渤海海峡跨海通道工程区海域三维地应力测试

跨渤海通道海域缺乏实测地应力基础数据,而海域钻探原位实测又承担着巨大风险与重重困难,为取得工程区现今地应力场特征第一手资料,利用以水压致裂地应力测量为主,以空心包体、非弹性应变恢复、差应变、声波各向异性法为辅的综合地应力测量技术,对研究区海域开展三维地应力测试与研究,建立了线性回归方程,得到了回归拟合曲线。结果表明,渤海海峡最大水平主应力σH、最小水平主应力σh与垂直主应力σv均随测试深度的增加呈线性增大规律;海峡南部地应力状态存在σH>σh>σv的关系,处于逆冲应力状态,应力场方向为NE,最大水平主应力大于垂直主应力,区域内构造力处于主导地位;海峡北部应力状态为σH>σv>σh,有利于走滑断层活动,应力场方向为NE,区域内构造力处于主导地位;整个工程区内地应力各分量值之间相差不大,远远小于区内断层活动应力值的下限,表明研究区目前处于稳定状态。研究结果符合一般地应力测量规律,测试流程符合地应力测试要求,测试数据可用于分析区域地应力状态。

基于物理约束的分布式神经网络三维地应力预测模型

地应力是油气藏全生命周期中井壁稳定分析、水力压裂设计、地层出砂预防、套损预测防治和油气开采措施制定的重要基础参数.针对缺乏三维地震资料情况下的三维地应力场预测问题,以工区已钻井地应力测井解释结果为基础,建立了一种基于物理约束的分布式神经网络三维地应力预测模型.首先,采用测井解释方法获得工区已钻井地应力单井剖面,并通过Kriging插值构建三维地质模型;其次,将测井数据和三维地质模型的三维空间坐标喂入3个并行的全连接神经网络,引入地应力物理约束条件,提出了数据和物理双约束的条件,进而通过三维空间坐标实现三维地应力场的预测;再次,优选了数据和物理双约束的权重参数,与人工神经网络、支持向量回归、随机森林等三种机器学习模型以及克里金插值模型进行了对比;最后,评价了不同机器学习模型预测地应力的效果.研究结果表明:(1)研究区域的地应力满足潜在正断层应力状态,即垂向地应力>最大水平地应力>最小水平地应力;(2)数据和物理双约束权重参数取值对预测结果有显著影响,当权重参数λ=0.2时,三维地应力预测效果最优;(3)与人工神经网络、支持向量回归、随机森林、克里金插值等模型相比,本文模型预测得到的地层三维地应力和孔隙压力更准确,在工区内测试集预测得到的垂向地应力、最大水平地应力、最小水平地应力和地层孔隙压力的最大相对误差分别为0.63%、7.59%、7.16%、3.21%,而且,本文模型能够更加准确捕捉地应力梯度的三维变化特征,水平井段地应力和地层孔隙压力参数的正态分布特征明显.结论认为,物理约束的分布式神经网络模型能有效融合地形构造与地应力之间的联系,提高三维地应力预测的准确性和可解释性,为油田三维地应力场的预测提供了一种新的思路.

三维地应力场回归分析在浙江省庆元抽水蓄能电站中的应用

浙江省庆元抽水蓄能电站工程区属于中低山地貌,输水发电系统最大埋深365.2m,为了解工程区地下岩体内的应力环境,在地下厂房区及引水隧洞等关键部位布置钻孔,同时采用水压致裂法进行地应力测试,以获取测点附近地应力量值和应力方向等关键数据;但原位地应力测试仅可表征测试点附近小范围的应力状态,因此还需要获取工程区的三维地应力场。本次采用较为成熟的回归分析方法,即数值模拟方法,利用水压致裂和应力解除法获得重要构造位置的现今应力情况;采用有限元建模进行反演,获得边界载荷的作用形式和量级范围;在此基础上,利用有限元计算程序进行正演,获得场地的现今地应力分布情况,为工程设计提供科学依据。

基于三维地应力测量的岩爆预测问题研究

岩爆预测中常用的动态指标切向应力σθ是与初始地应力场密切联系的。根据开阳磷矿实测三维地应力值和该矿多层岩体赋存的特点,分析了洞室围岩岩性、空间巷道、倾斜层理等因素对σθ的影响。开阳磷三维地应力测试成果表明,埋深浅的砂岩比埋深大的红页岩的垂直地应力值要大近3倍,提出了考虑测点岩性的地应力场区域应用观点和考虑巷道轴向空间性的三维地应力空间分解方法。按上述方法,通过数值模拟研究发现,考虑倾斜层理时发生岩爆的位置主要在右帮底部。这与马路坪矿现场观测的破坏结果较吻合。区域空间分解法的岩爆预测结果比线性拟合回归法更接近实际。

三维地应力场的有限元模拟及其在隧道设计中的应用

现场地应力测量地点与工程所在位置 ,往往有一定距离 ,因而测点处的地应力常常不能代表工程所在位置的地应力状态。特别是在地形起伏及构造复杂的地区尤其如此。为此 ,本文通过三维地应力场的反演模拟 ,由测点处的地应力测量结果推知工程所在地点———青藏铁路羊八井隧道轴线上的地应力状态 ,为隧道的设计提供了地应力依据。

深部三维地应力实测与巷道稳定性研究

原始地应力是地下工程围岩稳定与支护结构设计的一个基本参数。在唐口煤矿井下回风石门、西翼辅助运输石门等不同构造部位的3个测点采用空心包体应力解除法进行了现场地应力的实测工作,测点的埋深达1 024～1 030 m。详细介绍了三维地应力及其主应力的计算原理,并根据矿区实测地应力资料,分析了矿井地应力大小、方向变化和分布特征,进而获得了该矿区地应力的定性及定量资料,初步分析了地应力对巷道稳定性的影响,为巷道的合理支护结构设计提供了可靠依据。

大红山铁矿三维地应力场的测量及分布规律研究

云南大红山铁矿属于国内埋藏较深的大型地下金属矿山之一,矿区位于多种复杂区域构造的结合部位,地质构造非常复杂,具备了发生岩爆灾害的潜在条件。采用瑞典LUT地应力测定系统对该矿区中深部的4个不同中段的6个测点进行了现场地应力测量,并对其变化规律及分布特征进行了分析。测量结果表明：矿区的最大主应力值随着深度基本呈线性增大,最大达到47 MPa,方位角介于北偏东16°-65°之间,平均倾向为北40.84°东;平均倾角约14.35°,最小倾角仅2.89°,说明该矿区水平构造应力明显,这与该区域的地质构造相吻合。

原生裂隙水压法三维地应力测量原理及应用

介绍了单钻孔中利用原生裂隙重张试验确定三维地应力的两种方法，即利用原生裂隙重张试验和原生裂隙重张试验与完整岩石段常规压裂试验相结合的方法。

水压致裂法三维地应力测量成果计算与分析的探讨

在水压致裂法地应力测量基本原理研究的基础上,通过对测量资料进行分析整理,对目前已普遍应用的三维地应力测量方法中岩壁上破裂缝方向和资料整理的计算公式进行了深入研究,并举有实例。

矿井深部三维地应力场测量与特征分析

针对姚桥煤矿-800 m水平深部巷道破坏严重,采用岩石Kaiser效应测量方法,对该矿进行了地应力场测量。通过在定向岩心6个特殊方向取样,经声发射试验得到了各方向的单个应力,经计算得出了原岩主应力的大小及方向等参数。结果表明:-800 m水平最大主应力为19.00 MPa,属中高应力区,存在一定的构造应力。经-650 m水平与-850 m水平测量结果比较,得到了姚桥煤矿以-800 m为界,上部岩层主要受构造应力控制,-800 m以下以自重应力为主。

海下矿区三维地应力测量及分布规律研究

为解决复杂地质结构条件下的海下开采所面临的安全问题,对LUT地应力测试系统进行了一些技术改造,克服了矿区井下地下水氯离子含量极高、腐蚀严重的困难,对矿区地应力分布进行了准确测量与分析,揭示了矿区内海底三维地应力场的分布规律,并结合矿区地质构造特征对断裂带涌水量影响进行了分析。测试结果表明:矿区最大主应力值随深度增加而增大,最大达到34.17 MPa;最大主应力的方向为北北西向,以水平构造应力为主,平均倾角约23.76°,最小倾角仅0.81°,有利于减小断裂带的涌水量。测试结果为新立金矿海下开采工艺设计与安全生产提供了重要的基础数据。

三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用

地壳上层岩体的应力状态是地壳最重要的性质之一,获取岩体应力状态最直接、可靠的手段是原位地应力测量。首先简要回顾地应力测量的研究历程及其发展现状,分析岩石力学与工程中常用的几种地应力测量方法和技术。重点介绍钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)这一新的三维地应力测量方法的原理,以及基于BWSRM的地应力测井机器人研制过程和具体实施步骤。最后给出地应力测井机器人在锦屏水电站埋深达2 430 m处科研试验洞内的试验结果。研究表明,测点位置的围岩地应力以水平主应力为最大主地应力,而接近竖直方向的地应力分量则为最小主地应力;第一和第二主应力量值比较高,而且两者量值也比较接近。

水压致裂法三维地应力测量的实用性研究

采用最小主应力破坏准则 ,建立理论模型 ,是利用水压致裂方法进行三维地应力测量的新的研究思路和方法。本文在此理论研究的基础上 ,侧重于实际测试 ,并详细研究了岩石泊松比以及观测数据的误差对计算结果的影响 。

树25区块有限元三维地应力场分布规律

以岩石力学实验和地应力岩心测量为基础，利用三维地应力场有限元约束优化反演技术，对松辽盆地三肇凹陷树25区块的地应力场进行综合研究，得出该区块地应力分布规律。模拟结果表明，断层可对应力传递产生影响，导致地应力的大小和方向发生较大变化，地应力低值区分布在断层内及其附近区域，地应力高值区分布于断层端部的局部区域，树25区块断层附近应力方向偏离区域方向10°-20°。模拟结果对该区裂缝分布情况、压裂改造方案制定、注水井网布置有重要的指导作用。

一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计

基于岩体初始地应力测量的套钻应力解除方法,在36-2型钻孔变形计的基础上增加8个轴向变形测量装置,优化设计加工成12分量新型钻孔变形计。该变形计具有8个轴向变形测量元件和4个径向变形测量元件。试验室内元件标定的结果表明,每个测量元件的分辨率可达0.0001mm,精度达到2‰;多项室内整体标定试验表明,该变形计应力测量稳定性和可靠性较好,分辨率可达0.028MPa(当E=30GPa时),实测误差小于10%;在利用设计出的专用金刚石钻头钻取的钻孔中,安装该变形计,只需要一次套钻应力解除试验就可以确定测点部位的三维地应力状态。该地应力测试设备和方法解决了传统的利用3个钻孔套钻解除确定三维地应力的弊端,并可进行深孔测试。具有操作方便、精度高、可靠性好的特点。

三维地应力计算模型研究

简要回顾了现有的三维地应力实测方法在实际工程应用中存在的局限性。对钻孔局部壁面应力全解除法进行了系统的研究,从理论上说明了由它确定三维地壳应力张量的可行性。采用线弹性有限元法对钻孔局部壁面应力解除过程做了数值模拟研究,分析了应力解除曲线的变化特征,给出了达到完全应力解除时解除深度和被解除岩芯直径之间的定量关系,还进一步分析了环形解除槽引起的应力集中对其附近局部孔壁应力分布的影响,从而为在钻孔孔壁的局部壁面上如何合理的布置应变计(花)提供了参考依据。最后对本课题的研究前景做了展望。

深圳抽水蓄能电站水压致裂法三维地应力测量和分析

由于水压致裂法地应力测量的突出优点已在国内外得到广泛应用,但以往只能测量钻孔横截面上的二维应力状态。近期兴起的水压致裂法三维地应力测量,已在多个工程中得到应用。深圳抽水蓄能电站采用了3个不同方向钻孔测量法和单钻孔测量法进行了三维地应力测量,得到了很好的测量成果。其中单钻孔三维地应力测量,在近水平向和铅垂向两个钻孔中应用。三维地应力测量成果不仅得到了相应钻孔横截面上和原生裂隙面上二维应力实测值的检验,而且得到了同一位置两种不同三维地应力测量方法的相互印证,和同一个钻孔(铅垂向)中套芯应力解除法三维地应力实测值的印证。两种水压致裂法三维地应力测量成果(单钻孑L测量法包含了非铅垂向和铅垂向钻孔的两种测量法)非常一致,能够代表该测量区的地应力状态。

单钻孔中水压致裂法三维地应力测量的新进展

由于测量深度深和其他突出优点,水压致裂法地应力测量已被国内外广泛应用,但以往只能测量钻孔横截面上的二维地应力状态。长江科学院在国内率先提出在3个不同方向钻孔中和单钻孔中进行三维地应力测量的原理和方法,扩大其应用范围,并已在工程中得到广泛应用。近期,长江科学院又提出新的单钻孔水压致裂法三维地应力测量原理,只需选择2个或2个以上原生裂隙段进行重张试验的测量,或者在完整岩体段常规压裂试验的同时,选择1个或1个以上原生裂隙段进行重张试验的测量,就可确定岩体的三维地应力状态,并且可以应用到深钻孔的测量中,在工程上有广泛的应用前景。对该测量方法资料整理的计算公式严格进行推导,在实例中,三维地应力测量的测量成果,不仅得到水压致裂法钻孔横截面上实测的二维应力状态的检验,还得到同一钻孔对应深度的套芯应力解除法实测的三维地应力状态的印证。

水压致裂三维地应力场确定实例分析

以某水电工程地下厂房区地应力测量的实例，介绍３孔交汇水压致裂法三维地应力测量方法及测试结果，并联系地形地貌及区域构造条件分析测试结果的特征，也从应力场角度对地下厂房轴线的选择作出评价。

套筒致裂单孔三维地应力测试法的原理与应用

详细介绍了一种操作简单,应用广范,计算结果全面且具有较高精度的地应力测试方法及其原理。该方法使用JHDC-1型套筒致裂地应力测试仪,依据弹性力学的相关理论并结合矿井实际地质条件,仅凭一孔致裂即可确定测试点最大、最小水平地应力和构造应力的数值,并且可以进一步推算出主地应力的大小和方位。该测试方法简便、快捷,非常适合煤矿井下地应力测试。