水平定向钻孔水压致裂地应力测量数值模拟分析

为解决水平钻孔水压致裂法在地应力测量中计算原理不明确的问题,以天山胜利隧道水平定向钻勘察项目为依托,首先构建基于原生裂隙法与多孔交汇法的水平孔围岩三维应力状态理论模型,并探讨其控制边界条件及计算方法;然后,通过与室内物理模型试验数据进行对比分析,验证理论模型的合理性;最后,构建水平孔水压致裂法地应力测量有限元模型,通过对比数值模拟、理论计算和室内试验结果,验证该有限元模型建模方法的可行性。结果表明:1)理论模型计算结果与室内物理模型试验记录数据接近,最大误差为6.8%,说明结合原生裂隙法与多孔交汇法构建的水平孔围岩应力状态理论模型可以适用于基于水平定向钻勘察的水压致裂法地应力计算;2)数值模拟结果与试验记录数据接近,最大误差为9.51%,说明采用Abaqus扩展有限元法(XFEM)结合嵌入式Cohesive单元的方法能够合理模拟真实水平孔水压致裂测量地应力的过程;3)理论模型计算结果与数值模拟结果的一致性较好,最大误差在允许范围内,验证了理论模型与有限元模拟方法的正确性、准确性和可靠性。

基于钻孔水压致裂法的西南山区某高速公路隧道地应力测量分析

对于隧道工程,地应力场分布规律对隧道围岩稳定性有至关重要的作用。本文基于云县至昔归高速公路忙东隧道工程,通过水压致裂法对忙东隧道的地应力进行测量,并分析了地应力的分布规律。研究表明,忙东隧道场地下部主要受水平应力主导。浅部地层处垂直主应力最大、最大水平主应力次之、最小水平主应力最小,属正断型;深部地层处最大水平主应力最大、垂直主应力次之、最小水平主应力最小,属走滑型。所测量范围,洞身范围最大水平主应力为9.28 MPa,最小水平主应力为6.60 MPa。工程区岩体原位抗拉强度约为10.19MPa(取平均值),经计算,在本测点的隧道洞身附近,地应力水平为一般地应力。

万福煤矿深部水压致裂地应力测量

为了克服煤田上覆冲击层厚度高达700m所造成的困难,保证超千米深部地应力测量的成功,对传统水压致裂法测量方法和设备进行改进,增加测量系统的耐压能力和测试系统的精度。在完成的7个钻孔、37个测点的现场实测中,6个钻孔的深度接近和超过1100m,最大测点深度为1105m,创造了我国水压致裂法测量地应力钻孔深度的新记录。通过实测,确定了矿区的地应力状态及其分布规律。研究结果表明,37个测点的最大水平主应力与垂直主应力的比值为1.441～3.224,平均为1.97,反映了矿区地应力场以水平应力为主导的特点。测量结果可为矿山建设和开采设计提供科学的依据。

青藏高原腹地现今地应力测量与应力状态研究

青藏高原腹地现今构造活动强烈,为了解强烈构造活动下的应力背景,我们在五道梁、风火山、雁石坪和安多不同构造部位的四个测点采用压磁应力解除法进行了现场应力实测工作,测量深度12～2 0m .测量结果表明,最大主应力方向总体为北东向,与地质、地震以及大地测量等方面的研究成果基本吻合;最大主应力量值为3 6～6 8MPa(安多测点除外) ,与其他地区测量结果相比,属于中等偏高;安多测点最大主应力方向为北西西向,最大主应力量值为8 1MPa,与其他测点有较大差别,反映了板块缝合带附近现今应力状态的复杂性.

潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究

在山西潞安矿区的13个煤矿采用小孔径水压致裂地应力测量装置,完成了60个测点的原岩应力测量工作。实测数据表明:潞安矿区55%的测点最大水平主应力大于垂直主应力,由于受埋藏深度与地质构造影响,矿区内各矿地应力值差别较大,但地应力大小总体上属于中等地应力值;潞安矿区最大水平主应力方向从南到北变化较大,构造应力场呈现出多变的形态。在实测数据的基础上,绘制了潞安矿区地应力分布图;分析了地应力随埋藏深度的变化规律、平均水平主应力与垂直主应力的比值与埋藏深度的关系。煤矿井下地应力测量为井田开拓、巷道布置与支护设计等工程实践提供了可靠的基础参数,提高了工程设计的科学性、合理性与可靠性。

汶川M_S8.0级大震前后的水压致裂原地应力测量

在汶川M_s8.0级大震发生前一周,采用水压致裂技术在龙门山发震断裂带±400 m深度上测得的最大水平主应力值为21～22 MPa,与其附近下盘之差高达8～10 MPa.大震后的原地重复测量结果表明,发震断裂带上的最大、最小水平主应力值分别降低了29%和23%,而在下盘大震前后的地应力作用状况并无变化.测量结果分析表明,活动断裂带的地应力高值异常是圈定地震危险区的可靠依据,是强震孕育和发生的警示标志.

深孔空心包体法地应力测量仪及其应用实例

介绍用于深孔地应力测量的深孔空心包体法地应力测量仪的组成结构及辅助工具,并给出该仪器的应用实例。传统的应力解除仪器只适用于浅孔,不适用于深孔。深孔空心包体地应力测量仪将原来井上应变仪、井下空心包体应变计、电子罗盘等集成于一体,制成无电缆微型探头,测量时将微型探头安装到孔内预定位置进行测量。用该仪器在上海市浦东地震监测中心张江观测孔进行实际应用,获得365和385 m深处的三维地应力实测数据,测量结果显示张江观测孔最大主应力近水平,方向为近EW向,最大主应力值为8.5～9.0 MPa,最小主应力近于铅直,大小与上覆岩层压力相近。实测表明深孔空心包体地应力测量仪适用于深孔三维地应力测量。

深部矿井地应力测量方法研究与应用

目前地应力测量方法有很多种,可分为力学法、地球物理法及地质构造信息法等。在分析各种测量方法特点的基础上,介绍适用于深部煤矿巷道的地应力快速测量方法——小孔径水压致裂地应力测量法,包括小孔径水压致裂地应力测量原理、测量装置的组成部分和技术特征。在我国煤矿典型的深部矿区——新汶矿区井下巷道中,完成9个测点的地应力测量。其中5个测点的埋深超过1000m,最深达1220m。测量结果表明,7个测点的最大水平主应力大于垂直主应力;最大水平主应力高达42.1 MPa;最大水平主应力与垂直主应力的比值为1.004～1.550;新汶矿区超过1 000 m深井地应力以水平应力为主,最大水平主应力方向主要集中在N3°E～N43.5°W。通过井下实测,确定出所测区域地应力状态及其分布规律。同时证明,小孔径水压致裂地应力测量法可为深部矿井提供有效、快速的地应力测量手段,为深部巷道布置和支护设计优化提供可靠的基础参数。

汶川地震后沿龙门山裂断带原地应力测量初步结果

2008年5月12日在中国四川省西部汶川发生Ms8.0地震,震中位于青藏东缘龙门山断裂带。地震发生后的4个月,沿龙门山断裂带中南段开展了原地应力测量,获得了3个测点的应力大小和方向。在3个测孔中浅部采用压磁应力解除法,深部采用水压致裂法。浅部测量结果显示,位于震中区映秀测点,水平最大主应力值为4.3MPa,最大主应力方向为N19°E;宝兴测点位于震中区西南的龙门山断裂带南段,汶川地震没有导致该段地表破裂,该点获得的水平最大主应力值为9.8MPa,最大主应力方向为N51°W;位于龙门山断裂带最西南端的康定测点,水平最大主应力值为2.6MPa,最大主应力方向为N39°E。利用水压致裂法对各钻孔100～400m深度进行了应力测量,获得了应力随深度变化趋势和应力状态。与震前其它应力测量结果和中国其它地区表层地应力测量结果比较,龙门山断裂带西南段处于相对高应力水平,震中区仍处于中等应力水平。这项研究成果将为评价龙门山断裂带余震和今后强震发展趋势提供关键构造物理参数。

郯庐断裂带山东段深孔地应力测量及其现今活动性分析

已有的地表调查和GPS位移测量、深部震源机制等研究结果表明,郯庐断裂山东段现今活动性表现为顺时针压扭性活动特征。为揭示郯庐(郯城-庐江)断裂带山东段地表和深部之间地壳浅表层日本大地震发生后的现今地应力状态和活动特征,在鲁东北部花岗岩地区开展了600 m的钻探工程与地应力测量工作。钻探岩芯编录初步揭示地壳浅表层岩体结构特征,随深度系统的地应力测量结果表明,现今水平主应力起主导作用,易于断层走滑作用发生,且现今最大水平主应力方向为近东西向,反映出郯庐断裂带山东段现今活动特征为压性兼右旋走滑,与地表和深部已有研究成果相吻合。研究成果为郯庐断裂带山东段现今活动性研究补充了新的资料。

锦屏深部地下实验室初始地应力测量实践

地应力条件是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一,对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。以埋深2 400 m的中国锦屏地下实验室为例,首先重点阐述了高应力下条件下应力解除法测量地应力的原理与方法,并提出了针对在高应力条件下使用36-2型钻孔变形计地应力测量的改进技术:(1)采用新式阶梯状钻头,分级逐步解除,减小岩芯根部应力集中区域的范围和应力大小;(2)使用大直径解除钻头来增加套孔空心圆柱状岩芯的厚度,即增大裂隙贯通整个岩芯的时间;(3)在测点附近钻取勘探孔以获知测点岩体完整性条件,对是否适合开展测试进行评估。在此基础上,通过现场岩体地应力测试获得每个测孔不同深度垂直钻孔轴线平面上的平面应力状态以及三孔交汇处的三维应力状态(3个主应力的大小和方向),分析开挖扰动导致的围岩应力重分布规律与原始应力场分布。依据洞室围岩重分布应力特征与现场实际破坏的空间位置对应关系,结合现场破坏情况和工程区域地质条件,多角度验证了三维应力结果是可靠的,可为进一步的工程稳定性评价以及围岩支护设计提供依据。

红透山铜矿地应力测量及其分布规律研究

红透山铜矿是国内最深的金属矿山之一,岩爆灾害具有典型性。为了解矿区应力状态及分布特征,开展了应力实测工作,应用空心包体应力解除法进行应力测量。通过现场实测获得该矿区 5 个中段 8 个测点的三维应力状态,最大主应力方向为 NNW～NW,最大主应力值随深度基本呈线形增大,且-767 m 中段不同部位应力值有所变化,最大主应力值可达 50 MPa 左右。

地应力测量方法综述

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.

三山岛金矿采空区地应力测量及其结果分析

采空区上部预留矿柱的回采工作影响到整个矿山的安全生产、采矿方法及其实施.为正确评价上覆岩层和围岩的稳定性情况,采用实现完全温度补偿的空心包体应变技术的套孔应力解除法对三山岛金矿进行地应力测量.建立了矿区地应力场分布模型,获得了三山岛金矿地应力状态和矿区的地应力分布规律.结果表明,三山岛地区地应力场以水平应力为主,符合我国地壳运动的规律.

深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析

万福煤矿是一座拟建特大型矿井,上覆冲积层厚度高达700m,主煤层平均埋深达1004.12m。选择7个勘探钻孔、37个试验段进行深孔水压致裂地应力测量。为保证超千米深孔地应力测量的成功,对传统水压致裂法的测试技术和设备进行改进,提高系统的耐压能力和测试精度。测孔最大水平主应力与垂直主应力的比值较大,平均为1.97,说明勘探区现今应力场以水平应力为主导。测得的21个印模中有18个点位于NEE-SWW向,3个点位于NW-SE向,符合本区震源机制解得出的挤压应力场方向,且与新构造活动所反映的区域构造应力场方向一致。结合实际的地质条件和地层参数,在实测地应力结果的基础上,提出基于有限元三维地应力拟合分析法反演勘探区现今地应力场,给出煤层顶板主应力分布曲线并分析井下可能出现的各类不良地质现象。

玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应力场分布规律

介绍玲珑金矿主矿区深部和浅部两期地应力测量的过程和结果。为提高测量结果的可靠性和准确性,采用完全温度补偿技术和实现完全温度补偿的空心包体应变计等一系列新的技术和方法,对传统的应力解除法进行重大改进。通过实测,获得矿区7个水平,18个测点的三维地应力大小和方向。根据实测结果,对玲珑金矿主矿区地应力场的分布规律进行定量的综合分析与研究。研究结果表明:(1)玲珑金矿主矿区地应力场以水平构造应力为主导,最大水平主应力平均为自重应力的2.26倍;(2)最大水平主应力的走向为NW向,基本与区域构造应力场最大主应力的方向相一致;(3)垂直主应力值基本上等于或略大于自重应力值;(4)深部与浅部相比,尽管岩性有较明显变化,但地应力场分布规律并没有显著改变;(5)最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力值均随深度呈几乎线性增长关系。

青藏高原昆仑山和羊八井现今地应力测量及其工程意义

对青藏高原昆仑山和羊八井的地应力实测结果表明 ,昆仑山的最大水平主应力量值为 6 .8～ 12 .9MPa ;羊八井的最大水平主应力值为 3.3～ 10 .4MPa ,总体来看 ,昆仑山的应力值比羊八井高。与中国其他地区表层地应力测量结果比较 ,从区域应力分析角度来看是属于高应力区。它们的最大主应力方向为NE和NEE。这与青藏高原大陆动力学研究的结论是一致的。此外 ,结合工程地质调查结果 。

赵楼煤矿1000m深孔水压致裂地应力测量及其应力场研究

赵楼煤矿是目前国内开采最深的非金属矿山之一,处于曹县—郓城活动断裂带上,区内地质构造较为复杂。为了掌握矿区原岩应力场分布规律,应用深孔水压致裂地应力测量技术开展地应力测量工作,获得该矿区2个钻孔中16个测段的应力状态。测量结果表明:矿区最大主应力随深度增加基本呈线性增大,且在800 m深度处应力值有所变化,最大水平主应力为28.45～45.75 MPa,方向NEE,反映出矿区地应力场以水平应力为主导的特点,测量结果可为矿山建设和开采设计提供科学依据。

金川二矿深部1000m中段地应力测量及应力状态研究

金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿,而二矿又是金川镍矿的主力矿山。目前二矿已进入深部开采阶段,由于矿岩破碎、剧烈开采扰动以及巷道采场结构越来越复杂,加之应力状态的改变,围岩稳定性问题更加突出。为此在二矿深部1000m中段进行了系统的地应力测量,以了解深部应力分布特征及其变化规律。现场测试采用空心包体应力解除法,共获得7个测点的三维应力数据。地应力测量成果表明,在井下700～800m深度范围内,最大主应力量值基本为20～30MPa,大部分测点最大主应力方位为NNE～NE向,最大主应力倾角在40°以上,以水平应力为主导的应力作用特征发生改变。

深层地应力测量新方法

实验研究了深部地层岩芯的声波速度各向异性及在恢复加载条件下的声发射Kaiser效应,提出了一种简便的深部地层地应力测量新方法。全尺寸岩芯被钻取后,其应力卸载的各向异性导致声波速度各向异性,利用这一原理可确定水平最大、最小地应力的相对位置,对上述位置岩芯进行取样,进行围压下的声发射Kaiser实验,就可测量出水平主地应力大小。该方法一则解决了一直困扰Kaiser实验的对岩芯完整性高标准要求的问题,二则完善了超深井地层的地应力测试方法,同时,为超深井水力压裂设计和维持井壁稳定的安全泥浆密度确定提供了最重要的参数。