《岩石力学》 地应力及其测量

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？

答：地壳是变动的。

自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。

2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。

答：未受影响的应力称为初始应力

工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力

地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。

3. 何谓海姆假说和金尼克假说？

答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σ?=σv=γH

金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认

为这个系数等于μ

1?μ，即σv=γH，σ?=μ

1?μ

γH

4. 地应力是如何形成的？

答：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。

5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。

关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。

土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。

6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。

答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。

重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。

构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。构造应力主要表现为以水平应力为主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。”

7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？

答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。

8. 简述地应力场的分布规律

答：1）地应力场的特性

（1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场

（2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场

2）垂直应力的分布规律

在深度为25~~2700m的范围内，σv呈线性增长，大致相当于按平均容量γγ等于273kN?m?3?计算出来的重力γH。

3）水平应力的分布规律

（1）绝大多数情况下，水平主应力之一为最大主应力

（2）水平应力具有明显的各向异性

（3）水平应力随深度呈线性增长关系

4）水平应力与垂直应力的关系

（1）水平应力普遍大于垂直应力

（2）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小

9. 什么是侧压系数？侧压系数能否大于1？从侧压系数值的大小如何说明岩体所处的应力状态？

答：侧压系数是水平应力与垂直应力的比值。

根据弹性力学理论，在计算自重应力场时，K=μ

1?μ

，泊松比极限值是0.5，原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态，因而从理论上K max= 1。

但实际上，由于构造应力场的影响，水平应力往往是大于垂直应力的。

10. 何谓高地应力？如何判别高地应力？

答：高地应力是一个相对的概念。高地应力是相对于围岩强度而言的。当围岩内部

的最大地应力σmax与围岩强度R b的比值

围岩强度比=σmax R b

达到某一水平时，才称为高地应力或极高地应力。

11. 有哪些高地应力现象？

答：（1）岩芯饼化现象

（2）岩爆

（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形

（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象

（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高

12. 简述地应力测量的重要性。

答：（1）科学合理的开挖设计和施工的需要

（2）地应力是影响岩石开挖工程稳定性的重要因素

（3）地应力是岩石工程定量设计计算以及数值模拟分析的需要

（4）地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也都具有重要意义。

13. 地应力测量方法分哪两类？两类的主要区别在哪里？每类包括那些主要测量技术？

答：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。

直接测量法主要包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。

间接测量法不是直接测量应力量，而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，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的理论公式或经验公式来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与应力的相互关系。

间接测量法又可以分为全应力解除法、局部应力解除法和地球物理方法等三类方法。

14. 简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测试步骤。

答：1)基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，先钻一大孔至该点，然后钻一同心小孔（测量孔）；再通过套钻方式将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时岩体单元上所受的应力将被解除并导致该单元体的几何尺寸产生弹性恢复；应用一定的仪器，测定这种弹性恢复引起的测量孔的孔径变形值；如果假定岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，则根据孔径变形值就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。

2)试验步骤

①钻一个大孔至需要测量岩体应力的部位；

②在大孔底部钻一个同心小孔（测量孔）；

③将探头（测试元件）安装到测量孔中；

④用外径与大孔直径相同的薄壁钻头（岩芯钻）继续延深大孔，从而使测量孔周围的岩芯实现应力解除；

⑤用包括测试探头在内的量测系统测定和记录岩芯由于应力解除引起的测量孔变形或应变；

⑥计算测量点的应力数值和方向。

15. 根据测试元件的不同，套孔应力解除法可分为哪几种方法？

答：孔径变形法；孔底应变法；孔壁应变法；空心包体应变法；实心包体变形法。

16. 简述水压致裂法的基本测量原理。

答：采用水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过σθ=3σ2?σ1与抗拉强度R t之和后，在θ=0o处，也即σ1所在方位发生孔壁开裂，然后将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记压力为p r，则p r=3σ2?σ1?p0。继续向封隔段注入高压水，使裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，记压力为p s，则p s=σ2。由p r=3σ2?σ1?p

和p s=σ2即可求得σ2,σ1。

17. 对水压致裂法的主要优缺点作出评价。

答：优点：设备简单；操作方便；测值直观；测值

代表性大；适应性强。

不足：是主应力方向定得不准。另外，这种方

法认为初始开裂在垂直于最小主应力的方向发生，

可是如果岩石本来就有层理、节理等弱面存在，那么初始裂隙就由可能沿着弱面发生。因此这种方法只能用于比较完整的岩石中。

18. 简述应力解除法的基本原理。

答：应力解除法的基本原理如图所示。岩体中某点的岩石（图中单元体）处于三向压缩状态，假定它呈线弹性变形，并且加卸载曲线重合。如果用某种方法使其脱离母岩，则其所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。

用仪器测得恢复应变，则为：εx=Δx

x ,εy=Δy

y

,εz=Δz

z

。然后，利用弹性力学公

式则可计算岩体初始应力。

19. 简述声发射法的主要测试原理。

答：如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，测定凯泽点（从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点），即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态。

20. 哪些地应力测量方法是国际岩石力学学会建议采用的方法？

答：①表面应力测量采用应力恢复法；

②深孔应力测量采用水压致裂法；

③浅孔应力测量采用基于“USBM型钻孔孔径变形计”的钻孔孔径变形测量法；

④基于“CSIR（或CSIRO）型钻孔三轴应变计”的孔壁应变测量法。

《岩石力学》地应力及其测量

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？ 答：地壳是变动的。 自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。 2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。 答：未受影响的应力称为初始应力 工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力 地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。 3. 何谓海姆假说和金尼克假说？ 答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中 任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即???= ????=???? 金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认 为这个系数等于?? 1-??，即????=????，???=?? 1-?? ???? 4. 地应力是如何形成的？ 答：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。 5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。 关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板 块边界作用力。 土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。 6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。 答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能 够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即????=????。 重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但 是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非 均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力状态主要由最近一次的构 造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。构造应力主要表现为以水平应力为 主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？ 答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。 8. 简述地应力场的分布规律 答：1）地应力场的特性 （1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场 （2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 2）垂直应力的分布规律 在深度为25~~2700m的范围内，????呈线性增长，大致相当于按平均容量??γ等于273kN???-3?计算出来的重力????。 3）水平应力的分布规律

地应力与地应力测量方法简介

地应力与地应力测量方法简介地应力，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。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。 地应力测量，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。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。 随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。 地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。 采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起

地应力测试步骤、所需仪器及注意事项总结——张念超

地应力测试步骤、所需仪器及注意事项总结从淮南到淮北，地应力测试做了五个孔了，成功率60%。虽然成功率刚刚过半，但这都是我们课题组在没有任何前辈莅临指导的情况下，经过多个井下不眠之夜，独立摸索完成的。虽然做地应力测试比较苦，但是虽苦犹乐，因为我们又掌握了一样新知识，新技术。 现根据我们在朱集矿和孙疃矿做地应力测试的情况，总结经验吸取教训，总结地应力测试步骤、所需仪器及注意事项如下： 1、地质钻打孔。 1.1步骤： (1) 地点选取。选取整体岩性较好区域的巷道，安设测点。测点巷道内应水电方便，地质钻工作时应不影响巷道运输。 (2) 打孔取芯。使用75/105型地质钻机，配直径为42mm/50mm的接长钻杆，并运用特制的取芯套筒（长度为2m和1m，直径为127 mm）及平钻头（直径为127 mm），在所测巷道岩壁上打直径为127 mm的水平钻孔，至巷道跨度的2～3倍深处，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。当钻孔至预定长度时，取出岩芯，并编号套袋保护岩芯。 (3)打空心包体孔。利用自备的钻头（直径为127 mm），其上带有长370mm，直径36mm的小钻头，打同心小孔并取岩芯，同时将孔底磨平，并用锥形钻头打出7cm长的喇叭口，小孔深35～40cm。此小孔一杆打到底，钻孔过程中，必须利用2m长岩芯管定向。 (4) 冲洗钻孔。小孔成形后，抽出钻杆5cm，用钻机的水管冲洗。 1.2注意事项 (1) 钻孔要稍向上倾斜，并测量倾斜角度确切数值，一般控制在3°~5°，以便排水并易于清洗钻孔； (2) 打孔要一次用一种钻头，不要先打孔再扩孔，因为孔长度较大，容易导致两钻头轴向不在同一条直线上，进而产生台阶，安装时定位器会被卡住，孔就废掉了。 1.3仪器准备 (1) 矿方准备：75/105型地质钻机；42mm/50mm钻杆；长度2m和1m，直径127 mm 取芯套筒；直径127 mm平钻头，岩芯箱：1000mm×500mm×150mm。 (2) 矿大自备：记号笔；记录本；塑料袋；直径127 mm带有直径36mm的小钻头

地应力测量

地应力测量的国内外研究现状 0 引言 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。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。 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

矿山地应力测试方案

- 矿山地应力测试工作方案 省XXXXXX勘察院 2015年4月

目录 1 前言 (2) 2 地应力的基本原理 (2) 2.1 地应力的基本概念 (2) 2.2 地应力的组成部分和影响因素 (3) 2.3 地应力场的变化规律 (5) 2.4 我国地应力场的区域划分 (8) 3 水压致裂法试验介绍 (9) 3.1 水压致裂法基本原理 (9) 3.2 水压致裂法地应力测量的主要设备 (14) 3.3 水压致裂法测试步骤 (15) 4 测试结果 (17) 4.1 参数确定 (17) 4.2 现场实测 (18) 5 测试成果综合分析 (21) 5.1 试验结果的可靠性分析 (21) 5.2 最大水平主应力的量级 (21) 5.3 最大水平主应力的方向 (21) 5.4 侧压系数及应力构成分析 (21) 5.5 分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系 (22) 6 地应力场反演分析 (23) 6.1 有限元数学模型多元回归分析法基本原理 (24) 6.2回归结果分析 (25)

1 前 言 地应力是引起采矿和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，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必要前提。 地应力是所有地下工程，包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力。在没有开挖工程扰动的情况下，岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖，打破了原始平衡状态，导致地应力的释放，从而引起岩体的变形和向自由面的位移，引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏，这就是地压形成的过程和机理。因此，从本质上来定义，地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与岩体的受力状态、岩体结构和重量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。 2 地应力的基本原理 2.1 地应力的基本概念 蓄存在岩体部未受扰动的应力，称之为地应力(Insitu stress 或Geostress)，它是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其它固体如土体的最基本特征。 地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆(Heim ，1905-1912)提出。他认为，岩体中有应力存在，并处于近似静水压力状态。应力的大小等于上覆岩体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于H γ(γ为岩体的重度，H 为研究点的深度)。此后，金尼克(1926)又根据弹性理论分析，假定岩体是均匀、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为H γ，而水平应力应等于H γμμ -1的假说(μ为岩石的泊松比，μ μ-1为侧压系数)。按照金尼克的理论，海姆假说只是金尼克假说在5.0=μ时的一个特例。 然而，随着地应力现场实测资料的积累，表明在浅层的地应力并不

地应力与地应力测量方法简介

3.1 地应力与地应力测量方法简介 地应力，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，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。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。 地应力测量，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。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。 随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。 地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。 采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起

地应力与地应力测量方法简介

地应力与地应力测量方法简介 地应力，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。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。 地应力测量，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。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。 随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。 地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。 采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起

地应力知识

地应力知识 简介 地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。 随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。 一地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。30多年来的实测和理论分析表明，地应力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、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。 1大陆板块边界受压引起的应力场 以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。2地幔热对流引起的应力场 由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。 3由地心引力引起的应力场（也称为重力场） 重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全

等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 4岩浆侵入引起的应力场 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。 岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。 5地温梯度引起的应力场 地层的温度随着深度增加而升高，一般为a=3℃/100m。由于地温梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一。6地表剥蚀产生的应力场 地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度引起的自重应力还要大得多的水平应力值。因此，在某些地区，水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。 二地应力的研究观点 对地应力的研究已有一百多年的历史了，但总的说来，现在主要有三种观点： 1“静水应力式”分布的观点 它最早是海姆(Heim)于1878年提出的“静水压力”假说。 以后（1905~1912年），又提出相应的应力计算公式。1925年，金尼克也提出了弹性理论计算法及相应的公式。但事实表明，它们只能适用于一定的环境条件下，如，埋深较大的未受到扰动的地层。

地应力及其测试技术

地应力及其测试技术 1、引言 岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。 由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了大量的工作，并取得一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。 虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。在高地应力的脆性岩体开挖时，甚至能发生岩爆现象。这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。 2、地应力的组成及其特点 2.1 地应力的组成 地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。前者是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。封闭应力是地壳经受高温高压引起岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力积聚封闭于岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。 2.1.1 自重应力

地应力检测(1)

1、地质雷达检测隧道支护情况 包括隧道衬砌厚度是否满足设计要求、钢筋保护层厚度是否满足设计要求、隧道衬砌钢筋布臵是否满足设计要求、隧道衬砌钢架布臵是否满足设计要求、隧道衬砌的密实情况（包括二衬背后脱空及初支背后空洞、不密实）。 评判标准：《公路工程质量检验评定标准》（GTG F80/1-2004）；参考《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB10233-2004）。 2、地应力检测 我国地应力测量试验和研究开始于20世纪50年代后期，迄今为止，地应力测量的主要方法虽然很多，但尚未形成统一的分类标准．根据测量数据特点的不同，地应力测量大体分为绝对应力测量和相对应力测量．前者主要是确定地壳应力背景值，即主应力的大小和方向；后者则是观测应力随时间变化的动态变化规律，通常也称为地应力监测．根据测量基本原理的不同，绝对应力测量方法又可分为直接测量法和间接测量法．所谓直接测量法就是利用测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系直接换算得到原岩应力值．间接测量法则是借助某些传感元件或媒介，测量和记录与岩体相关物理量的变化（如密度、泊松比、弹性波速等变化），然后通过相应的公式换算间接得到原岩应力值．目前，较为常用的绝对应力测量方法主要有水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法、套芯应力解除法、应变恢复法等．其中，前3种方法属于直接测量方法，后2种方法属于间接测量方法．相对应力测量方法包括压磁法、压容法、体应变法、分量应变法及差应变法等．我们采用水压致裂法 地应力测量存在的问题与展望：随着我国工程建设不断向深部发展，地应力测量及监测正面临着严峻的考验．与发达国家相比，尚存在许多问题与不足．首先，在宏观层面上存在的问题与挑战有：第一，测量和监测深度不足。目前，国际上最大地应力测量深度已达5100m．在德国的KTB深钻及美国的SAFOD计划中，应力测量深度一般达到2000～3000m；日本也建立了数10座深度为1000～3800m的深井观测台站．我国的绝大部分应力测量深度仅数百米，超过1000m的深井观测极为稀少，这严重制约了测量数据在空间上的代表性．第二，缺乏合理系统的地应力监测网络．我国虽然积累了大量的地应力测量数据，但数据分布不均且质量参差不齐，地应力监测台站少、布局不合理，

地应力测量方法共6页

地应力测量方法 1.水压至裂法 水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。 常规水压致裂法(HF法) HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。 HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。

原生裂隙水压致裂法(HTPF法) HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。对于深孔三维地应力直接测量，HTPF法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石 破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。 2.套钻孔应力解除法 套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法。 孔壁应变法 孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设，通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力。孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法。CSIR型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中。空心包体是将应变元件贴到薄筒壁中，再用胶将薄筒和孔壁粘结。还有一种实心圆柱式包体技术，由于受包体材料和岩石物理力学性质差异影响大，已基本不用。 孔壁应变法最大的优点是单孔单点可准确测量岩体的三维地应力，缺点是:对岩石的完整性要求高，岩芯解除长度大于40～60 cm，并且在岩芯易饼化时测试很难成功；存在应变元件的粘贴、防潮、全过程测量和定向等问题;受温度变化、岩性差异影响大，测量结果离散性大。

地应力的测量方法

地应力的测量原理 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变计测量技术。KX一81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I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。（2）B，D两点电位相等，即UB=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1×10.6／℃，这样电阻在温度变化1℃时只产生5 X 10～P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 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

岩体地应力及其测量方法综述_3

岩体地应力及其测量方法综述论文导读：产生地应力的原因是十分复杂的，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、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。(2)对于地表剥蚀作用对初始地应力反演的影响问题，若不能考虑剥蚀作用，仅考虑自重和构造作用进行回归分析，但重力因子也会大于1，此时，不宜用所有测点去拟合地应力场，用于各部位的分析计算，而应当进行边坡和坝肩分析，宜用近地表测值反演。关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子 1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力[1]。 1.1 地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，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、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。 1.2 地应力的分类 地应力按不同起源分为：自重应力、构造应力、剩余应力和变异应力。值得注意的是剩余应力与残余构造应力是完全不同的：剩余应力不具有方向性，常是σx=σy；而残余应力引起的高水平应力具方向性，σx 与σy相差较大[2]。 2 岩体地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。水平初始应力随深度的变化并不存在线性增大的变化关系，在地壳浅部与深部的变化规律是不同的。在众多的地应力分布影响因素中，地质构造历史、岩性和河谷切割地貌是主要因素。 2.1岩体自重的影响 岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明[3]：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动。以重力因子表示反演重度与实测重度的比值，在初始应力场的反演中，重力因子往往大于1，即反演所得岩体重度大于实测重度，这一现象未得到合理解释，

地应力测量方法

地应力测量方法

地应力测量方法 地应力测量方法 1.水压至裂法 水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。 常规水压致裂法（HF法）

HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水 平主应力方位 HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划（KTB）在主孔6 000 m和9 000 m 处已成功获得了地应力资料。HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutal和M KuriyagawaE 提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。为此，文献［7］基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验

证。 原生裂隙水压致裂法（HTPF法） HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。对于深孔三维地应力直接测量，HTPF法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。 2.套钻孔应力解除法 套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法。 孔壁应变法 孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设，通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力。孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法。CSIR型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中。空心包体是将应变元件

地应力测试

地应力测试 measurement of geo-stress 测定天然状态下岩体内部应力的技术。地球在各种动力运动作用下，在地壳中产生各种应力场，使地壳物质处于其综合作用之下，产生了内应力效应，这种应力即地应力。从岩石工程来说，岩体地应力主要来源于地质构造运动和岩体自重。它对正确认识岩体的力学性质，研究围岩的破坏机制，掌握地应力对岩石工程(如坝基、地下建筑物、岩石边坡等)的影响，充分发挥围岩的自承能力，都是极为重要的。地应力测试方法有应力解除法、应力恢复法和水压致裂法3种。地应力测试的地球物理法(包括声发射率法、声波法、地震波法)和电阻率法也在研究中。应力解除法分为孔壁应力解除法和孔底应力解除法两种。①孔壁应力解除法。从岩石表面向岩体内先钻一测量孔，孔深超过表面松动范围和应力集中区，然后在孔内安设测量元件，如钻孔变形计、压磁应力计或孔壁应变计等。前者按径向以45。间隔布置，后两者以1200间隔布置。在测记初始值后，在测量孔外用同心套钻钻取岩芯，使岩芯与围岩脱离。在套钻过程中同时测记各测量元件的读数，直到作用在岩芯上的应力被解除而产生弹性恢复，各测量元件读数不变时停止套钻。根据应力解除前后测得的变形或应变差值，计算出地应力的大小和方向。用孔壁应变计可实现单孔全应力测量，但对应变计的粘贴防潮技术要求高。②孔底应力解除法。将测量元件(以门塞式应变计为代表)安装在磨平的钻孔底部岩石面上，并继续钻进，侧量钻孔端部岩芯应力解除前后的应变变化量，据此计算地应力。与孔壁应力解除法相比较，要求解除的岩芯短且费用较低。应力恢复法先在岩石表面安设测徽计(如钢弦式应变计、电阻片式应变计、千分表等)，测记初始值后进行垂直于岩面的切割，以解除岩体中的应力，同时测记测微计读数变化，而后将液压枕插人切槽中，并灌注水泥砂浆填实。待水泥砂浆凝固后，利用液压枕向岩体加压，直到测微计恢复到初始值，此时的压力即为岩体中的地应力值。这种测试方法简便.但只能在岩体表面，且主应力方向为已知时，测量地应力的大小。但应指出该值为应力调整后之应力。水压致裂法目前测量地壳深部地应力的唯一方法。其前提是:①岩石为线弹性各向同性。②岩石是非渗透性的。③岩石中有一主应力分量与钻孔轴线平行。试验时先钻一深孔达所需部位，用可膨胀的橡皮封隔器封隔一段钻孔，泵人液体对这段钻孔加压，同时记录液压随时间的变化。当增压到孔壁岩体破裂时，压力随之下降，经稳压一段时间后停止加压，待压力降到某一定值后结束试验。根据测试结果，绘制压力与时间关系曲线，按弹性力学理论计算出地应力值。如在试验段用印模橡胶套筒向孔壁加压，可在其上印出破裂印痕。印痕方向也可用井下定向仪、钻孔电视或超声波钻孔电视测定。d ly.ngll eeshl 地应j7测试(measurement of geostress)

地应力测量方法.

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 ①深孔套芯解除法 应变、弹性模量 ②深孔水压致裂法 应力 ③岩芯的差应变法 声波波速、应力 ④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 ①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 a b c 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.36Ф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120Ω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：①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；②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； ③1秒～12小时采集控制时间间隔；④RS232C接口可以实现事后通讯，事后回访主机为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；⑤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，σ-ε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με； （3）量程: ±19999με； （4）供桥电压：2.4V或1.2V； （5）灵敏系数：0.001~999.999数字设置； （6）适用电阻应变片阻值:60Ω~1000Ω； （7）平衡方式：自动； （8）平衡范围：±6000με； （9）存贮空间：主机32K字节；当实时通讯时为海量存贮；

地应力测试及其在勘探开发中的应用

综述地应力测试及其在勘探开发中的应用 葛洪魁林英松王顺昌 (石油大学石油工程系,山东东营257062)(石油物探局) 摘要对国内外地应力测试与应用工作现状进行了综合分析。论述了地应力的分布规律、地应力的矿场和岩心测试方法、地应力的计算及其在油气勘探开发中的应用等。分析了水力压裂法、井壁崩落法、声发射法等地应力测试方法的原理、应用范围及计算方法,对目前应用的测试方法中存在的问题进行了研究,并指出了进一步发展的方向及需要解决的主要问题。结合油气勘探开发的需要,对油田开展地应力研究问题提出了建议。 主题词岩石应力;测试;水力压裂;声发射;开发方案;裂缝;预测;定向射孔 中图法分类号T E21;P554X 第一作者简介葛洪魁,男,1963年生。副教授,1989年获硕士学位,现在攻读博士学位。主要从事岩石力学、地应力等方面的研究。 引言 石油形成并赋存于地壳岩石中。地应力的大小及其变化是控制油气富集区分布、水力压裂裂缝扩展、储集层裂缝分布、油井套管长期外载以及钻井地层破裂压力、坍塌压力等项参数的因素之一,也是油气田开发方案的制定及油井工程设计必不可缺少的基础数据。认真分析研究国内外地应力测试及应用的现状,依此确定地应力研究工作的方向和路线,具有重要意义。 1地应力测试方法研究概况 到目前为止,地应力的确定方法可以分为四大类:一是利用资料进行定性分析,如火山喷道、断层类型、油井井眼稳定情况、取心收获率、区域应力场、地形起伏、地质构造、震源机制等;二是矿场应力测试,如水力压裂应力测试,井壁崩落地应力反演;三是岩心测试,如差应变分析、波速各向异性测定、滞弹性应变分析、声发射(Kaiser效应)测定等;四是地应力计算,如地应力场有限元数值模拟、地应力测井解释、钻进参数反演等。地应力测量方法虽较多,但真正能直接测量出地应力的方法,严格来讲还没有。相对而言,水力压裂方法可给出比较可靠的最小地应力值,在一定精度范围内可视为地应力的直接测量。其它方法一般均基于形变或有关物理量来推算地应力状态,属间接测量,其精度与所采用的反演方法密切相关。 中国石油天然气总公司密切结合生产实际,根据生产需要进行了地应力的研究工作。该研究涉及地层的深度,介于矿山、水利水电和地球动力学之间。制定了许多工程措施,为开展地应力研究提供了良好的试验条件。同时,其适用的测试技术也与矿山和地震部门有所区别。石油勘探开发不仅需要区域的、宏观的地应力场,更需要局部的、平面的和三维的地应力场,特别是分层的地应力。因此,不仅要了解地应力的现今状况,也要了解地应力场变化的历史,在地应力研究中特别注重孔隙流体的作用。石油部门对地应力的研究虽然起步晚,但发展速度快、发展前景远大。目前来看,存在的主要不足是各种应用工作单独进行,比较零散,没有形成统一的理论体系,难以从更高的高度对问题的本质进行系统地分析和研究。 2地应力的分布规律 在沉积岩中地层倾角不太大时,垂向应力一般与上覆岩层质量近似相等,另外两个主应力是水平的。在倾斜地层中,垂向主应力往往与垂直方向呈一夹角,夹角大小不超过30b,三向地应力和水平差应力的大小随深度而增加。一般情况下主应力方向随深度变化不大,但也有一些应力方向随深度变化 1998年第22卷 第1期 石油大学学报(自然科学版) Journal of the U niver sity of Petroleum,China Vol.22No.1 F eb.1998 X收稿日期:1997-03-18