新型双管水压致裂法地应力测试装置及其应用

提出一种新型双管水压致裂法地应力测试装置,管路采用C型接头的高压双层钢丝胶管。在浙江省和福建省的16条隧道中进行测试应用,取得了较好的效果。结果表明:新型双管水压致裂法地应力测试装置密封效果良好,能够分别控制封隔段和压裂段进行加压、泄压;在我国东南沿海地区,深部岩体中的天然应力场具有明显的方向性,最大水平主应力与最小水平主应力比值为0.55~0.85,侧压系数为0.72~4.83,平均值为2.16。

大型地下厂房水压致裂法地应力测量及地应力场反演分析

岩体初始地应力是地下工程研究中的重要内容,依托大型地下厂房工程,采用三维水压致裂法和常规水压致裂法对洞内孔ZK1和地表孔ZK2分别进行地应力测量,获得岩体初始地应力;基于实测数据利用三维数值模拟方法进行地应力场反演计算,获得所需工程区的地应力场分布规律。研究表明:水压致裂法可以有效地获得初始地应力,三维水压致裂法获得的地下应力情况更为准确且可以与垂直孔测试数据互相印证;数值模拟获取的地应力计算值和实测值具有一致性,厂房隧洞布置较为合理且工程区发生岩爆概率较低;现场原位测试结果与回归地应力场分布规律可为工程设计提供有效的科学支撑。

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。

水压致裂地应力测试在山区隧道勘察中的应用

深埋隧道的线路布设和围岩稳定性受制于地应力条件。水压致裂法是目前普遍使用且成熟的深埋隧道地应力测试方法。通过采用水压致裂法对华东山区某隧道原位地应力进行测试,取得了最大、最小水平主应力等力学参数,分析了地应力特征,为隧道线路布设和围岩岩爆预测提供数据支撑。研究表明:隧道水平主应力随埋深线性增加,地应力类型由浅到深分别发育逆冲型应力和走滑型应力2种应力类型,隧道埋深处最大水平主应力的优势方向与区域地质构造应力方向一致,最大水平主应力与隧道走向夹角小于最优夹角,对围岩稳定性有一定影响;围岩岩爆风险整体上随深度的增加而增加,研究隧道埋深处围岩可能有轻微岩爆现象,应采取相关措施及时释放围岩地应力,以保证施工安全。研究结果对今后山区油气管道、交通运输等工程建设的勘察、规划设计提供参考。

坚硬K2灰岩顶板水压致裂强制放顶设计与应用

【目的】铁新煤业9226工作面回采后端头区域坚硬K2灰岩顶板难以正常垮落,在工作面后方悬露较大空顶区域,威胁工作面作业安全,需要对其进行水压致裂强制放顶处理。【方法】针对9226工作面端头长距离悬顶带来的安全隐患,根据9226工作面坚硬K2灰岩顶板工程地质条件,通过理论计算方法设计9226工作面超前水压预裂参数,确定超前水压预裂实施流程,开展现场试验和观测。【结果】结果表明,水压致裂放顶技术解决了9226工作面后方厚硬石灰岩顶板难以及时垮落的问题,保证了工作面推进速度。【结论】本研究为水压致裂技术在类似条件煤炭开采中的推广应用奠定了基础。

谢家河沟煤矿水压致裂法地应力测试应用

针对谢家河沟煤矿地质力学参数匮乏问题,本文采用水压致裂法对谢家河沟煤矿1345西翼底抽巷展开地应力测试,确定了该矿围岩的应力状态。实测该矿的主应力大小分布规律为sH>sv>sh,最大水平主应力与垂直应力比值sH/sv,结果介于1.16~1.31,表明该区域最大水平主应力与垂直应力差异不大。相较于六盘水矿区的构造应力场,谢家河沟煤矿的地应力属于中等应力区。这些研究成果将为未来矿井支护设计的优化提供重要参考。

水压致裂技术在铜矿峪矿中的应用

铜矿峪矿采用自然崩落法开采,在开采过程中存在自然崩落大块率较高和速率慢的问题,一直制约着开采效率和安全管理。为解决上述问题,铜矿峪矿首次引进水压致裂矿岩预处理技术,对410 m中段首采区采取预处理措施,加快岩体中原生裂隙的扩展延伸及次生裂隙的持续发育,以降低岩体完整性,进而达到减少特大块产生和加快持续塌落速度的目的。与410 m中段未实施水压致裂区域及530 m中段首采区相比,开展了水压致裂的410 m中段首采区内大块率、塌落面积、采场持续塌落速度均变化显著,即大块率由35.1%降至14.4%,初始塌落面积由5200 m^(2)降至2120 m^(2),持续塌落面积由5900 m^(2)降至2710 m^(2),采场持续塌落速度由0.15 m/d提高至0.587 m/d,水压致裂积极效果显著,为后续中段衔接提供了技术支撑,保证了矿山生产经营长期稳定。

岳南煤业煤层水压致裂瓦斯抽采技术研究

针对岳南煤业15#煤层渗透性差、瓦斯含量高、抽采效率低等问题,考虑采用水压致裂技术提高抽采率。首先通过地应力实测得出工作面最大主应力为水平应力,其值为17.9 MPa,方向角为N32.43°E,压裂裂纹扩展也沿此方向;压裂钻孔的影响范围为5~8,为保证抽采效果,将压裂抽采钻孔间距设置为5 m,压裂抽采4个月后,煤层瓦斯残存量降低至2.54 m~3/t,且抽采周期缩短了近3个月,保证了矿井的安全高效生产。

水压致裂法在长大隧道地应力测试中的应用研究

文章以某新建高原隧道为研究对象,采用水压致裂法,测试地层原位地应力的大小和方向,确定隧道围岩的地应力状态。结果表明,隧道岩层不属于典型硬脆岩质,初步预测该隧道不存在典型岩爆,以变形偏大、洞壁岩体偏薄及剥离为主表现形式;埋深为146~285 m和286~465 m时,围岩开挖可能分别出现Ⅰ级、轻微大变形及Ⅱ级、中等大变形。埋深>335 m时,围岩开挖后处于高初始应力状态;埋深>660 m时,甚至出现极高初始应力状态,建议隧道施工时早封闭、勤测量。

深埋工作面回采巷道复合顶板水压致裂技术应用

随着煤炭开采由浅部煤层逐渐向深部煤层转移,所面临的高应力问题致使回采巷道围岩变形严重,而水力压裂技术作为深部煤层卸压解危的关键手段之一,其相关技术、工艺和设备等已经较为成熟。针对某矿130608工作面埋深大、承受的垂直应力较高,导致巷道围岩变形较大的问题,基于该工作面的地质条件和开采技术条件,提出了复合顶板水压致裂方案。现场实践结果表明,采用复合顶板水压致裂技术后,围岩应力峰值降低了23.53%~25.13%,顶底板及两帮移近量降低了41.64%~49.23%,卸压效果较好,可以大幅降低巷道围岩应力,有效控制巷道围岩变形,保障了工作面安全高效开采。

水力劈裂试验与水压致裂试验中岩体劈裂值的差异性探讨——以石曹抽水蓄能电站工程为例

文章以石曹抽水蓄能电站高岔深孔ZKD201为研究对象,基于水力劈裂试验中水力劈裂值P a与水压致裂法地应力测试中水压致裂劈裂值P b的现场试验值,就两种岩体瞬间劈裂压力的差异性进行探讨。结果表明:水力劈裂值P a总体上要低于水压致裂劈裂值P b;水压致裂劈裂值P b作为地应力测试中的辅助参数,可作为参考,对水力劈裂值P a进行验证修正。

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。

长白山天池火山西南麓水压致裂法地应力测量及其实测数据在断裂稳定性分析中的应用

长白山天池火山是一座新生代多成因复合火山,其活动性一直受到地学界的高度重视.而地应力测量数据对于了解火山的活动情况等具有重要意义,但目前长白山天池火山地区实测地应力资料较少.为了更准确地了解长白山天池火山地区现今地应力状态及断裂稳定性,在长白山天池火山西南麓MJZ测点0~300 m孔深开展了水压致裂法地应力测量.利用此次实测地应力数据,本文首先分析了该地区地壳浅表层应力状态,结果表明:①测区以水平构造应力为主导,应力值与其他地区相比,相对较低;②SH(最大水平主应力)、Sh(最小水平主应力)和Sv(垂向主应力)均随深度增加而基本呈线性增大趋势;在60~180 m深度,三者展现为逆断层应力状态,即SH>Sh>Sv;在180~300 m,则表现为SH>Sv>Sh,该应力关系有利于走滑断层活动;③钻孔上部SH方向为N38°E,与东北地区构造应力场方向基本一致.钻孔下部由于受区内NW向断裂和其他因素影响,存在与区域主应力方向有偏差的局部应力场.其次,基于实测应力数据,应用库仑摩擦滑动准则,并取摩擦系数为0.6和1.0,初步评价了区域断裂的稳定性.结果显示,研究区现今应力状态尚未达到断裂失稳滑动水平,推测测区断裂目前相对稳定.结合其较低的应力积累水平,一定程度上反映出长白山天池火山区目前没有明显活动,地壳总体是稳定的.本文的研究结果可为长白山天池火山的活动性、地震地质等研究提供地应力方面的基础数据,同时也为测区地质环境安全评价提供参考依据.

基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析

山东省三山岛西岭矿区拟建2000 m深副井,属于超深井建设工程。揭示建井工程区地应力场特征是开展竖井设计、建设施工的必要先决条件之一,研究中采用水压致裂法开展了深部竖井地应力现场测量工作,测量深度达到1899.00 m,通过数值仿真模拟方法反演了竖井工程区2017.56 m深的地应力场。结果表明:在水压致裂测试的钻孔357.76~1899.00 m深度范围内,最大水平主应力(SH)为23.16~70.86 MPa,最小水平主应力(Sh)为15.24~47.06 MPa;主应力随深度近于线性增加,地应力测量孔实测最大水平主应力方向分别为NW55.5°、NW60.4°、NW58.4°,为近北西方向;竖井工程区应力场主要以水平应力为主导,1200.00 m以下铅直主应力(Sv)为中间应力,SH与Sv之比平均值为1.53;通过FLAC 3D软件的反演分析获得了建井工程区内地应力场随深度、地层变化的分布规律,测试点的反演结果与实测值基本一致。近2000 m超深地层地应力状态及其分布规律,为竖井工程的井筒井壁设计和工程风险评估提供了基础科学依据。

岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论

准确揭示原位地应力状态,对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作,获得了20个测段地应力状态;室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验,包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验,获得了岩石空间非均质度和强度分布特征,并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明:主应力大小随测量深度近似呈线性增大,测试孔的最大水平主应力值为20.78~45.20 MPa,最小水平主应力值为14.94~35.33 MPa,平均最大水平主应力方向为NW65°;测试孔岩芯各层位非均质度不同,变辉长岩非均质度系数为0.1~0.3,且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著,岩石离散度较小,花岗岩非均质度系数最高,可达1.0,以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主;岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向,扩展方向和最大水平主应力方向的夹角φ影响着最大、最小水平主应力的测量结果,且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系,对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。

含层理页岩水压致裂特性及对破裂压力的启示

水力压裂是页岩气开发中常用的储层改造技术,破裂压力的准确预测对于现场压裂施工设计至关重要。为探究页岩层理对水力压裂的影响机制,以四川长宁地区黑色页岩为研究对象,对含层理的页岩进行巴西劈裂抗拉强度测试,利用GCTS岩石力学试验机开展不同层理角度下页岩的水压致裂试验,结合X射线CT机和三维扫描仪对页岩的扩展形态及裂缝表面粗糙度进行表征,并对页岩水力压裂的破裂压力进行分析。结果表明:(1)页岩的抗拉强度随层理角度变化呈先减后增的变化趋势,各向异性明显;(2)层理的存在对页岩水力压裂的破裂压力影响较大,不同层理角度条件下页岩水力压裂的破裂压力与抗拉强度的变化规律相似,在30°最小,90°最大;(3)层理面对水力压裂裂缝扩展的影响较小,主要是拉伸破坏产生的单裂缝,裂缝面粗糙度较高且与层理方向无关;(4)通过数值仿真确定了压裂井筒塑性区的存在,解释了试验中观察到异常高的破裂压力,说明水力压裂裂缝起裂后存在一定的临界起裂特征长度,岩石需要经过裂纹孕育阶段才能完全破裂,不同层理角度页岩通过临界起裂特征长度来影响起裂压力,采用新的模型能较好预测页岩水力压裂的破裂压力。研究结果对于了解深部页岩裂缝起裂扩展机理、压裂施工设计等具有一定的参考意义。

水压致裂地应力测试法在秦岭隧洞中的应用

鉴于地应力场对隧洞围岩稳定性有重要作用,基于引汉济渭秦岭输水隧洞二衬混凝土开裂区域典型断面地应力实测结果与地质构造条件,运用三维水压致裂法分析了秦岭隧洞的围岩地应力。结果表明,水平孔在9.2~26.6 m钻孔深度内,钻孔横截面上最大主应力为16.3~37.9 MPa,截面最小主应力为2.4~9.1 MPa;铅直孔在3.8~20.7 m钻孔深度内,最大水平主应力为21.5~30.5 MPa,方位平均为N57°E,最小水平主应力为12.7~16.5 MPa;三维应力计算的最大、最小水平主应力分别为24.3、14.4 MPa,空间最大主应力为24.6 MPa,呈近水平分布。可见隧洞岩体的测试位置围岩应力场主要为水平应力,岩体应力分级为高地应力。

水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂分析

水工隧洞衬砌破坏将影响隧洞正常运行。为了分析内水压力导致水工隧洞衬砌开裂的变化规律,以采取相应措施避免渗漏事故发生。文章采用增量变弹性损伤刚度有限元迭代法,对水压上升过程中筋混凝土衬砌受力及裂缝变化进行模拟。结果表明:内水载荷过大是造成水工隧道衬砌结构出现裂缝的主要原因,使用连接锚杆对衬砌钢筋捆扎,可提高水工隧洞衬砌抗开裂能力。研究结果可为水工裂缝防治提供参考。

水压致裂法在大巴山深埋隧道地应力测试中的应用

大巴山地区地质构造复杂,目前建设的隧道多为深埋隧道。了解地应力条件对隧道施工设计参数的选择以及岩爆的风险预测具有重大意义。选择水压致裂法,以大巴山区域旗杆山隧道为例,介绍了水压致裂法测试深埋隧道地应力的方法,并对测试结果数据进行分析,从而对该隧道施工期间发生岩爆的可能性进行预测。实践表明,运用水压致裂法,能较为准确地测量到深埋隧道相关施工区域的地应力分布特征,同时具有施工周期短,施工操作简单的特点。

水压致裂法在隧道原地应力及脆性破坏预测分析中的应用——以广西荔玉高速文圩隧道为例

以广西荔玉高速文圩隧道为研究对象,通过水压致裂法获取隧道洞身钻孔145.14~243.37 m深度内的地应力数据,并基于实测数据采用修正的Sheorey公式及应力强度比法分别对隧址区原地应力及脆性破坏进行预测分析。结果表明:原地应力预测值与工程区周边的实测应力水平吻合度较好,隧道左右幅Ⅲ级围岩区可能出现中等脆性破坏的占比分别为6.9%、7.6%。预测结果为隧道的设计及科学施工提供了依据,也可为今后类似工程提供经验参考。