地應(yīng)力測量方法

地應(yīng)力測量方法目前，我所地應(yīng)力測量主要采用四種方法進行，分別為基于鉆孔的深孔套芯解除法、深孔水壓致裂法和基于巖芯的差應(yīng)變法、滯彈性恢復(fù)法。其中套芯法測試精度最高，水壓致裂法次之，但套芯法測試周期長，建議根據(jù)項目需求選擇合適地段進行測試。幾種測試方法可以聯(lián)合使用，綜合比對各種方法的測試結(jié)果，最終確定測試鉆孔的地應(yīng)力狀態(tài)及規(guī)律。一、實驗參數(shù)①深孔套芯解除法應(yīng)變、彈性模量②深孔水壓致裂法應(yīng)力③巖芯的差應(yīng)變法聲波波速、應(yīng)力④巖芯的滯彈性恢復(fù)法應(yīng)變、時間二、實驗儀器設(shè)備及技術(shù)參數(shù)①深孔套芯解除法2006型-深孔套芯地應(yīng)力測量儀是中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制的深孔專用地應(yīng)力測量儀（實物見圖2和圖3），包括井下專用空心包體探頭和井下應(yīng)變記錄儀，另外還有配套的井下專用安裝工具，在青藏鐵路沿線、南水北調(diào)西線和西氣東輸?shù)葒抑卮蠊こ讨械玫綉?yīng)用。圖2中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所2006型-深孔套芯地應(yīng)力測量儀abc圖3井下應(yīng)變記錄儀（深孔型外殼為無磁不銹鋼）a.井下應(yīng)變記錄儀操作面板；b.36Ф全應(yīng)力測量探頭;c.井下應(yīng)變記錄儀分解圖KB-2006-J型井下專用空心包體探頭，是我所獲地質(zhì)部科技成果一等獎的KX－81型空心包體全應(yīng)力計的基礎(chǔ)上改進發(fā)展的全應(yīng)力測量探頭，12個120Ω箔式應(yīng)變片（三組90°、0°、±45°應(yīng)變花，呈徑向120°排列），一次測量即可獲圖5差應(yīng)變測試巖芯圖6差應(yīng)變測試成果主要儀器和設(shè)備：（1）試驗壓力容器；（2）加載設(shè)備：德國產(chǎn)-200壓力試驗機；（3）記錄設(shè)備：數(shù)字16通道電阻應(yīng)變儀；（4）多通道數(shù)字記錄儀；（5）多通道高精度超聲波儀；（6）美制立式2G－755R超導(dǎo)磁力儀；（7）美制TD－48熱退磁爐。主要技術(shù)指標：（1）精度：0.1MPa；（2）分辯度：0.01MPa；（3）壓力表量程:100MPa；（4）高壓泵供電電壓：10KW；（5）數(shù)采采集速率：100次/秒；（6）軟件操作平臺：Windows98/2000/XP系統(tǒng)；（7）軟件特性:曲線顯示/文件存貯/σ-t曲線生成等功能;（8）單體積重量：小于60Kg;（9）工作環(huán)境：0℃-100℃（10）巖芯加工精度：小于0.02mm。④巖芯的滯彈性恢復(fù)法試驗涉及的儀器設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)接收機、保溫設(shè)備、應(yīng)變傳感器及其輔助設(shè)備，如下圖為我所自行研制的滯彈性地應(yīng)力測試儀及試驗照片。圖7地質(zhì)力學(xué)所36L滯彈性地應(yīng)力測試儀及試驗照片三、質(zhì)量控制①深孔套芯解除法1）地應(yīng)力測量工藝控制測量步驟與套芯法基本相同，分如下9個步驟：施工大孔→磨平孔底→打小孔→清孔→儀器參數(shù)和定時參數(shù)設(shè)定→安裝孔底探頭→套芯→地表率定→數(shù)據(jù)回訪。安裝和套芯過程需要鉆機密切配合，需要配備特種鉆具，建議鉆孔和測試工作由同一家單位或合作過的兩家單位實施，測量要求如下：隨鉆孔進行地應(yīng)力測量，測試段應(yīng)避開裂隙，在巖石較完整的孔段進行，測試段要求有300-400mm長完整巖芯。鉆孔直徑建議開孔段Ф91，穿過基巖風(fēng)化帶，套管插入完整基巖1～2米，套管底部用水泥密封，后變徑為Ф76。測量小孔Ф28mm，深度400～500mm。建議測點間隔10～20米，每孔5～10點，最少每孔測5點。主要是考慮到要實測地應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律、測點的代表性、數(shù)學(xué)統(tǒng)計計算的需要。鉆機必須絕對服從測試人員的指揮。2)地應(yīng)力測量步驟控制在井下空心包體環(huán)氧樹脂三軸應(yīng)變法的應(yīng)力解除過程如下（如圖8）：打大孔：在用鉆機向圍巖鉆進應(yīng)力解除孔，鉆孔深度以巷道圍巖應(yīng)力場的范圍為準，終孔點應(yīng)不受環(huán)境圍巖應(yīng)力場的影響。鉆頭直徑取76mm。磨平鉆孔孔底，消除殘余巖芯和巖塊、巖粉，巖芯管后帶取粉筒。換錐形鉆頭做錐形孔底：以保證后面的小孔與大孔同軸心。圖8井下空心包體應(yīng)變法應(yīng)力解除過程示意圖1．施工鉆孔；2．磨平孔底；3．孔底磨錐槽；4．施工小孔；5．安裝地應(yīng)力探頭；6．套芯解除；7．套芯結(jié)束；8．取巖芯和應(yīng)變儀打小孔：采用特制的液壓鉆具，換上φ36mm的小鉆頭，打50cm深的一段小鉆孔。鉆具不同深度上開有瀉水孔，通過水壓的變化，判斷小孔的深度空心包體安裝：用砂紙將空心包體外側(cè)圓柱面打毛；按比例配制好粘結(jié)劑（A，B兩種液態(tài)材料按1:3），在空心包體的空腔內(nèi)倒入適量的粘結(jié)劑，固定好銷釘，將包體安裝在定向器上。用鉆桿慢慢地將其送入大孔中，不斷地接長鉆桿，并記下長度，在剩余長度為5m左右時要特別注意慢推，以保證包體能夠完好地進到小孔中。前端近入小孔20cm左右，應(yīng)注意包體筒體部分緩慢推入，探頭和安裝器脫鉤，包體成功地安裝于小孔中。應(yīng)變初始數(shù)據(jù)：一般在安裝包體20小時左右，環(huán)氧樹脂固化。將安裝器小心地從鉆孔中提出，安裝器中電子羅盤記下探頭安裝角，所顯示數(shù)字為應(yīng)力計的安裝角。套芯地應(yīng)力解除與應(yīng)變測試：在井下應(yīng)變儀到達預(yù)定時間時，應(yīng)變儀將自動啟動，開始測量，此時應(yīng)按預(yù)定深度開始緩慢鉆進，進行套芯解除，套芯解除至一定深度后，應(yīng)變計讀數(shù)趨于穩(wěn)定。每隔10秒讀數(shù)一次，連續(xù)記錄10小時以上，達到預(yù)定深度后，不再解除。將包含包體的巖芯折斷并取出，并對巖芯的巖性進行描述。每個測孔第一測點完成后，在孔底重新錐形孔底，再打小孔，重復(fù)以上步驟，進行第二測點的測試。3）套芯法地應(yīng)力測量工作周期單段測試工作周期為48小時（單段：就是應(yīng)力解除一次所用的時間）。②深孔水壓致裂法1）水壓致裂法地應(yīng)力測量原理水壓致裂地應(yīng)力測量原理就是利用水壓致裂裝置將一對封隔器把鉆孔的一段巖壁密封，向封隔段內(nèi)施加壓力，進而使所壓部位撐裂，形成沿是大水平主應(yīng)力方向的裂縫，測出相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，通過計算，獲得所測部位的地應(yīng)力狀態(tài)，具體原理見圖9。圖9水壓致裂應(yīng)力測量原理圖水壓致裂原地應(yīng)力測量是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，以測量地點為依托，并以三個假設(shè)為前提的。三個假設(shè)分別為：(1)巖石是線彈性和各向同性的；(2)巖石是完整的，壓裂液體對巖石來說是非滲透的；(3)巖層中有一個主應(yīng)力分量的方向和孔軸平行。在上述理論和假設(shè)前提下，水壓致裂的力學(xué)模型可簡化為一個平面應(yīng)變問題，如圖9所示。根據(jù)彈性力學(xué)原理，在作用有兩向主應(yīng)力σ1和σ2的無限大平板內(nèi)，有一半徑為a的圓孔，則圓孔外任何一點M處的應(yīng)力為：(1)圖9水壓致裂應(yīng)力測量的力學(xué)模型式中σr為M點的徑向應(yīng)力，σθ為切向應(yīng)力，τrθ為剪應(yīng)力，為M點到圓孔中心的距離；θ為σ１方向起反時針量測的角度。當(dāng)r=a時，即為圓孔壁上的應(yīng)力狀態(tài)：(2)由式(2)可得出如圖9(2)所示的孔壁A、B兩點及其對稱處(A′、B′)的應(yīng)力集中分別為：(3)(4)液壓大于孔壁上巖石所能承受的應(yīng)力時，將在最小切向應(yīng)力的位置上，即A點及其對稱點A′處產(chǎn)生張破裂。并且破裂將沿著垂直于最小主應(yīng)力的方向擴展。此時把孔壁產(chǎn)生破裂的外加液壓Pb稱為臨界破裂壓力。臨界破裂壓力等于孔壁破裂處的應(yīng)力集中加上巖石的抗張強度Thf，即：(5)若考慮巖石中所存在的孔隙壓力，將有效應(yīng)力換成區(qū)域主應(yīng)力，則式(5)將變?yōu)椋?6)此處的、分別為原地應(yīng)力場中的最小和最大水平主應(yīng)力。在垂直鉆孔中測量地應(yīng)力時，常將最大、最小水下主應(yīng)力分別寫為和，即，。當(dāng)壓裂段的巖石被壓破時，可用下列公式表示：(7)孔壁破裂后，若繼續(xù)注液增壓，裂縫將向縱深處擴展。若馬上停止注液增壓，并保持壓裂回路密閉，裂縫將停止延伸。由于地應(yīng)力場的作用，裂縫將迅速趨于閉合。通常把裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時的平衡壓力稱為瞬時關(guān)閉壓力，它等于垂直裂縫面的最小水平主應(yīng)力，即：(8)如果再次對封隔段增壓，使裂縫重新張開時，即可得到裂縫重新張開的壓力。由于此時的巖石已經(jīng)破裂，抗張強度，這時即可把(3.7)式改寫成：(9)用(7)式減(9)式即可得到巖石的原地抗張強度：(10)根據(jù)(7)、(8)、(9)式又可得到求取最大水平主應(yīng)力的公式：(11)垂直應(yīng)力可根據(jù)上覆巖石的重量來計算：(12)式中為巖石密度，為重力加速度，為深度。以上是水壓致裂法地應(yīng)力測量的基本原理及有關(guān)參數(shù)的計算方法。2）現(xiàn)場鉆桿式測試體系的工藝流程控制：SY-2007鉆桿式深孔水壓致裂地應(yīng)力測試體系的現(xiàn)場測試示意圖，見圖10。選擇試驗段根據(jù)巖芯編錄選擇完整巖芯所處的深度位置作為測試段，在鉆孔條件允許的情況下應(yīng)盡可能多選測試段。檢驗測量系統(tǒng)在正式壓裂前，要對測試所使用的封隔器及壓裂系統(tǒng)進行檢漏試驗，一般試驗壓力不低于40MPa。另外，還要對封隔器、印模器所使用的低壓卸壓閥進行現(xiàn)場調(diào)試，開啟壓力根據(jù)測試段深度而定。密封測試段首先用鉆桿將一對可膨脹的橡膠封隔器放置到測試段所在的深度，然后通過地面的加壓系統(tǒng)，給兩個1m長的封隔器同時增壓，使其膨脹并與孔壁緊密接觸，即可將壓裂段隔離，形成一個密閉空間(即壓裂試驗段)。測試段壓裂試驗利用高壓泵通過高壓管和鉆桿向壓裂試驗段注高壓水，壓裂段內(nèi)的巖石在足夠大的水壓作用下，將會在最小切向應(yīng)力的位置開裂（即沿最大水平主應(yīng)力的方向開裂）,記臨界開裂壓力值為Pb。圖10SY-2007鉆桿式深孔水壓致裂地應(yīng)力測試體系示意圖巖石開裂后壓力將急劇下降，當(dāng)裂隙擴展到3～4倍鉆孔直徑處，關(guān)閉高壓泵。在巖體應(yīng)力的作用下，裂縫趨于閉合，裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時的壓力稱為關(guān)閉壓力，記為Ps。此后卸壓使裂隙閉合，然后再注高壓水使裂隙重新張開，記裂隙重張時的壓力為Pr。接著再關(guān)泵，記錄Ps值。此過程重復(fù)3～5次，以確定Pr和Ps的統(tǒng)計值。根據(jù)Pr和Ps值，就可計算出測試段水平面內(nèi)兩個主應(yīng)力的值。印模試驗水壓致裂試驗完成后，將封隔器卸壓后提升至地面，并從鉆桿上卸下；然后將印模定向系統(tǒng)裝（包括印模器和定向器）上鉆桿并送至井下，使印模器對準壓裂裂縫的位置。通過給印模器加壓膨脹將鉆孔裂隙印刻到印模器上，其定向器可確定裂縫在井下的方位，該方位就是最大水平主應(yīng)力的方位。通過上述試驗工藝流程，測試段水平面內(nèi)兩個主應(yīng)力的大小和方位就全部確定了。3）水壓致裂法地應(yīng)力測量工作周期1000米以內(nèi)的單孔測試工作周期為24小時，1000～2000米的單孔測試工作周期為3天，2000～2500米的單孔測試工作周期為7天。③巖芯的差應(yīng)變法1）測試原理控制差應(yīng)變分析法地應(yīng)力測量是利用從井下采取的新鮮巖芯通過加壓試驗裝置在實驗室進行地應(yīng)力測量的方法。地應(yīng)力測量原理是利用巖石應(yīng)力解除后松弛應(yīng)變，巖石的膨脹而出現(xiàn)微裂隙，裂隙的空間分布形態(tài)與原巖應(yīng)力的方向有關(guān)，裂隙的數(shù)量和發(fā)育強度與原巖應(yīng)力大小成正比。通常巖石壓縮變形是由巖石固體顆粒變形和空隙變形兩部分組成，空隙變形又由與巖石天然孔隙變形和與巖石受力釋放后所產(chǎn)生的次生裂隙變形及孔隙變形組成，只有后部分變形才包含巖石先前的受力信息，如何分離出巖石受力釋放后所產(chǎn)生的次生裂隙變形及孔隙變形是差應(yīng)變法地應(yīng)力測量的關(guān)鍵。如果將巖石樣品置于壓力容器中逐步加壓，在加壓過程中裂隙逐步閉合，將引起巖石應(yīng)變率的改變，當(dāng)巖石表面壓力大于原巖應(yīng)力時，微裂隙將閉合，測量裂隙閉合前后巖石的應(yīng)變率變化，與標準試驗數(shù)據(jù)進行比較，可確定不同壓力下不同方向的裂隙應(yīng)變差，用最小二乘法回歸計算其對應(yīng)的應(yīng)變橢球形狀，將不同壓力下主應(yīng)變軸投影到吳氏網(wǎng)上，其差應(yīng)變主軸極密較穩(wěn)定，不隨圍壓變化而變動。根據(jù)差應(yīng)變橢球的形狀可確定三個主應(yīng)變比值和空間方位。如果已知巖石圍壓與差應(yīng)變的比值，即巖石差應(yīng)變彈性模量，或已知鉛直應(yīng)力的大小，就可以計算出該處地應(yīng)力大小和方位角。2）測試條件為保證試驗結(jié)果的一致性，必須保證儀器有足夠高的分辨率和足夠高的試樣加工精度。保證試驗條件一致，包括試驗環(huán)境條件和探頭。試驗多通道應(yīng)變儀分辨率：1με。試樣研磨加工精度：直徑0.001mm，不平整度0.01mm。隔離絕緣層：環(huán)氧樹脂或硫化硅橡膠。壓力傳感器分辨率：0.1MPa。高壓容器：耐壓200MPa。加溫溫度限制：小于350℃3）巖芯的古地磁定向此項試驗由地質(zhì)力學(xué)所古地磁實驗室加工標準古地磁樣品。全部樣品的系統(tǒng)剩磁測試是在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所古地磁實驗室美制立式2G-755R超導(dǎo)磁力儀上進行的，樣品的系統(tǒng)熱退磁處理是使用美制TD-48熱退磁爐完成。熱退磁溫度間隔為40℃4）試驗流程a.從現(xiàn)場取回定向巖芯，記錄該巖芯相應(yīng)的位置和深度。b.將巖芯加工成邊長為長徑比1:1的圓柱體試樣，加工過程中不允許出現(xiàn)新的裂隙。c.將3支特制的相互成45o的4軸應(yīng)變花粘貼在三個相互垂直的端面上(見圖11)，在巖心上畫上標線。d.將試樣和補償塊一起放入一個壓力容器中，并加靜水壓至100～140MPa，加壓大小取決于原來巖芯所在的深度．按0.1MPa/min的增壓速率增加，在加壓過程中裂隙逐步閉合。記錄加壓過程中應(yīng)變片的應(yīng)力-應(yīng)變值，描繪出應(yīng)變片的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e.以上步驟加壓和卸壓重復(fù)3次以上。f.對每一應(yīng)力—應(yīng)變曲線進行微分分析。g.由多個方向的裂隙閉合應(yīng)變率可求得三個主裂隙應(yīng)變的方向，它們對應(yīng)著三個主應(yīng)力的方向。由于試樣是確定了原始方向的，那么試樣所在點的三個主應(yīng)力方向也即已知了，主應(yīng)力的大小可由瞬時關(guān)閉壓力值來確定。在每一應(yīng)變片所在方向，地應(yīng)力大小對應(yīng)于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的過渡段。6）巖芯差應(yīng)變法地應(yīng)力測量工作周期古地磁單孔巖芯定向?qū)嶒灥墓ぷ髦芷跒?4天；單孔巖芯差應(yīng)變測試工作周期為7天；合計為21天。④巖芯的滯彈性恢復(fù)法圖11差應(yīng)變分析法應(yīng)變片粘貼位置及編號利用巖芯的滯彈性恢復(fù)理論，記錄剛?cè)〕龅膸r芯滯彈性應(yīng)變松弛曲線，分析帶彈性應(yīng)變松弛與初始應(yīng)力的關(guān)系，進而獲得主應(yīng)力及其方向，并將其測試結(jié)果與其它測試方法進行對比。1）試驗質(zhì)量控制滯彈性應(yīng)變恢復(fù)的工作原理就是在解除應(yīng)變穩(wěn)定后，仍然可觀測到一個微小的應(yīng)變增加，這種應(yīng)變增加可以延續(xù)數(shù)百個小時，被稱為滯彈性應(yīng)變松弛，通過測試能夠?qū)r芯取出后數(shù)百個小時內(nèi)的應(yīng)變恢復(fù)量記錄下來，并進行計算、分析得出巖芯所處位置的主應(yīng)力方向和大小。巖芯測試必需在現(xiàn)場進行，測量時，要把巖芯和測量裝置一起放入保溫裝置中，保水、保溫，以保證測量結(jié)果的可靠性。2）工作周期滯彈性應(yīng)變恢復(fù)的工作周期一般為40天。四、深孔綜合地球物理監(jiān)測系統(tǒng)另外，我所自行研制ZH-2002型深孔綜合觀測儀，觀測內(nèi)容包