地应力测量,hao.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流地应力测量,hao.精品文档.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12倍，从事实上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。19621964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，微分应变曲线分析等。近年来发展有超声波检测原岩应力的方法等。根据测量手段的不同，将地应力测量方法分为五大类，即：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法，见表3-1（B.C.海姆森，.A.图尔恰尼诺夫，等.丁健民，等译.1982）。根据测量原理的不同，可分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法共八类。而国内外多数依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为间接测量和直接测量法两大类。间接测量法是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等（彭华2004），然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式，计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其它应力或应变解除方法以及地球物理方法等是间接法中较常用的。其中,套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法在目前的应用最为广泛，声发射法次之（蔡美峰,等.1995）。早期的原位地应力测量一般是在岩体的表面进行，分为表面应力恢复法和表面应力解除法两种。扁千斤顶法是表面应力恢复法的代表，而中心钻孔法和平行钻孔法则为表面应力解除法的代表。岩体表面应力测量一般都在开挖表面进行，只能测量岩体表面的一维或二维应力状态。而这种应力状态也受到开挖扰动影响，并非原岩应力。而且，岩体表面因开挖会受到程度不同的破坏，使它们与未受扰动的岩体的物理力学性质大不相同。同时隧道开挖对原始应力场的扰动也是十分复杂的，不可能进行精确的分析和计算。所以这类方法不能准确确定测点的原岩应力状态。为了克服这类方法的缺点，另一类方法是从隧道表面向岩体中打小孔，直至原岩应力区，地应力测量是在小孔中进行的。由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的，这就保证了测量是在原岩应力区中进行。这类方法称为“钻孔测量法”，目前普遍采用的应力解除法和水压致裂法均属此类方法，其特点见表3-2。4 地应力分布规律（一）在地壳中的分布规律总结研究文献，地应力在地壳中分布的一般规律如下：(1)在岩石圈的一定深度范围内，原岩应力随深度不断增大。在工程涉及的深度范围内，这种随深度的变化梯度往往大于自重应力水平分量的变化梯度，因此，工程中原岩应力随深度的变化是不能忽略的。(2)在水平应力随深度变化的线性表达式=kh+T中，原岩应力的作用同时表现在k和T两个参数上。即便是在平坦地形地区，T还可能受地表地质作用的影响，使得高水平应力不一定是由构造应力引起。(3)侧压力系数不能描述原岩应力的状况，不宜作为原岩应力的表征量。一般地，在地形平坦地区，最大、最小水平应力差值比较稳定、直接地反应了原岩应力状况。在地形复杂的河谷地区，则需要考察河谷形成前等效初始应力场状况。(4)用人工高边坡二次应力场分布特征来看待河谷地应力场，更有利于理解其分布特征。显然地，由于河谷地应力场会受到河谷形态、河谷走向相对于初始地应力场关系等方面因素的影响，使得高地应力地区的河谷地应力不一定就很高。(5)地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的，但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。(6)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。对全世界实测垂直应力v的统计资料的分析表明，在深度为252700m的范围内。v呈线性增长，大致相当于按平均容重（即27kN·m-3），计算出来的重力H。(7)水平应力普遍大于垂直应力。实测资料表明，在绝大多数地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30°，最大水平主应力h,max普遍大于垂直应力v；h,max与v之比值一般为0.55.5，在很多情况下比值大于2，如果将最大水平主应力与最小水平主应力的平均值 (4.1)与v相比，总结目前全世界地应力实测的结果，得出h,av/v之值一般为0.55.0，大多数为0.81.5，这说明在浅层地壳中平均水平应力也普遍大于垂直应力。(8)平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减少，不同地区，变化的速度很不相同。霍克和布朗，回归出下列公式，来表示h,av/v随深度变化的取值范围： (4.2)式中H为深度，单位为m。(9)最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。(10)地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征，岩体力学性质、温度，地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。（二）在我国的分布规律我国的地应力分布一般规律如下：(1)地应力绝对值在我国东、西部地区是不同的。东部偏低，一般在300m深度上，最大主应力值不超过10MPa。如唐山地区用水压致裂法测量结果，在300m深度上，最大主应力值为8MPa。在西部，应力值一般偏高。如秦岭南部的安康地区，300m深度以上，最大主应力超过25MPa；甘肃金川矿区，500m深度上，最大主应力超过30MPa；秦岭地区，在600m深孔水压致裂测量结果表明，最大主应力值超过35MPa（彭华,等.2005）。(2)另外，1982年在乌什地区进行的地应力测量，主压应力方向为NW53°。近年来，中国地质科学院地质力学研究所在新疆、西藏地区进行了大量的地应力测量工作，如：在青藏高原腹地，采用压磁法进行了浅层地应力测量（Chunting Liao et al，2003），采用水压致裂法进行了300m以上的深部地应力测量（彭华，等.2005），结果表明主应力方向为近SNNNE向。上述主应力方向均与该地区的震源机制解方向是一致的。(3)我国的华北地区，地应力场的主导方向为NW近EW的主压应力在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的（李方全,等.1979）。近年来，地应力方向有所偏转。如：山东菏泽地区，采用水压致裂法进行的1100m以上深部地应力测量结果表明，最大主应力方向为NE向（彭华，等.2005）。(4)在我国的川西地区，地应力场的主导方向为NWNE。地质力学研究所采用声波各向异性法以及差应变法，对四川盆地西部16002200m深部地应力进行了测量（彭华，等.2005）。结果表明：主应力方向为东部近NE向，西部为NW向，与该地区的震源机制解方向一致。5 工程应用（一）地应力在矿山工程中的应用地应力状态和岩石力学条件是控制地下工程稳定性的重要因素。在矿山工程稳定性设计中，地应力测量要与工程地质调查、岩石力学实验和应力场数值模拟结合起来，为工程稳定性设计与评价提供依据。地应力测量主要应用于以下几个方面：选择巷道布置方向；选择采场推进方向；选择巷道断面形状；选择支护形式和支护参数；选择开采顺序；选择顶板管理方法。（二）地应力在煤与瓦斯突出预测中的应用在煤与瓦斯突出的发生过程中，地应力与瓦斯是发生和发展突出的动力，煤的强度是阻碍突出发生的因素，它们存在于同一体系之中(突出煤层及围岩)，既互相依存，又互相制约。在承受强烈挤压的构造带，围岩及煤层中存在不均匀的、 较高的构造应力，煤层瓦斯压力随之增高，煤结构遭受破坏，机械强度降低，给发生突出创造有利条件，并决定了煤和瓦斯突出的区域性分布。（三）地应力在防治巷道冲击动力破坏中的应用当前，随着矿井开采深度的逐步增加，矿山压力显现越来越严重，我国许多矿井都出现了巷道冲击动力破坏的现象，对安全生产造成了一定的威胁。而发生这些冲击动力破坏的根本原因都是因为随采深增大而使得原岩应力增加，以及由于开采影响而引起的次生应力叠加而产生煤柱应力集中区，所以研究地应力分布规律对防治巷道冲击动力破坏意义重大。（四）地应力在边坡稳定性分析中的应用岩体中的地应力状态对边坡稳定性有显著的影响，在某种程度上决定了露天矿边坡变形破坏的总体特征，总体上起着控制作用。由于目前露天开采的深度不断增加，其影响亦就愈加显著。对于露天边坡的稳定分析已建立了多种方法,这些方法虽然不同，但都以应力为依据,而所依据的应力状态不同，其稳定条件亦是显然不同的。工程实践表明，边坡岩体为结构岩体，岩质边坡多以块体失稳的形式出现，因此，根据边坡岩体中的应力状态，分析边坡的块体失稳具有一定的普遍意义。（五）地应力在矿区浅源地震预测中的应用矿区浅源地震是危害矿井生产的动力现象之一，其发生与构造应力有密切关系。在矿井建设和生产过程中，对这一动力现象进行研究的途径是揭示地震发生区域岩体的应力状态及其显现形式。在构造应力区内，处于临界滑动状态的断层 ,一旦受采动影响，破坏了平衡条件，可能导致断层的滑动，使岩体中聚集的弹性能释放，形成地震。（六）地应力在地震预报中的应用地震预报是由李四光教授首先提出的。他认为地震是现今地壳运动的一种表现形式，其分布与现今活动构造带密切相关，它的发生主要是地应力活动与地壳岩石抵抗能力之间矛盾激化的结果。因此研究地壳中地应力的变化、发展，即地应力集中地点的形成、加强、突变，实质就是研究地应力场的形成、发展和变化，这是解决地震预报的关键。经过20多年的实践证明 ,这是一条地震预报的正确途径。（七）地应力在油田工程中的应用通过对大量石油、天然气的勘探、开发，发现其中不少的有关现象，诸如：有的油田油水界面的倾斜方向与设想的水动力驱动所造成的倾斜方向恰好相反；有的油田油水界面明显地弯曲上拱，迄今仍未达到正常平衡状态；有的油田出现油水浑浊的油层；有的油田出现原始饱和压力异常，超过自身供水区静水压力的一至几倍等。显然它们是与重力分异或水动力驱动作用相互矛盾的，然而却反映了地应力的存在，即是说这种岩层中油、水、气等流动体的运动，直接受到地应力和地应力场的支配或驱动，此即所谓的“地应力驱动”。油井在震前出现动态异常，不仅表现在油的产量上，同时还反映在油井静压、流压、井温、井口压力、 含气量、油水比等各种动态参数上，其中尤以静压变化最为显著。由此可见，直接影响油、水、气运动的驱动力，尽管是多种原因的综合，但地应力却是重要的原因之一，而地应力场的分布变化很可能是其运移、聚散的重要原因，如果把地应力场与生油条件、储油构造结合起来考虑，不但对石油及天然气的分布、运移、聚散规律获得更深入的认识，同时对其采油条件也会得到更清楚的了解。此外，如果能够巧妙地利用地应力，希望提高油、气产量。