地应力及其分布规律
旗山煤矿深部地应力测量及地应力场分布规律
旗山煤矿深部地应力测量及地应力场分布规律王波;高延法;朱伟【摘要】With the increasing of coal mining depth and intensity,the geostress plays more important roles in the displacement and damage of surrounding rock. It is very important to take geostress measurements and ana-lyze the distribution characteristics of the geostress fields in coal mining area. The geostress measurements have been conducted within the depths of - 1000 and - 850 m in Qishan Coal Mine by using stress relief method. The analysis of the measurement data indicates that: The geostress field in Qishan Coal Mine, in which the tectonic stress takes absolute predominance, is dominated by horizontal stress and belongs to typical tectonic stress field;The magnitudes of the geostress are super high stress level. The orientations of the maxi-mum horizontal principal stresses mainly concentrate on NW - SE121° ~ 140°,the average is 130 . Finally, combined with the tectonic movement to further explore the relationship between mining deep geostress field and geological structure.%随着矿井开采深度的增加，地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出，在煤矿矿区进行地应力测量，并分析地应力场分布规律具有重要意义。
石油工程岩石力学-地应力
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节 地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）； 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：
v = gz （密度×重力加速度×深度） 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得； 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
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
1
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
2
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
地应力分布规律
地应力分布规律咱们先从大的方面说呀，地应力在地球内部可不是乱分布的哦。
在浅部地层，地应力往往受到地形地貌的影响可大了。
比如说，在高山地区，就像咱们的喜马拉雅山附近，那地应力因为有高山的重量压着，就会比平原地区大好多呢。
就好像你在一个大胖子底下，肯定感觉压力更大呀。
而且呀，高山地区的地应力方向也很有特点，它会向着山体外侧有一个比较明显的分力，这就像山体要努力撑开一样，不过当然它不会真的就那么容易撑开啦。
再说说在地下深处的情况吧。
在很深的地方，地应力就和地球的构造运动有很大关系了。
地球板块之间的挤压、拉伸啥的，就会让地应力呈现出很复杂的分布。
你可以想象地球板块就像一群调皮的孩子在互相挤来挤去、拉来拉去。
在板块挤压的地方，地应力是朝着挤压的方向聚集的，这里的岩石就像被紧紧捏着的橡皮泥，压力超级大。
而在板块拉伸的地方呢，地应力又有了不同的情况，岩石好像被拉着要变长一样，这里的地应力就比较特殊啦。
还有哦，不同的岩石性质对地应力分布也有很大影响。
如果是坚硬的花岗岩地区，地应力可能就比较集中而且比较大。
因为花岗岩很坚固呀，就像一个倔强的小老头，不容易被压缩变形，所以地应力在它身上就会显得很明显。
而要是在比较松软的砂岩或者页岩地区呢，地应力就会相对分散一些，就像力量都被这些软软的岩石给“化解”了一部分似的。
另外呀，地应力在水平方向和垂直方向上也不一样。
一般来说，垂直方向的地应力和上面岩石的重量有很大关系，就像你叠罗汉，下面的人承受的重量就是上面所有人的重量之和。
而水平方向的地应力呢，就和周围的环境、构造等多种因素有关啦。
有时候水平方向的地应力还会比垂直方向的大呢，这是不是很神奇呀？总之呢，地应力分布规律是个很复杂又好玩的事儿，它就像地球内部的一个小秘密，等着咱们慢慢去揭开它的面纱呢。
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。
4章 地应力计算
4.5 地应力计算模式
1.以单轴应变为基础的最大和最小地应力 金尼克公式
σH =σh =
µ
1− µ
σv
马特威耳-凯利 等人计算式
µ (σ v − Pp ) σ H − Pp = σ h − Pp = 1− µ
2.考虑有效应力系数的最大和最小地应力
µ (σ v −αPp ) + σt σ H − αPp = σ h − αPp = 1− µ
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点 一、地壳浅部地应力分布的主要规律
1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场， 1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是 地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 时间和空间的函数。 时间和空间的函数。 2.垂直应力随深度的变化规律 2.垂直应力随深度的变化规律
垂直应力 随深度线 性增加。 平均密度 约为 27KN/m3
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点
3.水平应力普遍大于垂直应力 3.水平应力普遍大于垂直应力 4.平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小 平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小， 4.平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小， 且趋近于1 且趋近于1
4.2 原地应力应力状态及应力张量 一、原地应力的基本构成
上覆岩层压力
σ v = ∫ ρb g (h)dh
0
H
构造应力
σ x = ωx ×σ v σ y = ωy ×σ v
温度产生的附加应力
σ
2 x、 v
1+ µ = 2G ⋅ α ⋅ (T − T0 ) 1 − 2µ
4.2 原地应力应力状态及应力张量 二、地下岩石某点的应力状态和应力张量的分解
4.3地应力测量技术 4.3地应力测量技术
地应力形成及分布规律1
不同地质成因岩石的地应力分布规律，及其与成因关系，还需进一步研究。
因此，通过收集我国的大量实测资料，利用统计方法研究不同岩性的地应力分布规律，可深化对地应力成因和影响因素的认识，对我国地质、水电和能源等行业的发展具有重要意义。
1、地应力成因及其分类1.1地应力的成因近儿十年来大量的实测资料表明，地应力是一个随着时空变化的具有相对稳定性的非均匀应力场，地球本身的各种运动过程是使地壳产生各种应力场的主要因素。
一个地应力的来源,可以概括为：山岩体自重引起的地应力;构造（板块）运动引起的地应力;地形地势引起的地应力;剥蚀引起的地应力;封闭应力，上述来源，经过回归后的成因分析,我们认为在工程地区岩体自重和构造运动是构成岩体地应力场的主要因素，山于二者的影响效应所起作用不同,这就决定了地应力场总的分布规律各异，地形（地势）可以引起山谷底部应力集中，造成水平应力大于垂直应力，并会改变最大主应力方向，但在整个地应力场中只起局部调整作用，即只影响局部地应力场的分布，而决不会影响整个地应力场的分布规律，剥蚀作用可以使垂直应力相应降低,水平应力保持不变;封闭应力可以产生“岩饼”、“岩爆”等现象，但这对整个地应力场来说都还是局部性的，不是形成地应力场的主要因素。
总之，地应力是指地层中存在的应力，即指未受工程干扰的天然应力，但从广义上讲，也包括由于工程施工破坏岩土平衡而产生的附加应力。
1.2地应力的分类由于研究的方法和訂的有所侧重，对地应力的分类有很多种。
根据形成因素和调整因素，地应力场可以分为：以岩体自重为主导的地应力场；以构造运动为主导的地应力场;调整因素形成的局部地应力场。
本文将地应力的分为重力应力和构造应力。
重力应力场:重力应力是最基本的，最简化的应力场。
它假定远古时期地面是无起伏的平地。
地应力场的应力符合：竖直应力；，，，ghv,,,gh,水平应力；（其中为泊松比），h,l,可以看出：垂直应力大于水平应力，在应力场中占优势;且垂直应力随深度增加而线性增加。
岩石力学课件第三章 地应力测量.ppt
11
岩石力学
二、地应力认识的历史
哈斯特地应力实测
20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维 亚半岛开展了地应力测量工作。
哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主 应力一般为垂直应力的1～2倍，其至更多； 在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa， 从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和 以垂直应力为主的观点。
12
岩石力学
三、地应力的成因
(1)、大陆板块边界受压引起的应力场
13
岩石力学
三、地应力的成因
(2)、地成因
地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）
15
岩石力学
三、地应力的成因
(3)、由地心引力引起的应力场 (4)、地温梯度引起的应力场
16
岩石力学
三、地应力的成因
1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静
水压力假设，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γH乘以
一个修正系数λ（侧压力系数）。他根据
弹性力学理论，认为：
1
v
H , h
H
1
H
9
岩石力学
二、地应力认识的历史
朗金假设
朗金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) 应为
γH乘以一个修正系数λ（侧压力系数）。
他根据松散介质理论，认为：
tg 2 ( )
42
v
H , h
H
tg2 (
4
)
2
H
10
岩石力学
二、地应力认识的历史
地质学家李四光
本世纪20年代，我国地质学家李四光指出， “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” 。
简述地壳浅部地应力分布的基本规律。
简述地壳浅部地应力分布的基本规律。
地壳浅部地应力分布是衡量地质构造特征及变形活动状况的重要参数。
基本
规律是，垂直于大地测量线方向、自上层向下层逐渐减小，垂直于大地测量线方向
的水平应力沿垂直方向轴转弯，沿大地测量线方向呈放射状，水平应力在陆地上最
大、在海洋深层最小；在同一应力场中，地壳内部应力在垂直于大地测量方向的水
平方向，由地壳内层向地壳外层轴向加大；在综合应力场中，考虑到空间变异性，
地壳内地应力存在横向对称性，受活动断罵直接影响地应力最大，其次在环状大陆、
大断裂带及陆块边缘。
除了以上主要规律，地壳浅部地应力的特殊特征，是由地表
断层发生的构造、伸展、挤压及抬升等运动形成的，也是构成地质构造复杂性的根
本原因。
因此，地壳浅部地应力的定量分析和理论研究对深入了解地质构造及地球运动
变形的机理，及早预测、避免、阻止地质灾害，具有重要的现实意义。
故根据地壳
浅部地应力分布规律，不断深入研究了解地质构造及地震活动状况，分析各种综合
地质状况及地应力场，以期更好地把握大地构造特点，有助于更好地保护人民生命
安全，促进自然资源开发利用及科学研究。
天然地应力场分布规律及原位测量
～
２ 岩体 中初 始 应 力场 的分布 规律
发生 。（ ） 了确保钻探 工作 的安全 进行 ， ４为 施工 管 理人 员要 道 、 淀 地 区 进 行 清 理 工 作 。 （ ） 水 泵 的 排 水 效 果 不 足 沉 ３当 对 施 工 设 计 和 施 工 安 全 技 术 进 行 详 细 的 记 录 ， 工 人 员 要 时 ， 急 人 员 要 马 上 打 开 水 仓 ， 证 排 水 工 作 的 顺 利 进 行 。 施 应 保
地应力场 通 常受 到 地 质构 造 、 貌 、 形 、 地 地 岩性 等 因素
１ ５ 这 说 明 在 浅 部 地 层 中 ， 应 力 的 垂 直 分 量 普 遍 小 于 ．， 地
垂 的影 响 ， 分布规 律十分 复杂 。但 通过 大 量 的地 质调查 、 其 测 平 均 水 平 应 力 ， 直 应 力 一 般 为 最 小 主 应 力 。 ． 量 以及理论分 析 ， 目前 对 于 浅 部 地 应 力 场 分 布 的 基 本 规 律 ２ ３ 侧 压 比在 垂 深 方 向上 的 变 化 通 常 情 况 下 ， 着 深 度 的 增 加 ， 压 比 不 断 减 小 。 不 随 侧 已经 有 了初 步 的 认 识 。
地应力 场变化并 不 明显 ， 其主导 方 向为北 西到 近 荷 。 地 质 构 造 运 动 和 上 覆 岩 体 重 量 是 影 响 地 应 力 大 小 的 最 华北地 区 ， 于东 西 的 主 压 应 力 。 主要 因素 。
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。
地应力及其分布规律
地应力及其分布规律————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念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。
广义上也指地球体内的应力。
它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
地应力是各种岩石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，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
此外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具有重要意义。
２、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。
当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。
由于亿万年来,地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外,地应力场还受到其他多种因素的影响,造成地应力状态的复杂性和多变性,地应力成因之一:地幔热对流（图1、图２）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一:岩浆浸入(图4)3、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。
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：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2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响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。
5-地应力
第五章地应力Chapter 5 Geostress学习提示学习对象→岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。
学习内容→垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除法、恢复法、水压致裂法。
学习目的→理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复法、水压致裂裂法。
掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说等。
5.1.1 概念☐天然应力把赋存于原岩中的、由各种地质作用、构造运动、岩体自重、水、温度、地震等引起的应力场称为岩体中的天然应力或原岩应力或初始应力（Initial Stress ）或地应力（Geostress ）当人类岩体表面或岩体内进行工程活动时，如开挖、填方、上部建筑物的修建等，必然对原岩中一定范围内的天然应力产生扰动，这种因人类活动而改变的应力称为重分布应力或二次应力或次生应力。
☐二次应力☐原岩一般来说，把未经人类活动扰动与影响且仍处于自然平衡状态的岩体成为原岩。
无论地应力或是二次应力，它们在岩体空间中有规律的分布形态称为应力场。
5.1.1 概念自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。
它是由岩体自重引起的。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。
或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。
5.1.1 概念 （天然）应力的表示{}{}3213210ααασσσσ={}{}xz yz xy z y x τττσσσσ=05.1.2 天然应力的形成因素影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。
中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究
1、工程扰动现象和基本特点
1、工程扰动现象和基本特点
工程扰动是指在工程建设过程中，由于施工等因素对地质环境造成的干扰和 破坏。其基本特点包括人为性、局部性和可逆性等。人为性是指工程扰动是由人 为因素引起的；局部性是指工程扰动对地质环境的影响主要局限于施工区域附近； 可逆性是指工程扰动在一定时间内是可恢复的。
谢谢观看
目前，针对工程扰动特征的研究已经取得了一定的进展。然而，仍然存在一 些不足之处。首先，工程扰动特征的数值模拟方法需要进一步发展和完善，以便 更好地模拟实际施工情况。其次，对于工程扰动对环境和建筑物的影响评估方面 也存在一定的困难，需要更加准确和实用的方法。
4、探究工程扰动特征的研究方 法和途径
4、探究工程扰动特征的研究方法和途径
规律总结
3、与地震活动的关系：实测地应力数据还表明，地震活动区的地应力场表现 出更为复杂的特征，地应力值较高且变化频繁。同时，地震活动与地应力分布之 间存在一定关系，高地应力值区域更易发生地震活动。
参考内容
引言
引言
地壳地应力场是地球动力学研究的重要领域之一，对于地质工程、地震工程 和资源工程等领域具有重要意义。特别是在中国大陆地区，由于其特殊的地理环 境和地质构造，地应力场的分布规律和工程扰动特征更加复杂和多样化。因此， 研究中国大陆浅层地壳地应力场分布规律及工程扰动特征具有十分重要的现实意 义。
2、地应力场对工程建筑和环境 的影响
2、地应力场对工程建筑和环境的影响
地应力场对工程建筑和环境具有重要影响。对于工程建筑，地应力场分布规 律直接关系到建筑物的地基稳定性、抗震性能等。不合理的地应力分布可能导致 建筑物出现裂缝、倾斜甚至倒塌等现象。此外，地应力场对环境的影响也十分显 著，如地形地貌的形成、地下水资源的分布等。
第六章-地应力
岩石力学
第四章:岩体地应力及其测量方法
Rock mass stress and its measurement
2021/2/21
1
4.1 概 述
岩体介质有别于其他任 何介质的主要特征在 于,岩体内部应力和自 重及地质构造运动有 着密不可分的联系。 受其影响导致岩体内 部初始应力场分布相 当复杂。
在工程荷载作用下,岩体 内部应力重新分布导 致工程产生变形和破 坏，所以了解初始应 力场在岩体内分布情 况就显得非常重 要。
2021/2/21 （a）直角形;
（b）阶梯型;
（c）窝状形；
33
4.3 高应力区特征
4.3.2 岩爆及其防治措施
岩爆产生的条件: ➢ 地下工程开挖,硐室空间的形成为岩爆产生的几何条件; ➢ 围岩应力重分布和集中导致大量弹性变形能产生、积累。 ➢ 岩体承受极限应力产生初始破裂后剩余弹性变形能的集中
②高地应力现象 ➢ 岩芯饼化现象:是一种岩体力学现象,高地应力区所特有的钻进过程中
岩芯裂成饼状的现象。中等强度以下岩体在高应力作用下会产生饼化 现象,钻孔会产生缩径。 ➢ 岩爆:坚硬完整岩体在强地应力作用下产生的能量突然以岩块崩塌的形 式释放的事件。 ➢ 洞壁剥离：中等强度的岩体中开挖隧道，洞壁出现层层脱离的现象。 ➢ 基坑底部隆起：岩体开挖卸荷，出露岩石短期回弹。 ➢ 原位参数增高：岩体中高应力的存在，使得岩体波速、弹性模量增高。
第六章-地应力
洞壁片状剥落等现象。它是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能 量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。
岩爆：围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及
4.3 高应力区特征
4.3.2 岩爆及其防治措施
岩爆产生的条件：
地下工程开挖，洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件； 围岩应力重分布和集中导致围岩积累大量弹性变形能，这是诱发岩爆 的动力条件； 岩体承受极限应力产生初始破裂后的剩余弹性变形能的集中释放量决 定岩爆的弹射程度； 岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性 变形能的积累和释放时间长短。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
板块运动的驱动力
地幔对流
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
4.1 概 述
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
地应力分布理论
海姆（A.Heim)静水应力假设（1878，瑞士）：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
岩爆及其防治措施
岩爆的防治：
围岩加固：对已开挖硐室周边进行加固或在掌子面前方实 行超前加固。
改善应力条件：选择合理路线；设计合理断面；进行合理
施工；应力解除。 改善围岩性质：通过注水改善煤岩动力性质。 施工安全：岩爆发生时间多在爆破施工后1h内比较激烈。
4.3 高应力区特征
4.3.2
岩爆及其防治措施
岩爆发生的判据：
我国工程岩体采取以下的判据：
当 Rc / max 时，无岩爆； 7
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地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念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。
广义上也指地球体内的应力。
它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
地应力是各种岩石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，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
此外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具有重要意义。
2、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。
当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。
由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一：岩浆浸入（图4）3、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。
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：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2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响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。
3)构造运动对地应力的影响在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。
研究表明：岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量则主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。
4)岩体的物理力学性质的影响从能量的角度看，地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。
因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。
地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。
5)水、温度对地应力的影响地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。
温度对地应力的影响主要体现在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。
由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加，如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。
4、地应力的分布规律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三个主应力的大小和方向是随着空间和时间变化的，因而它是个非均匀的应力场。
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，变化不大。
如我国华北地区，北西到近于东西的主压应力。
在某些地震活跃的地区，地应力大小和方向是随时间的变化也是非常明显的，在地震前，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而地震时，集中的应力得到释放，应力值突然大幅度下降。
主应力方向在地震发生时会发生明显改变，震后一段时间又恢复到震前状态。
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。
部分地区垂直应力与埋深的关系（图5）3) 水平应力普遍大于垂直应力实测资料表明，几乎所有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度，最大水平主应力普遍垂直应力，两者之比一般为0.5~5.5，在很大情况下都大于2。
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，垂直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。
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 。
v rHσ=部分地区水平应力系数与埋深的关系（图6）5) 最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系6) 最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性7) 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最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面平行（图7）10015000.30.5K H H+≤≤+本预览：第六章巷道矿压显现规律第一节巷道围岩应力及变形规律一、受采动影响巷道的围岩应力（一）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图6-1所示。
如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质。
巷道围岩应力分布如图6-2所示。
图6-1 圆形巷道围岩弹性变形应力分布图6-2 圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布p—原始应力；σt—切向应力；σr—径向应力；pI—支护阻力；r—巷道半径；R—塑性区半径；A—破裂区；B—塑性区；C—弹性区；D—原始应力区在各向等压条件下，圆形巷道塑性区半径R和周边位移u的计算式为：P C ctg1sin R r0P C ctg iu1sin1sin2sin（6-1）1sin2sini （6-2）式中P─原岩应力；PI ─支护阻力；r0 ──圆形巷道半径；Φ─围岩的内摩擦角；C─围岩的粘聚力；G─剪切弹性模数。
①巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的增大，呈指教函数关系迅速增长；指数的大小取决于φ的变化，φ值越小，指数越大，u值增长愈迅速。
②巷道的塑性区半径R和周边位移u随内摩擦角φ和粘聚力C的减小，即围岩强度降低，显著增大。
（二）回采工作面周围支承压力分布采空区四周形成支承压力带（图6-3）。
工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支承压力或临时支承压力。
工作面沿倾斜和仰斜方向及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定性支承压力或残余支承压力。
回采工作面推过一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支承。
因此，在距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，称为采空区支承压力。
r0sin P C ctg1sin1sin2G P C ctg2sin本预览：图6-3 采空区应力重新分布概貌1—工作面前方超前支承压力；2、3—工作面倾斜、图6-4 煤层凸出角处叠加支承压力仰斜方向残余支承压力；4—工作面后方采空区支承压力支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。
应力增高系数K是支承压力峰值与原岩垂直应力的比值；支承压力分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度0，塑性区宽度（支承压力峰值距离）x0，支承压力的影响距离x1。
目前，上述参数主要由现场实测取得。
工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相当2～3.5倍回采高度。
影响范围为40～60m，少数可达60～80m，应力增高系数为2.5～3。
工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15～30m，少数可达35～40 m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。
采空区支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。
相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。
上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5～7，有时甚至更高(图6-4)。
（三）采动引起的底板岩层应力分布图6-5a为一侧采空煤体，作用于煤体上的支承压力近似三角形分布，应力增高系数为3。
图6-5 b、图6-5 c均为两侧采空煤柱，煤柱宽度分别为B和2B，B一般等于工作面超前支承压力影响范围。
作用于煤柱上的支承压力分别呈钟形和马鞍形分布，应力增高系数分别为5和3.5。
xa b c图6-5 三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布a—一侧采空煤体；b—两侧采空煤柱（宽度为B），呈均布载荷；c—两侧采空煤柱（宽度为2B），呈马鞍形载荷。
①一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱，作用于煤层上的支承压力的影响深度约为1.5～2B；两侧采空、宽度较小的煤柱，作用于煤柱上的支承压力的影响深度约为3～4B。
②两侧采空、宽度较小的煤柱，底板岩层内同一水平面上σZ以煤柱中心线处最大。
一侧采空煤体，底板岩层内同一水平面上σZ最大值在煤体下方，距采空区边缘数米处。
两侧已采、宽度较大的煤柱下，底板岩层内同一水平面上σZ以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。
③无论在何种形式煤层载荷作用下，底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角为影响角ψ，ψ一般为300～400。
二、构造应力对巷道稳定性的影响构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。
构造应力包括地质构造发生过程中，在地下岩体内所产生的应力；以及已结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力。
程角度看，古构造应力、新构造应力和在岩石生成过程中形成的结构内应力都属于构造应力。