6-2 地应力测量方法
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。
课件-地应力测量第六章
6.2 地应力的成因及分布特点
①强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、青海、云南、 宁夏、四川西部等。 ②中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、山东、辽宁 南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建─广东沿海地区及广西等。 ③较弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、贵州、 四川东部、黑龙江、吉林及内蒙古的大部分地区。 根据李方全的分析，我国华北地区，以太行山为界，东西两个区域 有较大的差别。太行山以东的华北平原及其周边地区，其主压应力轴方 向为近东西向，太行山以西的山西地堑区，其主压应力方向则发生了急 骤变化，表现为近南北向。 太行山以东的平原地区显然与太平洋板块向西俯冲有关，而太行山 以西的山西地堑区虽地处华北，但看来受印度板块向北运动和青藏隆起 的影响较大，可以说是东部与西部地区的过渡地带。
第6章 地应力测量及计算 章
6.1 概述 6.1 地应力的成因及分布特点 6.2 地应力的测量 6.3 地应力场的模拟计算 6.4 孔隙压力的变化对对地应力的影响 6.5 油田开发动态应力场的模拟方法
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6.1 概 述
一、基本概念
原地应力(in site stresses )：指钻井（drilling ）、油气开采 原地应力(in 指钻井（ （ oil and gas production ） 等活动进行之前，地层中地应力的原始 等活动进行之前 ， 大小。 大小。
研究的 目的意义
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6.1 概述
涉及到的一些重要概念： 涉及到的一些重要概念：
扰动应力：指钻井、油气开采等活动在地层中产生的地应力改变。 扰动应力：指钻井、油气开采等活动在地层中产生的地应力改变。 构造应力(structural 构造应力(structural stresses ) ： 由构造运动在岩体中引起的应
06地应力测量及计算2
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6.3 地应力的测量方法
一、现场测量：
对于现场测量方法，从测量方法的原理来看，可以分为截然不同的两
种方法: （这两种方法都是适用于矿山测量）
A B 采用钻孔来接近量测地点, 确定钻孔壁的应变或钻孔其它变形； 在钻孔壁上的特定位置测定环向正应力分量。
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6.2 地应力的成因及分布特点
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多年来的实例和理论分析表明，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变化等也可引起相应的 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。
方位确定最大水平地应力方向。
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6.3 地应力的测量方法
2、水力压裂井壁受力模型
图6-1 井壁受力的力学模型
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6.3 地应力的测量方法
图6-2 井壁岩石应力状态图
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6.3 地应力的测量方法
现场水力压裂试验法是目前进行深部绝对应力测量的最直接方法， 它是根据试验测得的地层破裂压力，瞬时停泵压力，裂缝重张压力反 算地应力，其基本假设为：
一）地质构造对地应力的影响
二）断层对地应力的影响
断层的形成是地层在地应力作用下发生破裂和滑动的结果，在一定的应 力场作用下，所形成的断层类型是基本固定的。 假定：断层所在地点的主应力方向之一是垂直的；在断层形成之前，岩 石是完整的，产生断层的岩石破裂过程遵循库伦准则，则可以由断层类型推 断三向地应力的相对大小。
地应力测试方法
地应力主要测试方法总结摘要：本文总结了目前使用较为广泛的26种地应力测试，并对这些方法的基本原理做了简要介绍。
这26种方法按照数据源途径可以分为5大类，分别为基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理学方法以及基于地下空间的方法。
最后文章对这些方法进行了的优缺点和适用范围进行了分析对比。
蓄存在岩体内部未受到扰动的应力称之为地应力，地应力可以分为两类，原地应力和诱发应力，而原地应力主要来自五个方面:岩体自重、地质构造活动、万有引力、封闭应力和外部荷载。
地应力具有多来源性且受到多种因素的影响，因此地壳岩体地应力分布复杂多变。
从海姆假说认为“岩体中赋存的应力近似为静水压力状态，且等于上覆岩体自重”到金尼克假说认为“垂直应力等于上覆岩体自重，水平应力等于岩体泊松效应产生的应力”，人们对岩体应力的认识逐步提高，并利用实测数据否定了以上两种假说。
社会发展的需求直接催生了大量地应力测试和估算方法，而这些方法的发展又进一步促进了人类社会的基础设施建设、资源和能源开发。
随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”问题(高地应力、高地温、高水压) 将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题。
准确确定深部开发空间区域的原地应力状态是解决以上难题的必要途径之一，这就需要进行地应力测试方法和技术的研究。
从地应力概念提出至今，各国科学家提出了数十种地应力测试方法，将其按照数据来源进行归类，大概可以分为五大类:基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法( 或地震学方法)、基于地下空间的方法。
下面将对各种方法的测试原理和方法发展的脉络作一些简要介绍，表1包括了目前认可程度和使用范围较广的各种方法.表1 原地应力测试和估算方法汇总1 基于岩心的方法1.1 非弹性应变恢复法非弹性应变恢复法(ASR)是通过测量现场从井孔取得的定向岩芯与时间相关的应变松弛变形来反演原地应力场方向和量值的一种方法。
地应力及其测量
假设钻孔中 存在压力P0 的裂隙水
Ps 2
水压致裂法 地应力测试 过程示意图 23
三、地应力测量方法－a) 水压致裂法
测量步骤：
(5) 卸压：打开压力阀，使裂隙完全闭合，泵压记录降为初始压力P0； (6) 重张：按2~5步骤连续进行多次加卸压循环，取得合理的压裂参数，判断岩
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二、地应力场的分布规律
2－实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量
E. Hoek和E.T. Brown总结出的实测垂直 应力随深度H变化的规律。 在深度为25~2700m范围内，实测垂直应 力呈线性增长。
在埋深小于1000m时，测量值与预测值可 能差别很大，有的甚至相差达到5倍，因 此这个方程可以很好地估算出所有应力测 量值的均值，但绝对不能用它来得到任一 特定位置处的准确值，因此最好是测量而 不是估算来确定垂直应力分量。
总结目前全世界地应力实测结果，得出σh,max/σv之值一 般为0.5~5.0，大多数为0.8~1.5。这说明，垂应力在多 数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力， 极个别情况下为最大主应力。
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二、地应力场的分布规律
4－平均水平应力与垂直应力的比值随深度 增加而减小
E. Hoek和E.T. Brown研究 了世界各地116个现场地应 力测量资料，平均水平应 力与垂直应力的比值K，
2) 特点：目前世界上测定地应力最深的测点已达 5000m，但多数测点的深度在1000m左右。很不均匀
有的点最大主应力在水平方向，且＞垂直应力 有的点垂直应力就是最大主应力 有的点最大主应力方向与水平面形成一定倾角
构造应力以水平应力为主
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二、地应力场的分布规律
1－地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场，且是时间 和空间的函数。
地应力测量方法综述
地应力测量方法综述张重远1，2，吴满路1，2，陈群策1，2，廖椿庭2，丰成君2（1．国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081；2．中国地质科学院地质力学研究所，北京100081）摘要：通过回顾地应力测量的起源及发展历程，对地应力测量方法进行了归类分析，明确了各种方法的基本原理、优缺点及应用范围；同时，对地应力测量的最新发展趋势以及目前我国在地应力测量方面面临的问题与挑战进行了剖析．研究成果对于采用较好的地应力测量方法以提高地应力测量精度无疑具有重要的指导意义．关键词：地应力测量；绝对应力；相对应力中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：1673-9787（2012）03-0305-06Review of in-situ stress measurement methodsZHANG Chong-yuan1，2，WU Man-lu1，2，CHEN Qun-ce1，2，LIAO Chun-ting2，FENG Cheng-jun2（1．Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard，Ministry of Land and Resources，Beijing，100081，China；2．Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing，100081，China）Abstract：After reviewing the origin and development process of in-situ stress measurement，major present-day methods to measure in-situ stress are classified and their fundamental principles，advantages and disadvanta-ges，and applications are introduced．Meanwhile，new development trends about in-situ stress measurement as well as the problems and challenges that emerge in in-situ stress measurement in China now are analyzed in detail．The study has a guiding significance for using different methods of in-situ stress measurement and thereby improving its measuring accuracy．Key words：methods of in-situ stress measurement；absolute stress measurement；relative stress measurement0引言地应力是指客观赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力．它是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力．李四光教授认为，岩层中发生的种种变形或破裂，是应力活动的结果［1］．随着我国采矿、隧道、水利水电、地热能开发、核废料处置等工程的持续增加，岩爆、巷道变形、高边坡失稳等一系列问题愈加突出．再加上我国又是当今世界上构造活动最为强烈的国家之一，陆内地震、山体滑坡等地质灾害频频发生．因此，开展地应力测量和监测，探知地壳应力状态，不仅可以服务各类岩体的工程建设，而且还能为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质灾害预警研究提供重要的科学依据．目前，随着地应力测量在工程建设、地质灾害预警以及断裂活动性研究等领域的广泛应用，地应力测量方法日益增多．本文在回顾地应力测量起源及发展历程的基础上，对地应力测量方法进行了系统的归纳分析，以期为地应力测量方法的第31卷第3期2012年6月河南理工大学学报（自然科学版）JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）Vol．31No．3Jun．2012收稿日期：2012-02-23基金项目：国家科技专项（SinoProbe-06-01）．作者简介：张重远（1987—），男，河南周口人，主要从事地应力测量与区域应力场稳定性研究．E-mail：zhchongyuan@126．com合理应用提供借鉴．1地应力测量的起源与发展1932年，美国人R S Lieurace率先在胡佛大坝坝底泄水隧洞采用岩体表面应力解除法测量洞壁的围岩应力状态，开辟了地应力测量的先河．20世纪50年代初，瑞典人N Hast采用压磁套芯应力解除法在斯堪的纳维亚半岛进行了大规模的地应力测量试验，首次测得近地表地层中水平应力大大超过垂直应力，证明了A Heim的静水压力假说和A H Gennik的垂直应力大于水平应力的理论不具普遍性［2］；同时，他还认为这种现象与斯堪的纳维亚半岛的缓慢地壳构造运动有关．另外，他还将地应力测量引入了地质构造分析与地壳应力场研究之中．20世纪60年代以后，地应力测量理论和方法呈现多样化发展趋势，除了套芯应力解除法和水压致裂法等主流方法外，还涌现了诸如声发射法、应变恢复法、钻孔崩落法、岩芯饼化法、地质构造分析法及应力场反演法等一系列间接测量地应力的方法．20世纪80年代以后，地应力测量受到世界各国的广泛关注，特别是一些发达国家相继开展了深部应力（应变）监测计划．如美国的板块边界计划（PBO）在美国西部圣安德森断层边界计划安装200套钻孔应变仪，以研究美国西部板块边缘地区的变形；日本在京都地区与伊豆半岛等地安装了近40套深井地壳活动综合监测装置，用于地震活动性研究及地震预警监测［3］．我国地应力测量试验和研究开始于20世纪50年代后期，是由著名地质学家李四光和陈宗基两位教授分别指导的地质力学研究所和三峡岩基专题研究组率先组织实施的．1966年邢台地震之后，在李四光教授的指导下，在河北省隆尧县建立了全国第一个、也是世界上第一个地应力监测台站．该台站发现了地应力与地震活动有密切的联系．在过去的几十年间，我国原地应力测试技术得到了迅速发展，相继成功研制了压磁应力解除法、空芯包体应力解除法、水压致裂法、声发射法地应力测试系统仪器设备．汶川地震后，我国在南北地震带及首都圈安装了最新研制的圧磁应力监测仪器，显示了良好的地震前兆及响应信息．为了提高地球深部资源勘查和灾害预警水平，我国近期启动了深部探测技术与实验研究，这为建立我国地应力测量及监测网络、提高地震预警能力提供了坚实的物质基础和技术保障［4］．2地应力测量的主要方法迄今为止，可用于地应力测量的方法虽然很多，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［5］．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．其中，最为常用的方法是钻孔应变测量，它包括钻孔分量应变法和钻孔体积应变法．2．1套芯应力解除法套芯应力解除法既是2003年国际岩石力学测试专业委员会（ISRM）新推荐的一种地应力测量方法［6］，也是当前国内外最为常用的一种地应力测量方法．它是以平面应力状态为理论基础，假定岩体是连续、均匀、各向同性、线弹性的［7］．具体测量方法见图1．603河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷目前，主要采用的套芯应力解除法有空芯包体应力解除法和压磁应力解除法．空芯包体应力解除法采用空芯包体应变计进行测量，压磁应力解除法采用以铁磁体磁致伸缩原理为基础设计的传感器进行应力测量［7］．压磁应力解除法地应力测量技术最早起源于瑞典，经过地质力学所的长期改进和创新，该方法已在国内许多重大工程应用中取得了良好的效果［7-11］．相比较而言，空芯包体应力解除法操作简单，经济实用，精确度较高，且可测量三维应力状态，但是其测量深度较浅（仅数10m ），且多用于隧道、矿山、地下硐室安全设计等方面．压磁应力解除法是一种平面测量方法，在3个相互正交的钻孔中可测得三维应力值，其测量探头稳定性好、灵敏度高，测量深度大（可达100 200m ［10-11］），多用于对变形控制要求较高的隧道、硐室及核废料处置等工程中．2．2水压致裂法水压致裂法地应力测量是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，向封隔段注入高压流体（通常为水），并通过孔壁岩体的胀裂来确定地应力的一种方法（图2）．由于该方法可以在无需岩石力学参数的情况下直接测量应力值，特别是可以直接确定最小主应力值，再加上其具有操作简单、测量深度较大等优点，目前已被广泛应用．2003年，国际岩石力学测试专业委员会推荐了经典水压致裂法（HF ）和原生裂隙水压致裂法（HTPF ）［12］．HF 法地应力测量假设岩体为理想、非渗透性的且有一个主应力为垂直方向，大小等于上覆岩层重量．严格意义上讲，HF 法是一种平面测量方法，若要获取全应力张量，需采用三孔交汇测量．HF 法选择岩性完整的测试段，进行3 5个压裂循环试验并生成压力-时间曲线．最小水平主应力大小可从曲线中分析得到，其中关闭压力的准确判读是关键，ISRM 推荐至少用2种方法保证其可靠性［12］．孔壁的破裂方向即为最大水平主应力方向，一般用带有定位系统的印模器确定，但也可用地球物理成像技术记录裂隙方向［12-14］．当岩体中存在较多原生裂隙时，可以选用HTPF 法［12］．HTPF 法是HF 法的发展，能够估算全应力张量，且不涉及孔隙压力、钻孔方向和材料属性等参数，若裂隙间距大于50m ，需假设应力梯度，这会增加测试次数［12-16］．作为目前能完整测量深部地应力的最有效方法，水压致裂法广泛应用于水电、石油、地热及科研钻探中．2．3应变恢复法应变恢复法的原理是岩芯从周围岩体分离后即发生体积恢复（一部分是立即发生的弹性恢复，一部分是随时间缓慢发生的滞弹性恢复），且各方向的应变恢复量与之前所受压力正相关［16］．应变恢复法可分为滞弹性应变恢复法（ASR ）和微分应变曲线分析法（DSCA ）．目前，该技术在日本发展的较为成熟，并在科研及工程中取得了较好的应用效果．ASR 法通过对岩芯在径向和轴向测量应变恢复，可获得主应变方向，进而得到主应力方向，但对主应力值的估计较为困难，需要针对不同岩性建立准确的本构模型．DSCA 法认为，解除应力后，定位岩芯将随着膨胀而出现微裂隙，裂隙分布和原岩应力方向有关，裂隙密度与原岩应力大小成正比［17］．通过对试件正交面上应变片施加静水压力、记录各应变片的应变值并描绘应变-压力曲线，可以分析得到3个主应力方向及比值．若已知其中一个主应力大小（通常假设垂直应力为上覆层岩体重量），即可确定另外两个主应力大小［18-19］．ASR 法岩芯定向费用较高，且影响测量结果的因素很多［16］．DSCA 法操作复杂，仅为二维测量．但在一些大深度钻井条件下，当水压致裂法和应力解除法无法有效实施时，或者当需要其他方法的补充性数据来确保测量结果可信度时，应变恢复法具有较高的应用价值．2．4钻孔崩落法钻孔崩落指大深度的钻孔孔壁自然坍塌、掉703第3期张重远，等：地应力测量方法综述块现象［20］．同一地区井孔深部孔壁多发生塌陷，且具有相似的优势坍塌方位．钻孔孔壁挤压应力最大集中区通过剪切破碎而形成崩落，崩落的方向与最小水平主应力平行．有人认为，可利用崩落形状和岩石强度参数来确定水平主应力的大小，以及根据孔壁崩落的深度和宽度来估算应力值［21］．崩落方位可以用井下电视等辅助工具描述．钻孔崩落法的优点是速度较快，而且能在其他手段效率较低的深孔乃至超深孔获取有效信息．但也有很多不足，比如需要有崩落段的存在，岩体的各向异性会扰乱崩落方位、损害已获信息的有效性、尚无令人满意的理论与方法确定应力值的大小等［16］．钻孔崩落法广泛应用于石油工业及科研深钻中，如德国KTB深钻、日本海洋钻探计划（ODP）、中国台湾TCDP深钻和大陆科学钻探（CCSD）等［22-27］．2．5声发射法声发射（AE）是材料内部储存的应变能快速释放时所产生的弹性波现象．德国人J Kaiser研究发现，多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载时，若应力未达到先前的最大应力值，则很少有声发射产生；当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做Kaiser效应［28］．把从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称之为Kaiser点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力．据此，在实验室对岩石试件进行6个以上不同方向的单轴压缩试验，可获得6个以上不同方向的压应力，并进一步根据弹性理论确定岩石取芯点的全应力张量［28］．岩芯的定位多采用古地磁法．由于声发射与弹性波传播有关，且高强度的脆性岩石通常具有较明显的Kaiser效应，而多孔隙低强度及塑性岩体的Kaiser效应往往不明显，所以一般不建议用AE法测定比较软弱疏松及塑性岩体中的应力．不过，M Seto通过试验认为，即使脆弱的岩芯，若采用多次加载也可以较好地分辨出Kaiser点［29］，这为利用AE法测定软弱疏松岩体提供了可能．目前，AE法在矿山和油田等工程中应用较多．2．6相对地应力测量方法长期以来，相对地应力测量的主流方法是钻孔应变观测，包括钻孔分量应变监测法和钻孔体积应变监测法．当前的监测台站多使用这类方法，限于篇幅，仅简要介绍这两种方法．钻孔分量应变观测法是观测钻孔直径的相对变化量，原理上沿不同方位布设3个压磁式、振弦、电容或半导体应变片就可以测出钻孔所在的平面应变状态．我国主要使用四分量式应变仪（其4个顺次标记元件相隔45ʎ夹角），其优点是可以利用奇数与偶数元件位移量之和的相关性自行检验观测的正确性，且当其中1个元件不能正常工作时，其余3个元件仍然可以完成测量［30］．钻孔体积应变监测法是测量岩石的体积应变，测量探头为液压式或液位式传感器．该法对岩石的完整性要求相对宽松，也容易获取长期稳定的资料，而且能在土层或松软岩层中测量［31］．地壳的构造运动、地球的固体潮汐作用、气压变化、地下水位变化、温度的变化以及人类的活动等都会造成地壳中的应力（应变）变化，而钻孔应力应变监测关心的又是构造运动引起的地壳中的应力（应变）变化，因此，需要对影响观测值变化的各种因素同时进行辅助监测［30］．目前，钻孔应变监测主要用于地震预警，但也可以用于矿山安全监测．3地应力测量存在的问题与展望3．1存在的问题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［3］．目前，国际上最大地应力测量深度已达5100m［32］．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［3，30］．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［3］．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，大部分监测台站数据网络传输、数据分析处理能力也亟待加强，这些问题制约了地学领域的创新性发现．第三，统一的地应力测量规范和标准亟待解决［3］．ISRM早在1987年即发布了“确定岩石应力的建议方法”．2003年，结合地应力测量方法的最新进展，又发布了新的建议规范．然而，在这些权威的地应力测量方法技术规范起草和编写过程中，没有我国相关领域科学803河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷家的参与．其次，在技术与操作层面上存在的问题与挑战有：第一，测量深度引起的仪器设备性能问题．深部岩体的苛刻环境要求钻探设备和监测仪器具备足够的耐高压、耐高温、抗干扰、防水能力，而仪器在这种环境下，长期工作的稳定性以及与孔壁的耦合性不容忽视．第二，测量仪器和方法的精度与可重复性问题．测量的精度是确保数据可靠的关键，对此，除了改进已有仪器，更需要新技术、新材料的研发．测量过程和结果的可重复性既是测量工作科学、严谨的体现，又是测量仪器与方法广泛应用的保障，具有重要意义．第三，测量仪器及测量平台的现代化程度问题．提高测量与数据采集的质量与效率、推进测量成果网络传输与共享、建立测量方法标定平台，既需要增强地应力测量体系的现代化水平，又需要地应力测量系统向自动化、集成化、智能化方向发展．3．2展望近年来，人们逐渐认识到，由于地壳结构的高度复杂性和非均质性，加之地形等因素的影响，基于浅部及孤立测点所获得的地应力测量数据的代表性十分有限．因此，只有提高地应力测量深度，加大监测密度，才可能比较准确地认识和把握某一构造单元地质构造活动的动力学成因和内在机制．有鉴于此，在绝对应力测量方面，深部乃至超深部应力测量已成为必然趋势．同时，考虑到目前尚没有哪一种地应力测量方法能够适应和胜任所有目的和环境的测试，采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补已成为提高测量结果可信度的必然举措．此外，在相对应力测量方面，高密度深井综合监测已成为未来的发展方向．这不仅是深部地质研究的客观需要，也是消除气压、温度、地下水以及地面噪音等自然和人为因素干扰的现实需要．有鉴于此，钻孔分量应力和应变监测方法无疑将成为重点发展方向．目前，地应力相对测量正朝着多元化方向迈进，钻孔地应力（应变）监测以及其他物理参数检测技术将一起作为地球物理观测的重要手段在未来深部地壳研究中发挥重要的作用．参考文献：［1］李四光．地质力学方法［M］．北京：科学出版社，1976．［2］HAST N．The state of stress in the upper part of the earth＇s crust［J］．Tectonophysics，1969，8（3）：169-211．［3］陈群策，李宏，廖椿庭，等．地应力测量与监测技术实验研究-SinoProbe-06项目介绍［J］．地球学报，2011，32（S1）：113-124．［4］董树文，李廷栋，SinoProbe团队．深部探测技术与实验研究（SinoProbe）［J］．地球学报，2011，32（S1）：3-23．［5］蔡美峰．地应力测量原理与技术［M］．北京：科学出版社，2000．［6］SJ BERG J，CHRISTIANSSON R，HUDSON J A．IS-RM Suggested Methods for rock stress estimation-Part2：overcoring methods［J］．J Rock Mech＆Min Sci，2003，40（7/8）：999-1010．［7］王连捷，潘立宙，廖椿庭，等．地应力测量及其在工程中的应用［M］．北京：地质出版社，1991．［8］吴满路，马寅生，张春山，等．兰州至玛曲地区地应力测量与现今构造应力场特征研究［J］．地球物理学报，2008，51（5）：1468-1474．［9］吴满路，廖椿庭，张春山，等．红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究［J］．岩石力学与工程学报，2004，23（23）：3943-3947．［10］吴满路，张春山，廖椿庭，等．青藏高原腹地现今地应力测量与应力状态研究［J］．地球物理学报，2005，48（2）：327-332．［11］LIAO CHUNTING，ZHANG CHUANSHAN，WU MANLU，et al，Stress change near the Kunlun faultbefore and after Ms8．1Kunlun earthquake［J］．Geo-physical Research Letters，2003，30（20）：2027．［12］HAIMSON B C，CORNET F H．ISRM Suggested Methods for rock stress estimation-Part3：hydraulicfracturing（HF）and/or hydraulic 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Abstr，1978，15（4）：167-178．（责任编辑杨玉东）013河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷。
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。
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，并经常引起严重的事故，造成人员伤亡和财产的重大损失。
地应力的直接测量法
地应力的直接测量法
地应力的直接测量法包括下面几种方法：
1. 地应力测量仪器：使用地应力测量仪器直接测量地下的应力。
这些仪器通常是通过在地下钻孔中放置应变计或应力计来测量地应力。
这种方法可以提供准确的地应力数据，但需要进行钻孔操作，费用较高。
2. 爆炸法：通过在地下设置炸药并引爆，测量地表上的应力波传播速度和振动特征来推断地下的应力。
这种方法相对简单，但需要进行炸药操作，安全风险较高。
3. 岩石力学试验：通过进行岩石力学试验，测量岩石的弹性模量、抗拉强度、抗压强度等参数，从而间接推断地应力。
这种方法需要采集岩石样本进行实验室测试，适用于岩石层较浅的地区。
4. 岩石应变测量：通过在地下岩石体内放置应变计，测量岩石的应变变化来推断地应力。
这种方法需要进行钻孔操作，并需要考虑岩石体的应变计的选择和安装位置。
这些方法各有优缺点，选择合适的方法需要考虑实际情况和研究目的。
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，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。
地应力的测定方法及分层规律的数值模拟计算
σ Z = ∫ ρ ( z ) gdz
H 0
(2-1)
第一节 现场水力压裂试验法测定地应力
现场水力压裂试验法测定地应力是根据试验测得的地层破裂压力、 瞬时停泵压力及裂缝 重张压力反算地应力。 为了能较准确地求得地应力， 现场水力压裂试验应遵守以下步骤进行： (1) 下套管固井后，钻开几米裸眼井段。 (2) 用水泥车以恒定的低速度泵入泥浆，记录下井口压力随泵入时间的变化曲线，直至 地层产生破裂。 (3) 地层破裂后，继续向井内泵入流体至裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即 6 倍井眼 半径以远时(估计从破裂点起约历时 3～5min 左右，约合 300～400L 流体)，进行瞬时停泵， 记录下瞬时停泵压力。 (4) 停泵压力平稳后，重新开泵，记录下裂缝重张压力。典型的水力压裂试验曲线见图 2-2 所示。从图中可以确定以下压力值： 1)地层破裂压力 p ：为井眼所能承受的最大内压力，是地层破裂造成泥浆漏失时的井 内液体压力。 2)瞬时停泵压力 p ：瞬时停泵，裂缝不再向前扩展，但仍保持开启，此时 p 应与垂直 裂缝的最小地应力值相平衡，即有 p = σ 。 3)裂缝重张压力 p ：瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开 闭合裂缝所需的压力 p 与破裂压力 p 相比，不需要克服岩石的拉伸强度 S ，因此可以近 似地认为破裂层的拉伸强度等于这两个压力的差值，即： S = p − p
f
s
s
s
h2
r
r
f
t
t
f
r
- 17 -
第二章 地应力的测定方法及分层规律的数值模拟计算
日期：1994.1.31 井深：4340m；钻井液密度：1.70g／cm³； 孔压系数：1.20g／cm ； p =19.5MPa； p =11.0 MPa； p =14.0MPa；St=5.0MPa
地应力测试试验
纲
利用岩石“kaiser效应 效应” 利用岩石“kaiser效应”测地应
利用岩石“kaiser效应” 利用岩石“kaiser效应”测地应力 效应
四、成果整理 1、绘出 每个试件 的AE特征 曲线； 2、确定 AE特征点 （突发点）
利用岩石“kaiser效应” 利用岩石“kaiser效应”测地应力 效应
2、室内测试方法
1）试件制备 （3）试件尺寸 园柱体：高：径比2～3：1； 长方体：高：宽比2～3：1； （4）端部处理 2）试验过程 安装声发射探头； 通过MTS伺服控制刚性试验机加压； Force控制，15KN/min；
荷载传感器 声发射探头 岩石试件
提 力
一、概述 二、仪器、设备 仪器、 三、试验方法 四、成果整理
提 力
一、概述 二、仪器、设备 仪器、 三、试验方法 四、成果整理
纲
利用岩石“kaiser效应 效应” 利用岩石“kaiser效应”测地应
利用岩石“kaiser效应” 利用岩石“kaiser效应”测地应力 效应
二、仪器、设备 仪器、 1、伺服控制刚性试验机 2、声发射探头
声发射探头 岩石试件
荷载传感器
1 2 T = − J1 + J 2 3 1 1 3 ω = arccos − Q / − T 27 2 2 3 1 Q = − J1 + J1 J 2 − J 3 27 3
利用岩石“kaiser效应 效应” 利用岩石“kaiser效应”测地应力
四、成果整理
1）主应力
T ω 1 σ1 = 2 − cos + J1 3 3 3 T ω + 2π 1 σ2 = 2 − cos + J1 3 3 3 T ω + 4π 1 σ3 = 2 − cos + J1 3 3 3 J1 = σ x + σ y + σ z
地应力测量方法综述
赵亚 军 孟楠 楠 （ 内蒙古科技 大学 矿业 与煤炭学常用的地 应力测量方法的归类分析 ， 明确了各个方法基本原理 、 优 缺点 ， 阐述 目前地应 力测 量方 法的局 限性 ， 并 指 出未来地应力测量发展的发展 方向 ， 为提高地应力测 量效 率提 供了参考。 关键词 ： 地应 力 ； 适用范围 ； 测量方法
一
应 力解 除法 的基 本原 理 是 当测 定 岩 体 中的 某 点 的 地应力时 ， 就应人为地把该点岩体与周围岩体相分离， 该岩 体就会 发 生弹性 变 形 ， 此时 ， 该 点岩 体上 的应 力就
会被解除 。同时 ， 此单元体 的几何尺寸将逐 渐得到恢 复。用一定的测量仪器 ， 测定 此弹性恢复 的应 变值或 变形值 ， 并且假设岩体是连续 、 均质和各向同性 的弹性 体， 且加载和卸载时应力和应变关系是相 同的 ， 并具有 等同的函数值 ， 于是就可以借 助弹性理 论的解 答来计 算岩 体单 元所 受 的应 力状态 。 应力解除法是发展时间最长 ， 技术上 比较成熟的 地应力测量方 法， 能够客观地反映 岩体内部地应力的 状况， 测量精度 比较高 ， 可靠性 比较 高， 适用于现有矿 山的巷道 和硐 室里 。但 这 种方 法 测 量地 点 是很 有局 限 性的， 在运用技术上也存在一些困难。 根据测试方式不同 ， 应 力解 除法包括表面应力解 除法、 孔壁应力解除法、 孔底应 力解除 法， 其中孔壁应 力解除法又可分为探孔应 力解除法 、 孔底应 变解除法 和孔壁切割解除法。孔壁应变法可单孔准确测量岩体 的三维地应力 ， 但要求岩体完整性好且测量元件受温 度、 空气湿度等各方面影 响较大 ； 孔径变形法因测量元 件不与孔壁接触， 因此可以排除孔壁变形法存在的缺 点， 该方 法具 有适 应性 强 、 灵敏 度 高 、 周期短 等 优 点 ； 孔 底应 变 法对 岩 体 的 完 整 性 要求 低 、 测 试 成 功 率 高 但 在 我国的影响度较低 ， 且适合测量二维应力。 ３ 声发射法 声 发射法 （ Ａ Ｅ） 是 在 凯 瑟 效 应 的 基 础 上 来 测 定 地 应力的一种方法 ， 其原理 是材料受到外载荷作用之后 ， 材料内部会将储 存的应变就会释放 出来 ， 材料释放形 式为弹性波 ， 在应变释放 的过程中就会发出声响 ， 就可 以测量材料 内部的应力值。而 当测量岩 体破 裂时 ， 每 次的裂缝扩张 ， 就引起 能量的一次释放 ， 产生一次声 发射， 此时 的传感 器就 接 收 到一 次声 发射 信 号 ， 产 生一 个声 发射 波 ， 这就 叫一 次声 发射 事件 ］ 。 而 所谓 的凯 瑟效应 就 是 多 晶金 属 的 内部 从 最 高应 力瞬间释放后， 然后又重新对其进行加载 ， 当没有达到 先 前最 高应 力时 ， 会产 生 很小 的声 发射 ， 当达 到 或者 超
地应力测量方法
1h 和 2h ，
孔壁还受
有水压Pb. 如图。
a
图 孔壁开裂力学模型
9
钻孔周围岩体内应力 (Kirsch.G-基尔斯解)
10
在孔壁上 r=a， r Pb
有： (1h 2h ) Pb 2(1h 2h ) cos 2
当 0 时有最大拉应力：
2h Ps0
12
• 求得主应力及岩体抗拉强度 T0
2h ps0
pb pb0 T0
1h
3 2h
pb
T0
3）根据水压致裂法试验结果计算地应力
（1）一般来讲 z h 作为地主应力之一。我 们可以将 z 与 2h 作比较，若 z 1h ，则 可以肯定此时 2h 为最小主应力；进一步将 与 z 1h 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。
13
因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 2h 的方位或 1h 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。
（2）如果 2h h ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 z h 为最小 地应力， 2h 与 1h 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。
24
套芯小孔
套孔取芯
套芯大孔
2) 测量步骤： (1)在测试地点打(大d) 孔 (a)
套芯小孔
(a) (c)
(2)从大孔底打同心小孔
(b)
(3)在小孔中央位置安装(测b) 量探头
(d)
安装探头
套芯小孔 套孔取芯套芯大孔来自(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯(实a) 现应力解除
体力学-第4讲-岩体地应力及其测量方法
以围岩强度比为指标的地应力分级基准
法国隧道协会 我国工程岩体分级基准 日本新奥法指南（1996 年） 日本仲野分级
极高地应力 < 2 < 4 > 2 < 2
地应力 2～4 4～7 4～6 2～4
一般地应力 > 4 > 7 > 6 > 4
高地应力现象
•
•
岩芯饼化现象
在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可 见到岩芯饼化现象。美国 L.Obert和 D.E.Stophenson（1965年）用实验验证的方法 同样获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是 高地应力产物。从岩石力学破裂成因来分析， 岩芯饼化是剪张破裂产物。 除此以外，还能发现钻孔缩径现象。
1
H
• 1958年，瑞典，N.Hast的纳维亚半岛实测
• 最大主应力几乎处处是水平或接近水平的 • 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍以上
地应力的成因
•
•
大陆板块边界受压引起的应力场
构造地应力有明显方向性
中国板块主应力迹线图
地应力的成因
• 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。 • 当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为 二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一 对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回 到地球深处，形成一个封闭的循环体系。 • 地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
主要内容
地应力的基本概念 地应力场分布规律 高地应力区特征 地应力测量方法
地应力场分布规律
•
• • •
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
地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的 三向不等压应力场。 就某个地区整体而言，地应力的变化是不大 的。 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。
粤沪版物理八年级下册6-2 怎样测量和表示力 课件
3、如图所示，斜面上有一小车，受到沿斜面向 上的牵引力F为40N，在图中画出这个力的示意图。
4、甲用一与水平方向成30º角的力拉小车，乙用
40N的力水平向右推小车，请画出小车受到拉力
和推力的示意图。
F1 F=40N
F1
300
F2=40N F2
2题图
3题图
4题图
以上物体受到__力___的作用，它的__形__状___改变, 由于__力_的__作__用__是__相__互_的___，这些物体对施力物 体也产生力。
注意：线段的长短大致表示力的大小；箭头表
示力的方向；线段的起点或终点都可表示力的 作用点。
课练：1.画出下列各图中力的示意图。 Ｆ＝１００Ｎ
用１００Ｎ的力 水平向右推小车
（ａ）１０Ｎ重的书竖直 向下压桌面
用３００Ｎ的力沿着 Ｆ＝３０ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱＮ 斜向上的方向拉小车
2、如图所示，天花板上的一只电灯被一根细绳 拉向右侧，在图中画出电灯受到的电线的拉力及 细绳的拉力示意图。
物体形状改变时产生的力叫做弹力
在弹性限度内物体 的形变越大，弹力越 大。
弹簧受到的拉力越 大，弹簧的伸长就越 ．长
弹簧测力计是 测力计的一 种．
弹簧测力计原理：
弹簧在一定的弹性限度 内，弹簧伸长的长度与 弹簧受到的力成正比,这 也就意味着弹簧测力计 的刻度都是均匀的。
观察弹簧测力计
结 构： 弹簧、指针、刻度盘和秤钩
6.2 怎样测量和表示力
一、用图表示力
实验表明：不同 大小的力、不同方向的力、
不同作用点的力对物体的作用效果都不一 样。
物素一理. 、学力中的把三力要的素大: 小、方向和作用点叫做力的三要
二、力的示意图
6-2 地应力测量方法
2
（4-8）
2
E 2 U1 U 2 U 3 2 2 6d 1
U1 U 2 U 2 U 3 U 3 U1
3 U 2 U 3 2U1 U 2 U 3
（4-9）
arctan
① 孔径变形测量
用于测量孔径变形的仪器很多，其中最著名 的是USBM（美国矿山局）孔径变形计。
它 是 奥 伯 特 （ L.Obert ） 和 梅 尔 里 （R.H.Merrill）等人于60年代研制出来的， 其结构见教材P159图3-20所示。
① 孔径变形测量
其探头是六个圆头活塞，两个径向相对的活塞测量 一个直径方向的变形，每对相差60°角，
① 孔底应变测量步骤
（3）将应变计导线连接到应变测量仪器上， 记录原始应变数据（一般调零）； （4）进行套孔应力解除，解除后再一次记 录应变数据，根据应力解除前后应变片的读 数变化，即可求出孔底平面的应力状态。
孔底平面的应力状态和周围原岩应力状态的 关系还没有理论解，只能通过试验或数值分 析方法求得。 由于孔底应力集中的状况是非常复杂的，要 精确确定二者之间的关系是很困难的，正因 为这一点孔底应变计测量的精度和实际应用 受到了很大影响。
② 孔壁应变计测量应力计算原理 （1）钻孔周围围岩应力分布公式 一个无限体中的钻孔，受到无穷远处的三维应力场 作用时，在孔壁上是个平面应变问题，可套用弹性 力学公式4-17和4-18，然后通过叠加法可得：
x y
2 a 2 a 2 a2 x y a2 a2 cos 2 1 2 1 3 2 xy 1 2 1 3 2 sin 2 （4-14） 1 2 2 r r r r r
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另一方面，它也有和孔径变形法相类似的 问题，即一孔测量也只能解决二维应力， 如若需要求解原岩应力的六个应力分量， 就必须打互不平行的三个钻孔进行测量。 但该法也有自己的优点，即它不需很长的 套孔岩芯，因而有可能在较为破碎的岩石 条件下使用。
② 孔底应变计测量计算原理 00 , 45 , 90 由CSIR门塞式孔底应变计测得的三个应变值（ °， 45°，90°代表该应变片与x轴的夹角），那么由下 列公式可求得孔底平面上在未套孔前的应力状态：
U ,U ,U 为相互间隔60°的三个径向方向的变形 式中： 值； 为 U 和 1 之间的夹角，从 U 逆时针到 1 为正，
1 2 3
1
1
同时 的范围限制如下：
当 当 当 当
U2
U3
U2
U3
U2
U2
U3
U3
且 U U 且 U U 且 U U 且 U U
2 3 2 3
活塞由一个悬悬臂梁式的弹簧施加压力（一般有 0.5mm左右的预压变形），以保证它和孔壁接触。
当应力解除时，钻孔直径膨胀，预压变形得以释放， 悬臂弹簧的弯曲变形发生变化，这一变化由电阻应 变片探测并通过仪器记录下来。 通过标定试验可以确定两个活塞头之间的径向变形 和悬臂弹簧上应变片所测读数之间的关系。
2 2 2 2 2
2
2
E 2 U1 U 2 U 3 2 2 6d 1
U1 U 2 U 2 U 3 U 3 U1
3 U 2 U 3 2U1 U 2 U 3
arctan
1 2
① 孔径变形测量
用于测量孔径变形的仪器很多，其中最著名 的是USBM（美国矿山局）孔径变形计。
它 是 奥 伯 特 （ L.Obert ） 和 梅 尔 里 （R.H.Merrill）等人于60年代研制出来的
① 孔径变形测量
其探头是六个圆头活塞，两个径向相对的活塞测量 一个直径方向的变形，每对相差60°角，
（4-13）
其中，a,b,c,d四个系数没有理论解，只有通过试验 或数据分析获得，因此，不同的研究者给出不同的 值，古德曼给出的值是： a 1.30
b 0.085 0.15 2 c 0.473 0.91 d 1.423 0.027
（3）孔壁应变法 在三维应力场作用下，一个无限体中的钻孔 表面及周围的应力分布状态可以由弹性理论 给出精确解， 从而通过应力解除测量钻孔表面的应变，即 可求出钻孔表面的应力，并进而精确地计算 出原岩应力状态。 南非CSIR三轴孔壁应变计就是根据这个原理 研制出来的。
（3）将应变计导线连接到应变测量仪器上， 记录原始应变数据（一般调零）； （4 ）进行套孔应力解除，解除后再一次记 录应变数据，根据应力解除前后应变片的读源自数变化，即可求出孔底平面的应力状态。
孔底平面的应力状态和周围原岩应力状态的 关系还没有理论解，只能通过试验或数值分 析方法求得。 由于孔底应力集中的状况是非常复杂的，要 精确确定二者之间的关系是很困难的，正因 为这一点孔底应变计测量的精度和实际应用 受到了很大影响。
② 孔壁应变计测量应力计算原理 （1）钻孔周围围岩应力分布公式 一个无限体中的钻孔，受到无穷远处的三维应力场 作用时，在孔壁上是个平面应变问题，可套用弹性 力学公式4-17和4-18，然后通过叠加法可得：
x y
2 a 2 a 2 a2 x y a2 a2 cos 2 1 2 1 3 2 xy 1 2 1 3 2 sin 2 1 2 2 r r r r r
③ 测点岩石弹性模量和泊松比的获得 为了获得测点岩石弹性模量和泊松比，可以通过对 套孔岩芯加围压，并通过孔径变形计测量围压—— 孔径变形曲线，由此可用如下计算公式确定其弹性 模量值： 4 P0 rR 2
E U R2 r 2
式中：P0—围压值；U—由围压引起的平均径向变 形值；R，r—分别是套孔岩芯的外、内径。 为了求得泊松比值，可在套孔岩芯上贴轴向应变片， 测得的轴向应变和径向应变之比即为该点岩石的泊 松比值。
6.5 间接测量法
地球物理探测法：可用于探测大范围内的地 壳应力状态，但是由于对测定的数据和应力
之间的关系缺乏定量了解，同时由于岩体结
构的复杂性，各点的岩石条件和性质各不相
同，这种方法不可能为实际的岩石工程提供
可靠的地应力数据。
孔径变形法 孔底应变法 全应力解除法 孔壁应变法 空心包体应变法 实心包体应变法 切槽解除法 局部应力解除法 平行钻孔法 中心钻孔法 间接测量 微分应变曲线分析法 松弛应变测量法 非弹性应变恢复法 孔壁崩落法 地球物理探测法 声波观测法 超声波谱法
1 2
2
a2 1 2 a2 a2 cos 2 1 3 2 xy 1 3 2 sin 2 1 2 r 2 r r
a2 a2 z 2 x y 2 cos 2 4 xy 2 sin 2 z r r
③小孔要用水冲洗干净。
3、用一套专用装置将测量探头胶固到小 孔中央部位。 4、用打大孔用的薄壁钻头继续延伸大孔， 从而使小孔周围岩芯实现应力解除。
5 、由于应力解除引起的小孔变形或应变， 可由空内的测量系统测定，并通过记录仪器 记录下来。 6 、根据测得的小孔变形或应变通过有关计 算公式，求出小孔周围的原岩应力状态。
1 x 0 y x E 1 y 90 y x E 1 2 xy xy 45 0 90 G 分别为该点岩石的弹性模量、泊松比和
矿山岩体力学
华北科技学院 安全工程学院
2014-7-9
1
6.5 间接测量法
（主要介绍空心包体法）
6.5.1测量方法种类 (套孔应力解除法)
6.5.2 变形或应变的测量
孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法 空心包体应变法、实心包体应变法
6.5.3 空心包体测量步骤
6.5.4 空心包体法测量原理
2
2U1 2U1
3
2U1
2
3
2U1
时， 0 45 时， 45 90 时， 90 135 时， 135 180
0 0
0
0
0
0
0
0
假如钻孔轴线和一个主应力方向重合，且该方向主 应力值也已知，譬如假定自重应力是一个主应力， 且钻孔为垂直方向，那么一个钻孔的孔径变形测量 也就能确定该点的三维应力状态。
门塞式孔底应变计示意图见教材
① 孔底应变测量步骤
（1）根据孔径变形法的要求打出大孔，然 后将孔底磨平打光； （2）将应变计端部涂上胶结剂，并用专门 工具送到孔底，施加压力将应变计端部和 孔底挤压在一起，直到胶结剂固化为止， 这样应变片也就粘贴在孔底岩石上了，记 录应变片在孔底的方位；
① 孔底应变测量步骤
6.5 间接测量法
根据测量的物理量和测量方法的不同，间接测量法 也有数十种之多。目前间接测量方法分类： 全应力解除法：是一种比较经济而适用的方法，它
能够比较准确地测定岩体中的三维原始应力状态。
局部应力解除法、松弛应变测量法：只能用于粗略
的估算岩体中的应力状态或者岩体中的应力变化情
况，而不能用于准确测定原岩应力值。
（一）测试基本原理
1 、基本假定：围岩是 线性、均匀、各向同 性弹性体；岩体加载、 卸载过程中具有同样 应力 - 应变关系；解除 孔径不小于 3 倍测孔直 径，可近似处理为厚 壁圆筒问题；
2、原理示意图
（二）测量步骤
1 、从地下巷道、隧道、峒室或其它开挖体的表 面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的 部位。大孔要求： ①直径为小孔直径的 3 ～ 5 倍以上，一般为 130 ～ 150mm； ②孔深为巷道、隧道或已开挖峒室跨度的3～5倍， 以保证伸到未受开挖影响的原岩应力区；
（2）孔底应变法
莫尔于 1956 年首次报告了孔底应变测量技术。
他是将电阻应变片粘贴在一个磨平的孔底， 然后使用延伸这个钻孔的办法实现应力解除， 再将从孔底取出带有应变片的岩芯拿到实验 室作加载试验，从而发现原先存在于孔底表 面的应力。
（2）孔底应变法 南非科学和工业研究委员会（ CSIR ）研 制的门塞式孔底应变计就是根据这一原理 研制出来的，但测量过程和莫尔有所不同。
② 孔径变形测量应力计算原理 只进行一个钻孔的孔径变形测量时，由应力解除过 程中测得的孔径变形计算垂直于钻孔轴线的平面内 的应力状态如下：
1
E 2 U U U 1 2 3 2 6d 1 2
U1 U 2 U 2 U 3 U 3 U1
6.5.1 全应力解除法(套孔应力解除法)
全应力解除法是使测点岩体完全脱离地应力作用 的方法。 通常采用套钻的方法实现套孔岩芯的完全应力解 除，因而也称套孔应力解除法。
套孔应力解除法是发展时间最长，技术比较成熟
的一种地应力测量方法。
在测定原始应力（绝对应力）的适应性和可靠性 方面，目前还没有那种方法可以和应力解除法相 比。
（3）孔壁应变法
CSIR三轴孔壁应变计的主体是三个等间距 （120°）、端部和孔壁弧度相同、直径为 1.5cm的橡胶类物质制造而成的活塞，活塞 上帖有4个电阻应变片，组成一个相互间隔 45°的圆周应变花，以及其他装置组成。
① 测量步骤 （1）根据孔径变形法的要求打出大孔和小孔； （2）将三个活塞头涂上胶结剂，用专用工具把应变 计送入钻孔中测点部位； （3）打开风压阀，将活塞推出，使其端部和钻孔壁 保持紧密接触，直到胶结剂固化为止； （4）用薄壁钻头延伸大孔，进行应力解除，在应力 解除前后各测得应变数据； （5）根据12个应变片的读数变化值，应用相关公式 来计算应力值。