí)間而言，變化是緩慢的，可以忽略不計(jì)。2.3.2 實(shí)測(cè)鉛垂應(yīng)力基本上等于上覆巖層重量布朗(Brown)在總結(jié)世界上大量的地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)資料表明，在深度為

11、252700米范圍內(nèi)，地應(yīng)力的鉛垂向分量基本上等于上覆巖層重量，除少數(shù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)偏離較遠(yuǎn)之外(分散度小于5%)，其隨深度的變化按照巖石重度成線性增加，如圖4.1所示。2.3.3 水平應(yīng)力分量普遍大于鉛垂應(yīng)力分量國(guó)內(nèi)外地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較淺地層中，地應(yīng)力的水平向應(yīng)力分量絕大多數(shù)大于鉛垂向分量。最大水平向應(yīng)力與鉛垂向應(yīng)力比值(側(cè)壓系數(shù))一般為0.55.5，大部分在0.81.2之間。最大值甚至達(dá)到30或更大。目前，國(guó)內(nèi)外習(xí)慣采用兩個(gè)水平方向應(yīng)力的平均值與鉛垂向應(yīng)力的比值的比值來(lái)表示側(cè)壓系數(shù)。此比值一般在0.55.0之間，我國(guó)的實(shí)測(cè)值大多數(shù)在0.33.0之間，如表3.1所示。表3.1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果國(guó)家

12、名稱百分比比值<0.80.81.2>1.2中國(guó)3240282.09澳大利亞022782.95加拿大001002.56美國(guó)1841413.29挪威1717665.56瑞典001004.99南非4124352.50前蘇聯(lián)5129204.30其它地區(qū)37.537.5251.962.3.4 平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力比值(側(cè)壓系數(shù))同深度之間關(guān)系側(cè)壓系數(shù)是表征地區(qū)地應(yīng)力特性的主要指標(biāo)之一。一般而言，該值隨深度增加而減小，但在不同區(qū)域，有較大差異。布朗(Brown)根據(jù)圖3.1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果提出下式來(lái)描述這種變化趨勢(shì)： (1)已有的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)資料也表明（圖3.2），在鉆孔深度較淺(小于1000米)時(shí)，

13、比較分散，數(shù)值也較大。隨著深度的增加，的分散減小，并且向趨于1附近集中，類似前述的海姆假說(shuō)的靜水壓力狀態(tài)。2.3.5 最大水平主應(yīng)力方向與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系巖體中現(xiàn)存的最大水平主應(yīng)力方向主要取決于現(xiàn)在的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大主應(yīng)力方向與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系十分復(fù)雜，有的地區(qū)最大主應(yīng)力場(chǎng)方向與構(gòu)造線垂直，有的則平行。圖3.1地應(yīng)力的鉛垂向分量隨深度的變化規(guī)律圖3.2地應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)隨深度的變化規(guī)律2.4 我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的區(qū)域劃分根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的最大水平主應(yīng)力方向有較明顯的分區(qū)特征，如圖3.3所示。華北地區(qū)，主壓應(yīng)力方向以太行山為界，太行山以東的華北平原及其周邊山區(qū)，其主

14、壓應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向；太行山以西，主壓應(yīng)力方向近東南。秦嶺構(gòu)造帶以南，主壓應(yīng)力方向?yàn)楸蔽魑髦帘蔽飨颉|北地區(qū)主壓應(yīng)力方向以北東東為主。西部地區(qū)測(cè)得的主壓應(yīng)力方向以北北東方向?yàn)橹?，個(gè)別近東南方向。地應(yīng)力量值在我國(guó)的東西部地區(qū)有較大的差別。東部地區(qū)的地應(yīng)力量值比較低，在300m深度內(nèi)，一般地應(yīng)力最大值為8MPa左右。西部地區(qū)，地應(yīng)力量值比較高。例如，在四川二灘水電站實(shí)測(cè)的水平最大主應(yīng)力量值在山谷應(yīng)力集中處高達(dá)40-65MPa。圖3.3我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的最大水平主應(yīng)力方向分布3 水壓致裂法試驗(yàn)介紹國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)測(cè)試方法委員會(huì)1987年頒布了“測(cè)定巖石應(yīng)力的建議方法”。包括USBM型鉆孔孔徑變形計(jì)的鉆孔

15、孔徑變形測(cè)量法、CSIR(CSIRO)型鉆孔三軸應(yīng)變計(jì)鉆孔孔壁應(yīng)變測(cè)量法、水壓致裂法和巖體表面應(yīng)力的應(yīng)力恢復(fù)測(cè)量法。與其它三種測(cè)量方法相比，水壓致裂法具有以下其它優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量深度深； 資料整理時(shí)不需要巖石彈性參數(shù)參與計(jì)算，可以避免因巖石彈性參數(shù)取值不準(zhǔn)引起的誤差； 巖壁受力范圍較廣(鉆孔承壓段程度可達(dá)1-2米)，可以避免“點(diǎn)”應(yīng)力狀態(tài)的局限性和地質(zhì)條件不均勻性的影響； 操作簡(jiǎn)單，測(cè)試周期短。因此，水壓致裂法廣泛地應(yīng)用于水電、交通、礦山等巖石工程以及地球動(dòng)力學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。3.1 水壓致裂法基本原理水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量利用一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器，在預(yù)定的測(cè)試深度封隔一段鉆孔，然后泵入液體對(duì)該段

16、鉆孔施壓，根據(jù)壓裂過(guò)程曲線的壓力特征值計(jì)算地應(yīng)力。水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量原理以彈性力學(xué)平面問(wèn)題為基礎(chǔ)，并引入了如下三個(gè)假設(shè)： 圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體； 圍巖為多孔介質(zhì)時(shí)，注入的流體按達(dá)西定律在巖體孔隙中流動(dòng)； 巖體中地應(yīng)力的一個(gè)主方向?yàn)殂U垂方向，與鉛垂向測(cè)孔一致，大小等于上覆巖層的壓力。根據(jù)彈性理論，當(dāng)在具有應(yīng)力場(chǎng)的巖體中鉆一鉆孔，鉆孔周邊巖體將產(chǎn)生二次應(yīng)力場(chǎng)(圖4.1)，它與地應(yīng)力之間的關(guān)系如下： (2)式中，為鉆孔半徑，為徑向距離，為極徑與軸X的夾角，Z為鉆孔軸向，指向孔口。為巖石泊松比，為原始軸向主應(yīng)力(由上覆巖石自重確定)。圖3.1巖體中含一鉆孔的應(yīng)力分布在鉆孔孔壁處()的應(yīng)

17、力狀態(tài)為： (3)注意到地應(yīng)力場(chǎng)中的一主應(yīng)力為鉆孔軸線方向，有，同時(shí)，坐標(biāo)軸X取在鉆孔截面的最大水平主應(yīng)力方向，為方便起見(jiàn)去掉式(3)中的上標(biāo)，式(3)為： (4) 式中，和分別為鉆孔橫截面上最大和最小水平主應(yīng)力，為極角，以逆時(shí)針為正。當(dāng)鉆孔承壓注液受壓時(shí)，圍巖即產(chǎn)生附加應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)無(wú)限厚壁圓筒彈性理論解，圍巖產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)為： (5)在鉆孔孔壁()處，注液受壓引起的圍巖應(yīng)力狀態(tài)為 (6)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量鉆孔巖壁上的應(yīng)力狀態(tài)，是地應(yīng)力二次應(yīng)力場(chǎng)與液壓引起的附加應(yīng)力場(chǎng)的疊加，即 (7)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的經(jīng)典理論采用最大單軸拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則。在這種破壞準(zhǔn)則的制約下，式(7)中軸向應(yīng)力僅僅與

18、地應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，與液壓大小無(wú)關(guān)，它與徑向應(yīng)力僅僅提供了鉆孔巖壁三維應(yīng)力狀態(tài)的條件，與圍巖產(chǎn)生破裂狀況無(wú)關(guān)，一般不討論。對(duì)圍巖破裂起控制作用的是切向應(yīng)力，當(dāng)鉆孔承壓段注液受壓后，切向壓力以液壓等量值降低，最后轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力狀態(tài)。水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，破裂縫產(chǎn)生在鉆孔巖壁上拉應(yīng)力最大的部位。由式(7)可知，在鉆孔巖壁極角或的位置上，也就是最大水平主應(yīng)力方向，鉆孔巖壁的切向應(yīng)力最小(壓應(yīng)力為正)，其量值為： (8)由式(8)可知，當(dāng)液壓增加時(shí)，鉆孔巖壁切向應(yīng)力逐漸下降為拉應(yīng)力狀態(tài)，隨著液壓的增加，拉應(yīng)力也逐漸增加，當(dāng)拉應(yīng)力等于或大于圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鉆孔巖壁出現(xiàn)裂縫。這時(shí)承壓段的液壓就是破裂壓力。因

19、此，鉆孔承壓段周圍巖壁圍巖產(chǎn)生破裂(不考慮孔隙水壓力)的應(yīng)力條件為： (9)在深層巖體中，還存在孔隙水壓力，因此，巖體中的有效應(yīng)力為?？紤]巖體中的孔隙水壓力等作用，鉆孔承壓段周圍巖壁圍巖產(chǎn)生破裂的應(yīng)力條件為(海姆森)： (10)式中，K為孔隙滲透彈性參數(shù)，可在試驗(yàn)室內(nèi)確定，其變化范圍為。對(duì)非滲透性巖石，K值近似等于1，則上式可簡(jiǎn)化為 （11)鉆孔周壁圍巖破裂以后，立即關(guān)閉壓裂泵，這時(shí)維持裂縫張開(kāi)的瞬時(shí)關(guān)閉壓力與裂紋面相垂直的最小水平主應(yīng)力得到平衡，有： (12)根據(jù)式(11)，最大水平主應(yīng)力為： (13)當(dāng)鉆孔周邊圍巖第一次破裂以后(破裂壓力為)，對(duì)鉆孔進(jìn)行重復(fù)注液壓至破裂縫繼續(xù)張開(kāi)，這時(shí)的壓

20、力為重張壓力。由于圍巖已經(jīng)破碎，它的抗拉強(qiáng)度近似為零，根據(jù)式(11)，重張壓力為： (14)因此，式(13)為： (15)由于測(cè)量過(guò)程中，一般把測(cè)量?jī)x表和壓力傳感器放在地面上，測(cè)量值實(shí)際上為各壓裂參數(shù)特征值、和的名義值、和，考慮到靜水壓力影響，壓裂參數(shù)特征值和名義值之間符合以下關(guān)系： (16)式中，為水的重度，H為測(cè)試點(diǎn)深度?？紤]到測(cè)試鉆孔的靜水位一般在孔口，測(cè)試段的孔隙水壓力一般取值為測(cè)試段到地面的靜水壓力。將（12）、（15）式的和用和代入后有： (17)綜上所述，水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量中，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中得到的、即可以由式(17)確定鉆孔最大、最小水平主應(yīng)力大小，同時(shí)可以根據(jù)印模器記錄的裂紋

21、破裂方向確定最大水平主應(yīng)力方向。3.2 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的主要設(shè)備水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的主要設(shè)備由三個(gè)部分組成：一是鉆孔承壓段的封隔系統(tǒng)，它由串連在一起的兩個(gè)封隔器組成?？缃臃飧羝髯庵?，在兩個(gè)封隔器之間形成一個(gè)鉆孔承壓段的空間，承受逐漸增大的液壓。二是加壓系統(tǒng)，包括大流量高壓力的液壓泵，對(duì)封隔器和鉆孔承壓段分別加壓的管路系統(tǒng)以及地面上可以自由控制壓力液體流向的推拉閥；三是測(cè)量和記錄系統(tǒng)，包括函數(shù)記錄儀、壓力傳感器、流量傳感器、壓力表等。SYY56 型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置根據(jù)深部礦井井下特點(diǎn)，采用小孔徑(56mm)，不僅可減小高地應(yīng)力條件下測(cè)量鉆孔的變形，而且可顯著減少測(cè)量設(shè)備重

22、量，提高測(cè)量速度，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。具體指標(biāo)如下：測(cè)量鉆孔直徑為(56±2) mm；最大深度為30 m；最大水壓為40 MPa；定位精度為±3°。根據(jù)上述測(cè)量指標(biāo)，測(cè)量?jī)x器為北京開(kāi)采所自行開(kāi)發(fā)的SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置。采用小孔徑鉆孔(56 mm) ，可在井下進(jìn)行快速、大面積地應(yīng)力測(cè)量。同一鉆孔還可以用于巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)量(圖3.2、3.3)。該儀器由分隔器、印模器、定位器、超高壓泵站、儲(chǔ)能器、隔爆油泵及記錄儀等部件組成。輕便靈巧，性能穩(wěn)定，非常適合井下快速測(cè)量工作。 圖3.2 水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量示意 圖3.3 SYY56 型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝

23、置3.3 水壓致裂法測(cè)試步驟水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的壓力管路系統(tǒng)分雙管加壓系統(tǒng)和單管加壓系統(tǒng)。雙管加壓系統(tǒng)的管路是高壓油管和鉆桿，試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高壓油管和鉆桿對(duì)封隔器和鉆孔壓力段加壓。單管加壓系統(tǒng)的管路是鉆桿，試驗(yàn)過(guò)程中，依靠安裝在鉆孔孔口的推拉閥控制壓力液體的流向，分別對(duì)封隔器和鉆孔壓裂段加壓。本次試驗(yàn)中采用單管系統(tǒng)。水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的具體方框圖如圖4.3所示，相應(yīng)的壓裂過(guò)程曲線如圖4.4。在進(jìn)行正式水壓致裂測(cè)試之前，必須對(duì)鉆孔的透水率、鉆孔傾斜度等進(jìn)行檢查，同時(shí)根據(jù)工程的需要選擇合適的壓裂段, 并對(duì)每根加壓鉆桿進(jìn)行密封檢驗(yàn)。水壓致裂法測(cè)試步驟如下：(1) 座封：通過(guò)鉆桿將兩個(gè)可膨脹的橡

24、膠封隔器放置到選定的壓裂段，加壓使其膨脹、座封于孔壁上，形成承壓段空間(本次試驗(yàn)中座封壓力為4MPa)。(2) 注水加壓：通過(guò)鉆桿推動(dòng)轉(zhuǎn)換閥后，液壓泵對(duì)壓裂段注水加壓（此時(shí)封隔器壓力保持不變），鉆孔孔壁承受逐漸增強(qiáng)的液壓作用。(3) 巖壁致裂：在足夠大的液壓作用下，孔壁沿阻力最小的方向出現(xiàn)破裂，該破裂將在垂直于橫截面上最小主應(yīng)力的平面內(nèi)延伸。與之相應(yīng)，當(dāng)泵壓上升到臨界破裂壓力后，由于巖石破裂導(dǎo)致壓力值急劇下降。(4) 關(guān)泵：關(guān)閉壓力泵后，泵壓迅速下降，然后隨著壓裂液滲入到巖層泵壓下降緩慢。當(dāng)壓力降到使裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的壓力，即垂直于裂縫面的最小主應(yīng)力與液壓回路達(dá)到平衡時(shí)的壓力，稱為瞬時(shí)關(guān)

25、閉壓力。(5) 卸壓：打開(kāi)壓力閥卸壓，使裂縫完全閉合，泵壓記錄降為零。(6) 重張：按2至5步驟連續(xù)進(jìn)行多次加壓循環(huán)，以便取得合理的壓裂參數(shù)，以判斷巖石破裂和裂縫延伸的過(guò)程。(7) 解封：壓裂完畢后，通過(guò)鉆桿拉動(dòng)轉(zhuǎn)換閥，使封隔器內(nèi)液體通過(guò)鉆桿排出，此時(shí)封隔器收縮恢復(fù)原狀，即封隔器解封。(8) 破裂縫方向記錄：采用定向印模器，通過(guò)擴(kuò)張印模膠筒外層的生橡膠和能自動(dòng)定向的定向器記錄破裂縫的長(zhǎng)度和方向。圖3.4水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量程序圖3.5水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量壓裂過(guò)程曲線4 測(cè)試結(jié)果4.1 參數(shù)確定壓力參數(shù)、(或壓裂參數(shù)名義值、和)和是水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量計(jì)算地應(yīng)力量值的依據(jù)，通常根據(jù)壓裂過(guò)程曲線特

26、征的位置確定。一般地，破裂壓力取為第一次壓裂循環(huán)增壓曲線的峰值。重張壓力采用第二次及其以后壓裂循環(huán)曲線壓力上升部分拐點(diǎn)處的壓力。由于壓力上升部分曲線變化較陡，也可以把偏離直線(或近似直線)處的壓力視為重張壓力，如圖5.1所示。對(duì)于瞬時(shí)關(guān)閉壓力通常采用破裂壓力和重張壓力之后壓裂循環(huán)曲線下降部分拐點(diǎn)處的壓力。對(duì)于拐點(diǎn)不明顯的情況，可采用切線法和雙切線法，如圖5.2所示。巖體孔隙水壓力可采用孔隙水壓力計(jì)測(cè)量確定。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，一般情況下，巖體中的孔隙水壓力大體相當(dāng)于靜水壓力，因此，在沒(méi)有實(shí)際測(cè)量孔隙水壓力的情況下可以用該測(cè)段的靜水壓力代替孔隙水壓力。本項(xiàng)目中采用各鉆孔測(cè)段的靜水壓力代替孔隙水壓力，計(jì)

27、算式為：，其中，為水的重度，H為巖層深度。同時(shí)，根據(jù)上述章節(jié)的分析，鉆孔各測(cè)段的垂直向主應(yīng)力確定為：，式中，為巖層的重度，取為26000N/m3，H為巖層深度。圖5.1 依據(jù)壓力循環(huán)曲線確定、示意圖圖5.2 拐點(diǎn)法、切線法以及雙切線法確定示意圖4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)4.2.1水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試成果對(duì)巖體能夠滿足試驗(yàn)條件部位都進(jìn)行了水壓致裂地應(yīng)力試驗(yàn)，并獲得試驗(yàn)曲線，其測(cè)量結(jié)果記錄如表4.1所示。各測(cè)段壓力時(shí)間曲線如圖4.1，地應(yīng)力測(cè)量破裂縫代表性記錄見(jiàn)圖4.2表4.1 水壓致裂成果表深度/m破裂壓力/MPa重張壓力/MPa關(guān)閉壓力/MPa水頭壓力/MPa孔隙壓力/MPa抗拉 強(qiáng)度 MPa最大水平主應(yīng)

28、力/MPa最小水平主應(yīng)力/MPa垂直應(yīng)力/MPa最大水平主應(yīng)力方向注：表中自重應(yīng)力按巖石的上覆重量計(jì)算，其巖石容重 N/m3。圖4.1 壓力時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線圖4.2 破裂縫記錄示意圖5 測(cè)試成果綜合分析5.1 試驗(yàn)結(jié)果的可靠性分析分析判斷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各試驗(yàn)段的壓力時(shí)間關(guān)系曲線是否符合理論曲線，壓裂過(guò)程中的規(guī)律性性特征，有無(wú)異?，F(xiàn)象。印模器上印跡是否清晰。判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。5.2 最大水平主應(yīng)力的量級(jí)在測(cè)試深度范圍內(nèi)，確定最大水平主應(yīng)力值最大值、確定最小水平主應(yīng)力值最大值。5.3 最大水平主應(yīng)力的方向根據(jù)測(cè)試表確定實(shí)測(cè)深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力方向。5.4 側(cè)壓系數(shù)及應(yīng)力構(gòu)成分析測(cè)試孔側(cè)壓系數(shù)（

29、實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力與鉛垂向應(yīng)力比值）隨深度的關(guān)系曲線如圖5.1所示。側(cè)壓系數(shù)隨深度分布規(guī)律性符合測(cè)試鉆孔區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力的分布規(guī)律。圖5.1 側(cè)壓系數(shù)隨深度變化曲線5.5 分析最大、最小水平主應(yīng)力與巖層深度的關(guān)系分析實(shí)測(cè)最大、最小水平主應(yīng)力及自重應(yīng)力隨巖層深度變化關(guān)系曲線。根據(jù)測(cè)試孔應(yīng)力隨深度變化關(guān)系曲線，分析測(cè)孔的應(yīng)力值判斷巖性及巖體的完整性影響程度，巖體完整特性、強(qiáng)度高的巖體其應(yīng)力特征，測(cè)孔的應(yīng)力隨深度變化的趨勢(shì)。6 地應(yīng)力場(chǎng)反演分析地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是提供區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)最為直接的途徑，但因測(cè)試費(fèi)用昂貴、試驗(yàn)場(chǎng)地限制和地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，不可能進(jìn)行詳盡而大量的測(cè)試工作，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量成果往往只能反映局

30、部應(yīng)力場(chǎng)，并且地應(yīng)力測(cè)試成果一般離散性較大。為了更好地滿足工程設(shè)計(jì)和施工需要，應(yīng)在實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)條件，通過(guò)有效的計(jì)算分析方法，進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)的反演分析，以獲得更為準(zhǔn)確，且適用較大范圍的地應(yīng)力場(chǎng)，主要手段是利用少數(shù)測(cè)點(diǎn)去反演工程區(qū)的初始地應(yīng)力場(chǎng)。地應(yīng)力是地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,目前還不可能做到定量地以地球發(fā)展的歷史為根據(jù)去求解可供工程應(yīng)用的初始地應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于工程建設(shè)，從某種程度上說(shuō)，巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的反演，即通過(guò)計(jì)算，得到一個(gè)模擬的應(yīng)力場(chǎng)，使實(shí)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值與模擬場(chǎng)中相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力值之差在滿足工程要求的允許范圍內(nèi)，因此，運(yùn)用數(shù)值方法反演巖體初始應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，為了盡可能簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的形成因

31、素進(jìn)行取舍。根據(jù)陳宗基的觀點(diǎn)，初始應(yīng)力場(chǎng)可視為忽略時(shí)間因素的相對(duì)穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，主要來(lái)源于巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地形勢(shì)、剝蝕作用和封閉壓力。目前對(duì)應(yīng)力場(chǎng)組成的分析主要考慮自重、構(gòu)造和地形地貌和剝蝕作用。一般認(rèn)為地應(yīng)力主要由巖體自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力兩部分組成，而地形地貌和剝蝕作用對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響是局部的。目前在巖體工程的穩(wěn)定性分析中，初始地應(yīng)力場(chǎng)主要通過(guò)三種途徑進(jìn)行計(jì)算。第一途徑是按照某種理論給出假定的初始應(yīng)力場(chǎng)，象工程中常用的按某種側(cè)壓系數(shù)的方法來(lái)假定初始應(yīng)力場(chǎng)，這樣的設(shè)定最少在概念上反映了時(shí)效和地質(zhì)歷史的影響，但在地表不平、埋深較淺的范圍里常常是有疑問(wèn)的，甚至不能采用。第二種途徑是根據(jù)試驗(yàn)洞或邊坡的實(shí)測(cè)位移等間接手段求解應(yīng)力場(chǎng)，這種方法求