地应力测试方法选编.docx

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，???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 分类序号名称基于岩心的方法1非弹性应变恢复法2差应变曲线分析法3差波速分析法4饼状岩心/岩心诱发裂纹法5声发射法6圆周波速各向异性分析法7岩心二次应力解除法8微裂隙研相分析法9轴向点载荷分析法基于钻孔的方法10微型水压致裂法11套筒压裂法12原生裂隙水压致裂发13套芯解除14钻孔崩落15孔壁诱发张裂缝16钻孔变形17钻孔渗漏实验地质学方法18地倾斜调查19断层滑动反演20新构造运动节理测绘21火山口排列调查地球物理方法22震源机制解23地球物理测井基于地下空间的方法24扁千斤顶25表面解除法26反分析法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。岩芯从井孔取出后，由于作用在岩芯上的原地应力场突然消失，岩芯会沿周向产生差别松弛变形，变形包括岩芯从母岩解除下来后立即产生的弹性变形和随岩芯放置时间延长逐步产生的非弹性变形。非弹性应变恢复过程原理如图1-1 所示。这些变形都与原来加载在岩芯上的原地应力场密切相关，因而可以通过测量这些变形量来分析原地应力场。 目前可以通过两种方法测试岩芯的非弹性应变量，一种是高精度卡夹，一种是应变片。该方法主要适用于深孔和软岩的岩芯应力测量，当岩芯从深孔中取出后，由于原来经受的应力很高，非弹性应变恢复现象会非常明显，对于浅孔和硬岩，由于非弹性应变量较小，使得测试结果的可靠性降低。 图1-1 非弹性应变恢复法原理示意图 1.2 差应变曲线分析法 差应变曲线分析法(DSCA) 是在实验室内对定向岩样施加围压，观测比较岩样不同方向上的相对应变，进而估算原地应力方向和量值。DSCA 法基于四个重要假设:①岩样内部的微裂隙是由于岩芯围压消失而产生松弛变形所导致的;②微裂隙基本按照原始应力场的方向排列;③任何方向上微裂隙所产生的体积变化与原地应力场量值成正比;④ 在静水围压作用下，任一特定方向上的岩样体积收缩与该方向上的岩芯从母岩上解除下来的应力松弛变形过程是可类比的。在均匀的围压作用下，岩芯不同方向产生的应变是完全不同的，如微裂隙闭合，而这种应变信息可以用来分析原地应力场，测试原理如图1-2(a)所示。 图1-2 DSCA法测试原理及岩样差应变曲线示意图 (a) DSCA 法测试原理;(b)岩样差应变曲线示意 图1-2(b)是岩样在均匀静水围压作用下的应变响应曲线。当施加的围压应力较低时，由于岩样内部存在的张开微裂隙或者半张开微裂隙，岩样表现出高度柔性。随着围压逐步增加，微裂隙开始全部闭合(转换区)，过了转换区后，仅有岩样本体的弹性变形。实际