矿山地应力测试方案.docx

1、矿山地应力测试方案矿山地应力测试工作方案省XXXXXX勘察院2015年4月1前言 22地应力的基本原理 22.1地应力的基本概念 22.2地应力的组成部分和影响因素 32.3地应力场的变化规律 52.4我国地应力场的区域划分 83水压致裂法试验介绍 93.1水压致裂法基本原理 93.2水压致裂法地应力测量的主要设备 143.3水压致裂法测试步骤 154 测试结果 174.1参数确定 174.2现场实测 185测试成果综合分析 215.1试验结果的可靠性分析 215.2最大水平主应力的量级 215.3最大水平主应力的方向 215.4侧压系数及应力构成分析 215.5分析最大、最小水平主应力与岩层

2、深度的关系 226地应力场反演分析 236.1有限元数学模型多元回归分析法基本原理 246.2回归结果分析 25丄 、八 、亠1冃I言地应力是引起采矿和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破 坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实 现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。地应力是所有地下工程， 包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。 地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力。在没有开挖工程扰 动的情况下，岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖，打破了 原始平衡状态，导致地应力的释放，从而引起岩体的变形和向自由面的 位移，引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和

3、应力集中将导致围 岩局部的或整体的失稳和破坏，这就是地压形成的过程和机理。因此， 从本质上来定义，地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与 岩体的受力状态、岩体结构和重量、岩体物理力学性质、工程地质条件 以及时间等因素有关。2地应力的基本原理2.1地应力的基本概念蓄存在岩体部未受扰动的应力，称之为地应力 (In situ stress 或Geostress)，它是岩 体中存在的一种固有力学状态， 是岩 体区别于其它 固体如土体的最基本特征。地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆 (Heim ,1905-1912)提出。他认为，岩体中有应力存在，并处于近似静水压力状态。应力的大小等 于上覆岩

4、体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于 H(为岩体的重度，H为研究点的深度)。此后，金尼克(1926)又根据弹性理论分析，假 定岩体是均匀、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为 H，而水平应力应等于 H的假说(为岩石的泊松比， 为侧压系数)。按照金1 1尼克的理论，海姆假说只是金尼克假说在 0.5时的一个特例。然而，随着地应力现场实测资料的积累，表明在浅层的地应力并不符合海姆和金尼克假说。瑞典哈斯特 （Hast.N）于1952-1953年应用压磁式应力计在斯堪的纳维亚半岛的 4个矿区进行了地应力实验。结果表明， 实测的水平应力普遍比铅垂应力要高。此后，许多国家相继发展了多种 在钻孔中测量地应力

5、的方法， 也都得到了相似的结论。1978年霍克和布朗（Hoek & Brown）在研究了大量的实测地应力资料后指出，一般而言， 岩体结构中的铅垂向地应力主要由上覆岩体的自重产生，水平向地应力 介于同一深度的铅垂向地应力分量的一半到 3倍左右，深部岩体（距地表千米以上）的应力状态，比较接近海姆假说。2.2地应力的组成部分和影响因素地应力主要由五个部分组成，即岩体自重、地质构造、地形势、剥 蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古 地质构造运动应力和新构造运动应力，前者是地质历史上由于构造运动 残留于岩体部的应力，也称构造残余应力；后者是现今正在形成某种构 造体

6、系和构造型式的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅仅表现在局 部的应力场会受到影响。例如，高山峡谷或深切山谷底部的应力往往比 较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂方向分量降低得较多，而水平 分量基本保持不变。封闭应力是地壳经受高温、 高压引起的岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力封闭在 岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故 称封闭应力。一般认为，浅层岩体中地应力的分布有以下 5个方面的影响因素。2.2.1地质构造对地应力的影响地质构造对地应力的影响主要表现在影响应力的分布和传递方面；在均匀应力场中，断裂构造对地应力量值和方向的影响是局部

7、的;在同一地质构造单元，被断层或其它大结构面切割的各大块体 中的地应力量值和方向均较一致，而靠近断裂或其它分离面附近，特别 是在拐弯处、分叉处及两端，因为都是应力集中地带，其量值和方向均 有较大变化；在活动断层附近和地震区，地应力的量值和方向均有较大变化。 222地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响十分复杂，至今没有统一的结论。剥蚀作用对地应力有显著的影响。剥蚀前，岩体存在一定量值的铅 垂应力和水平应力。剥蚀后，铅垂应力降低得较多，而水平应力降低得 比较少，基本上保持原来的应力量值。2.2.3岩石力学性质对地应力的影响从能量积累的观点来看，岩体地应力是能量积累与释放的结果。岩

8、 体地应力的上限必然受到岩体强度的限制。因此，岩石力学性质对地应 力的影响是显而易见的。杰格尔 Jaeger)曾提出地应力与岩石的抗压强 度成正比的概念。光煜、白世伟通过大量的统计资料提出用岩体弹性模 量(E)来评价岩石力学性质与地应力的关系。 统计结果表明，E=50GPa以上的岩体，岩体中的地应力一般为 10 30MPa,而E小于10GPa的岩体， 地应力很少超过10MPa他们的统计结果还表明， 在相同的地质环境中，当岩体的弹性模量分别 2GPa和lOOGPa时，地应力值分别为 3MPa和 30MPa因此，弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累，其地应力值 也往往较高。2.2.4水对地应力的影

9、响水对岩体中地应力的影响是显而易见的。由于岩体中水的存在而形 成的岩石孔隙水压力于岩石骨架承受的应力共同组成岩体的地应力。因 此，孔隙水压力高的地区，岩体地应力的量值也会相应增加。2.2.5温度对地应力的影响岩体温度对地应力的影响主要表现在两个方面：地温梯度和岩体局部受温度影响。一般而言，岩体温度应力为压应力， 并随深度的增加而增加，因此， 随着地温梯度的增加，地应力的量值有增加的趋势。当岩体局部受温度影响时，由于温度分布不均匀，会产生收缩和膨 胀，导致岩体部产生应力，影响岩体的地应力量值。2.3地应力场的变化规律由于地应力的非均匀性以及地质构造、地形和岩体力学特性等的影 响，地应力的变化规律

10、没有明显的确定性。 但从实测资料来看，浅层（深度小于3000米）地应力总体上遵循如下的规律：2.3.1地应力是一个相对稳定的非稳定应力场岩体中地应力除地壳深层外，绝大多数是以水平应力为主的三向不 等压的三维应力场。三个主应力的量值和方向随着空间位置和时间的变 化而变化。地应力在空间上的变化程度，就一个小围来讲，例如一个水利枢纽 工程或矿山工程，地应力的量值和方向从一个地段到另一个地段发生变 化。但对大的区域整体而言，地应力的变化特别是最大主应力的方向是 不大的，例如，我北地区，地应力的主导方向为北西西和近东西向。地应力的量值和方向在时间上的变化，就人类工程活动所延续的时 间而言，变化是缓慢的，

11、可以忽略不计。2.3.2实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量布朗（Brown）在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明，在深 度为252700米围，地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量，除 少数实验点偏离较远之外（分散度小于5%），其随深度的变化按照岩石重 度成线性增加，如图4.1所示。2.3.3水平应力分量普遍大于铅垂应力分量国外地应力现场实验结果表明，在较浅地层中，地应力的水平向应 力分量绝大多数大于铅垂向分量。最大水平向应力与铅垂向应力比值 （侧压系数）一般为0.55.5，大部分在0.81.2之间。最大值甚至达到30或更大。目前，国外习惯采用两个水平方向应力的平均值 h.av与铅垂向应

12、力的比值v的比值来表示侧压系数。此比值一般在 0.55.0之间，我国的 实测值大多数在0.33.0之间，如表3.1所示。表3.1 h.av/ v的统计结果国家名称h.av/ v百分比h.av/ v比值1.2中国3240282.09澳大利亚022782.95加拿大001002.56美国1841413.29挪威1717665.56瑞典001004.99南非4124352.50前联5129204.30其它地区37.537.5251.962.3.4平均水平应力与铅垂应力比值 （侧压系数）同深度之间关系侧压系数h.av/ v是表征地区地应力特性的主要指标之一。一般而言，该值随深度增加而减小，但在不同区域

13、，有较大差异。布朗 （Brow n）根据图3.1的统计结果提出下式来描述这种变化趋势：(1)已有的现场实验资料也表明（图 3.2），在钻孔深度较浅（小于1000 米）时， 比较分散，数值也较大。随着深度的增加， 的分散减小，并且向趋于1附近集中，类似前述的海姆假说的静水压力状态。2.3.5最大水平主应力方向与地质构造的关系岩体中现存的最大水平主应力方向主要取决于现在的地质构造应力场。现场实验结果表明，最大主应力方向与地质构造的关系十分复杂, 有的地区最大主应力场方向与构造线垂直，有的则平行。 Voabi严 、W-+中国 奧地刹类国 龙九1拿大O斷堪的纳维亚 南非 Q其他眞家:讥 1:、1!1I

14、OOO2000%怡垂应力(MPa)0 10 20 0 40 50 60 70图3.1地应力的铅垂向分量随深度的变化规律图3.2地应力的侧压系数随深度的变化规律2.4 我国地应力场的区域划分根据大量的现场实验结果，我国地应力场的最大水平主应力方向有 较明显的分区特征，如图 3.3所示。华北地区，主压应力方向以太行山为界，太行山以东的华北平原及 其周边山区，其主压应力方向为近东西向；太行山以西，主压应力方向 近东南。岭构造带以南，主压应力方向为北西西至北西向。东北地区主压应力方向以北东东为主。西部地区测得的主压应力方向以北北向为主，个别近东南方向。地应力量值在我国的东西部地区有较大的差别。东部地区

15、的地应力 量值比较低，在300m深度，一般地应力最大值为 8MPa左右。西部地区, 地应力量值比较高。例如，在二滩水电站实测的水平最大主应力量值在 山谷应力集中处高达 40-65MPa。图3.3我国地应力场的最大水平主应力方向分布3水压致裂法试验介绍国际岩石力学学会测试方法委员会 1987年颁布了 “测定岩石应力的建议方法”。包括 USBMI型钻孔孔径变形计的钻孔孔径变形测量 法、CSIR(CSIRO)型钻孔三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、水压致裂 法和岩体表面应力的应力恢复测量法。与其它三种测量方法相比，水压致裂法具有以下其它优点：测量深度深；资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩

16、石 弹性参数取值不准引起的误差；岩壁受力围较广(钻孔承压段程度可达 1-2米)，可以避免“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影响；操作简单，测试周期短。因此，水压致裂法广泛地应用于水电、交通、矿山等岩石工程以 及地球动力学研究的各个领域。3.1水压致裂法基本原理水压致裂法地应力测量利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的 测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压裂过 程曲线的压力特征值计算地应力。水压致裂法地应力测量原理以弹性力学平面问题为基础，并引入 了如下三个假设：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体；围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流 动；岩体中地应力的

17、一个主方向为铅垂方向，与铅垂向测孔一致， 大小等于上覆岩层的压力。根据弹性理论，当在具有应力场的岩体中钻一钻孔，钻孔周边岩体将产生二次应力场（图4.1），它与地应力之间的关系如下:22Z2 ( x、a cy) 2 cos 2a2 xy 2 sin 2rr4 2a a3= 2 Hsin2r rz ( xy cos zxSin )(1rz ( yz sin zx COS )(12r2Jr(2)式中，a为钻孔半径，r为径向距离，为极径与轴X的夹角，Z为钻孔轴向，指向孔口。为岩石泊松比，V为原始轴向主应力（由上覆岩石自重确定）。图3.1岩体中含一钻孔的应力分布在钻孔孔壁处（r a）的应力状态为：（x

18、y） 2（ x y） cos 2 4 xy sin 2y)cos2 2 豪n2注意到地应力场中的一主应力为钻孔轴线方向，有xy yz zx为方便起见去掉式0，同时，坐标轴X取在钻孔截面的最大水平主应力方向，(3)中的上标，式(3)为：2( H h)cos2h) cos2 v (4)h分别为钻孔横截面上最大和最小水平主应力，z 2 ( H 式中，h和 极角，以逆时针为正。当钻孔承压注液受压Pw时，围岩即产生附加应力场。根据无限厚 壁圆筒弹性理论解，围岩产生的附加应力场为：玄2Pw 2 r(5)玄2r 2r在钻孔孔壁(r a)处，注液受压引起的围岩应力状态为PWr Pw (6)水压致裂法地应力测量

19、钻孔岩壁上的应力状态，是地应力二次应 力场与液压引起的附加应力场的叠加，即(H h ) 2( H h)cos2 Pwz 2 ( h h)cos2 vr Pw (7)水压致裂法地应力测量的经典理论采用最大单轴拉应力破坏准则。在这种破坏准则的制约下，式 (7)中轴向应力z仅仅与地应力状态有关，与液压大小无关，它与径向应力 r仅仅提供了钻孔岩壁三维应力状态的条件，与围岩产生破裂状况无关，一般不讨论。对围岩破 裂起控制作用的是切向应力 ，当钻孔承压段注液受压后，切向压力以液压等量值降低，最后转化为拉应力状态。水压致裂法地应力测量时，破裂缝产生在钻孔岩壁上拉应力最大 的部位。由式(7)可知，在钻孔岩壁极

20、角 0或 的位置上，也就是最 大水平主应力方向，钻孔岩壁的切向应力最小 (压应力为正)，其量值为：3 h H Pw(8)由式(8)可知，当液压增加时，钻孔岩壁切向应力 逐渐下降为拉应力状态，随着液压 Pw的增加，拉应力也逐渐增加，当拉应力等于 或大于围岩的抗拉强度 t时，钻孔岩壁出现裂缝。这时承压段的液压就是破裂压力Pb。因此，钻孔承压段周围岩壁围岩产生破裂 (不考虑孔隙水压力)的应力条件为：3 h H R t 0 (9)在深层岩体中，还存在孔隙水压力 Po，因此，岩体中的有效应力 为 Po。考虑岩体中的孔隙水压力等作用， 钻孔承压段周围岩壁围岩 产生破裂的应力条件为(海姆森)：(io)式中，

21、K为孔隙渗透弹性参数，可在试验室确定，其变化围为1 K 2。对非渗透性岩石，K值近似等于1,则上式可简化为Pb Po 3 h H 2 Po t(11) 钻孔周壁围岩破裂以后， 立即关闭压裂泵，这时维持裂缝开的瞬 时关闭压力Ps与裂纹面相垂直的最小水平主应力 h得到平衡，有：h Ps (12)根据式(11)，最大水平主应力 h为：(13)当钻孔周边围岩第一次破裂以后 (破裂压力为Pb)，对钻孔进行 重复注液压至破裂缝继续开，这时的压力为重压力 Pr。由于围岩已经破碎，它的抗拉强度近似为零，根据式 (11)，重压力为：Pr 3 h H P0(14)因此，式(13)为：H 3Ps P r P0(15

22、)由于测量过程中，一般把测量仪表和压力传感器放在地面上，测 量值实际上为各压裂参数特征值 Pb、Pr和FS的名义值Pb、Pr和R,考虑到静水压力Ph影响，压裂参数特征值和名义值之间符合以下关 系：Pb Pb PhPr Pr P HPs Ps PhPH 水H(16)式中，水为水的重度，H为测试点深度。考虑到测试钻孔的静水位一般在孔口，测试段的孔隙水压力 Po 一般取值为测试段到地面的静水压力 Ph。将(12)、( 15)式的Pr和Ps用 Pr和Ps代入后有：h PS Fhh 3(Ps Ph) (Pr Ph) Po 3Ps Pr 2Ph P。 (17)综上所述，水压致裂法地应力测量中， 根据试验过

23、程中得到的Pb、Pr、Ps、Po即可以由式(17)确定钻孔最大、最小水平主应力大 小，同时可以根据印模器记录的裂纹破裂方向确定最大水平主应力方向。3.2水压致裂法地应力测量的主要设备水压致裂法地应力测量的主要设备由三个部分组成：一是钻孔承压 段的封隔系统，它由串连在一起的两个封隔器组成。跨接封隔器座封之 后，在两个封隔器之间形成一个钻孔承压段的空间，承受逐渐增大的液 压。二是加压系统，包括大流量高压力的液压泵，对封隔器和钻孔承压 段分别加压的管路系统以及地面上可以自由控制压力液体流向的推拉 阀；三是测量和记录系统，包括函数记录仪、压力传感器、流量传感器、 压力表等。SYY- 56型小孔径水压致

24、裂地应力测量装置根据深部矿井井下特点，采用小孔径 （56mm,不仅可减小高地 应力条件下测量钻孔的变形，而且可显著减少测量设备重量，提高测 量速度，实现快速测量。具体指标如下：测量钻孔直径为 （56 士 2） mm最大深度为30 m;最大水压为40 MPa;定位精度为士 3。根据上述测量指标，测量仪器为开采所自行开发的 SYY -56型小孔径水压致裂地应力测量装置。采用小孔径钻孔 （56 mm），可在井下进行快速、大面积地应力测量。同一钻孔还可以用于巷道围岩强度测 量（图3.2、3.3）。该仪器由分隔器、印模器、定位器、超高压泵站、 储能器、隔爆油泵及记录仪等部件组成。轻便灵巧，性能稳定，非常

25、 适合井下快速测量工作。记厂J 计1图3.2水压致裂地应力测量示意图3.3 SYY -56型小孔径水压致裂地应力测量装置3.3水压致裂法测试步骤水压致裂法地应力测量的压力管路系统分双管加压系统和单管加 压系统。双管加压系统的管路是高压油管和钻杆，试验过程中，通过高 压油管和钻杆对封隔器和钻孔压力段加压。单管加压系统的管路是钻 杆，试验过程中，依靠安装在钻孔孔口的推拉阀控制压力液体的流向， 分别对封隔器和钻孔压裂段加压。本次试验中采用单管系统。水压致裂法地应力测量的具体方框图如图 4.3所示，相应的压裂过程曲线如图4.4。在进行正式水压致裂测试之前，必须对钻孔的透水率、钻孔倾斜 度等进行检查，同

26、时根据工程的需要选择合适的压裂段 ，并对每根加压钻杆进行密封检验。水压致裂法测试步骤如下：(1)座封：通过钻杆将两个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段，加压使其膨胀、座封于孔壁上，形成承压段空间 (本次试验中座封压力为4MPa)。(2)注水加压：通过钻杆推动转换阀后，液压泵对压裂段注水加 压(此时封隔器压力保持不变)，钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。(3)岩壁致裂：在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小的方向出现破裂，该破裂将在垂直于横截面上最小主应力的平面延伸。与之 相应，当泵压上升到临界破裂压力 Pb后，由于岩石破裂导致压力值急剧下降。(4)关泵：关闭压力泵后，泵压迅速下降，然后随着压裂液

27、渗入 到岩层泵压下降缓慢。当压力降到使裂缝处于临界闭合状态时的压力，即垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力，称 为瞬时关闭压力Ps。(5)卸压：打开压力阀卸压，使裂缝完全闭合，泵压记录降为零(6)重：按2至5步骤连续进行多次加压循环，以便取得合理的 压裂参数，以判断岩石破裂和裂缝延伸的过程。(7)解封：压裂完毕后，通过钻杆拉动转换阀，使封隔器液体通 过钻杆排出，此时封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封。(8)破裂缝方向记录：采用定向印模器，通过扩印模胶筒外层的 生橡胶和能自动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。图3.4水压致裂法地应力测量程序4测试结果4.1参数确定压力参数Pb、R、

28、Ps （或压裂参数名义值R、Pr和Ps）和Po是水 压致裂法地应力测量计算地应力量值的依据，通常根据压裂过程曲线 特征的位置确定。一般地，破裂压力 Pb取为第一次压裂循环增压曲线的峰值。重压力Pr采用第二次及其以后压裂循环曲线压力上升部分拐 点处的压力。由于压力上升部分曲线变化较陡， 也可以把偏离直线（或近似直线）处的压力视为重压力，如图5.1所示。对于瞬时关闭压力Ps 通常采用破裂压力和重压力之后压裂循环曲线下降部分拐点处的压 力。对于拐点不明显的情况，可采用切线法和双切线法，如图 5.2所示。岩体孔隙水压力P.可采用孔隙水压力计测量确定。 实测结果表明， 一般情况下，岩体中的孔隙水压力大体

29、相当于静水压力，因此，在没 有实际测量孔隙水压力的情况下可以用该测段的静水压力代替孔隙 水压力。本项目中采用各钻孔测段的静水压力代替孔隙水压力，计算 式为：R水H，其中，水为水的重度，H为岩层深度。同时，根据上述章节的分析，钻孔各测段的垂直向主应力确定为： H，式中， 为岩层的重度，取为 26000N/mL H为岩层深度。图5.1 依据压力循环曲线确定Ps、p示意图图5.2 拐点法、切线法以及双切线法确定 Ps示意图4.2现场实测421水压致裂地应力测试成果对岩体能够满足试验条件部位都进行了水压致裂地应力试验，并各测段压力时间曲线如图4.1 , 地应力测量破裂缝代表性记录见图 4.2表4.1 水压致裂成果表深度/m破 裂 压 力 Pb/MPa重压力Pr/MPa关闭压力Ps/MPa水头压力Ph/MPa孔隙压力Po/MPa抗拉强度MPa最大 水平 主应 力H/MPa最小 水平 主应 力h/MPa垂直 应力v/MPa最大水平主应力方向