地应力测量若干方面之浅析

地应力测量若干方面之浅析
摘要：本文首先概述了目前地应力测量的几种主要方法，然后介绍了水压致裂三维地应力测量的几个问题分析，仅供参考交流。

关键词：地应力;方法;水压致裂法;三维地应力测量
abstract: this paper summarizes the current stress measuring several main methods, and then introduced the water pressure to cause crack the three dimensional geo-stress measurements made several problem analysis, for reference only communication.
keywords: ground stress; methods; water pressure to cause crack method; three-dimensional geo-stress measurements 中图分类号：o741+.2文献标识码：a 文章编号：
一、引言
地应力是引起采矿及其他各种地下工程变形和破坏的根本作用力，其大小和方向对巷道围岩稳定影响很大，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以及实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。

随着矿井开采深度不断增加，地应力的作用表现得越来越明显。

深部高地应力巷道的维护、冲击地压等灾害现象都与地应力有着密切的关系。

弄清开采范围内地应力的大小和方向，据此进行合理的巷道布置，不仅可以显著改善巷道维护状况，避免灾害发生，而且可节约大量支护和维修费用，显著提高矿井的
经济效益。

地应力测试理论与技术一直是岩石力学与工程学科的重要研究内容，目前地应力测量方法有很多种，选择合理有效的地应力测量方法对地应力场的测量也是至关重要的。

二、目前地应力测量的主要方法概述
1、应力解除法
应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。

应力解除法测量地应力的方法有：孔底应变计、孔径应变计、孔壁应变计、空心包体应力计等方法，其中孔底应变计、孔径应变计只能测出二维应力，若用它测三维应力，则需要打交于一点互不平行的三个钻孔。

采用孔壁应变计和特殊制作的空心包体式孔壁的应力计只需要打1个钻孔就可测出三维应力。

2、应力恢复法
应力恢复法测定地应力的基本原理是：在选定的测试点安装测量元件，然后在岩体中开挖一个扁槽埋设液压枕或千斤顶，对其加压，使测量元件的读数恢复到掏槽前的值，则液压钢枕或千斤顶的压力读数便是该方向的岩体应力。

其优点是可以不考虑岩体的应力——应变关系而直接得出岩体的应力，但有其局限性。

3、声发射kaisr 效应测量地应力
利用岩石声发射的kaiser 效应法实测现代地应力场，具有速度快、成本低、限制少等优点，便于大量测试，以寻求区域性地应力变化规律，是一种很有前途的测量地应力方法。

但是kaiser 效应测量地应力还存在许多的问题尚待进行深入的研究，其中与生产实
际联系最为密切的最关键问题是地应力的方向如何确定。

以往人们使用kaiser 效应测量原岩应力需要180°的范围内进行全方位测试。

因此试样数量多，测试工作量大，费用高；同时，由于多周期构造运动的作用，使岩体的构造发生了变化，也使区域内的构造应力或原岩应力的大小、方向发生了量和质的变化。

现在，国内外都在试图将声发射技术推向新的实用化阶段。

主要表现为，通过实地的定向取芯技术，在室内测定三维应力，即三个主应力的大小及其方向，并进一步提高主应力数值的测定精度。

4、水压致裂法测量地应力
水压致裂法是广泛应用的一种最有效的原地应力测量方法。

水压致裂法是利用两个相隔数米的可膨胀的橡胶封隔器放在已知深度，封隔一段井眼，然后通过泵入流体对该段井眼增压，同时记录流体压力随时间变化的关系曲线。

这种方法的理论基础是假定岩体是线弹性的，各向同性的，非渗透性的，岩体的一个主应力方向与井眼轴平行。

由此可对记录曲线进行分析计算，得到与井眼轴相垂直的平面内的两个主应力值的大小，并可通过裂缝的方位求出这两个主应力的方位。

当井眼为垂直井眼时，沿井眼轴方向的主应力值按照上覆岩层的重量计算。

这种方法可以直接测量地应力，且测量的结果为一较大范围的应力平均值，它可以在数千米的井中测量，并取得与声发射法的对比资料。

水压致裂法与其它方法相比，存在一个较大的缺陷，就是主应力方向确定不十分准确。

但该方法最大优点是：在无需知道岩体的力学参数下，就可获得地层中现今地应
力的多种参量，并具有设备简单、操作方便，可在任意深度进行连续或重复测试，测量速度快、测值直观、测值代表性大等优点。

因此这一方法越来越受到重视和推广，是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。

三、水压致裂三维地应力测量的几个问题
水压致裂法在地质工程中应用广泛，传统的水压致裂法理论是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的，但只能测量地质条件简单的情况下的二维地应力。

为解决传统水压致裂法的不足，出现了三维地应力测量理论，采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量，对地质条件比较复杂的地区可以用该方法进行测量，但是还需要进一步的改进。

1、水压破裂准则与破裂形态
单个垂直钻孔水压致裂法地应力测量的基本公式是以井孔周围岩壁在液压作用下最小切向应力达到围岩抗拉强度作为孔壁破裂的判据准则而建立的。

由于假定钻孔轴向就是地应力场中一个主应力方向，即假定了井孔周围岩壁上不存在剪应力。

此时封隔段依据弹性力学理论被简化为一个双向应力作用下带圆孔的无限大的平板问题。

在钻孔垂直条件下假定垂直应力平行于钻孔轴向进行水压致裂法的测量数据是有一定可信度的。

对于三维水压致裂地应力测量来说，3个孔之中除垂直孔外，另外2个钻孔（水平或倾斜）的方位（向）与主应力之一的方位（向）很难一致，即岩壁存在剪应力，那么上述简化只适用于特殊情况。

破裂受围岩内的应力状态，
在近水平（或倾斜）钻孔中测量时不能忽略剪应力。

因此钻孔水平或倾斜下进行水压致裂测量套用传统的水压致裂地应力测量公式来确定钻孔横截面上大、小主应力是不准确的，同时直接将破裂方向作为钻孔横截面上最大主应力的方向也是不正确的。

一些用最小主应力准则的方法，基本上还没有脱离最大张应力破裂准则的范畴。

无论钻孔倾角大小与孔轴是否与主应力方向平行，当孔壁无原生裂缝时，在水压作用下孔壁会产生与孔轴平行的裂缝，在某些状态下也会有倾斜的水压破裂缝。

2、单孔或多孔原生裂隙段的重张试验测量法
采用钻孔原生裂隙段的重张试验测定岩体二维地应力，测量钻孔数量以及钻孔的方向不受限制。

水压致裂法测量地应力，在原生裂隙段采用重张试验的钻孔测量，根据裂隙重新张开时裂隙面法向应力与瞬时关闭压力相平衡的原理，可获得裂隙以上法向应力值。

这种方法适用于单井和多井钻孔情况，而对钻孔的方向不做要求。

如果在同一个钻孔中，不同产状的6个原生裂隙段的间隔过大，每个测试段的重张试验结果就会受到深度变化的影响，产生测量误差，此时可以采用多孔原生裂隙段重张试验或进行重张试验与完整岩体段常规的压裂试验相结合的方法测定。

3、测量精度问题
传统水压致裂法测量中由于最小水平主应力和垂直应力，其方程由于不涉及岩体物理性质，测量误差相对较小（<10％）；最大水平主应力由包括重张压力（取值精度较低）、抗张强度在内的更加
复杂的关系求得，因此其精度稍低，其误差为≤25％。

由破裂方向得到的水平应力方向误差在10％以内，因此采用3孔交汇水压致裂应力测量法无法精确获得三维应力资料。

多数提出关于用三维水压致裂法确定主应力方法本身缺乏严密的理论依据，那么用这些测量数据推导计算得到的地应力大小和方向其精度就更相对比校低。

这些方法虽然有助于适当提高测量结果的计算精度，但也有待足够的测量数据来验证。

四、结束语
总之，岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场，它的大小和分布规律受岩体自重、地质构造运动、地形地貌及剥蚀作用等多种因素的影响，选择合理有效的地应力测量方法对地应力场的测量至关重要。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。