CN101162177A - 一种测量地应力的方法 - Google Patents

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周小平
杨海清
曹维勤
隆向阳
卢萍
张文如
刘庆义
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Abstract

本发明涉及一种测量地应力的方法，包括如下步骤：1)确定节理、断层的产状，将最近的同序次节理和裂隙绘于赤平投影图上；2)将岩层层面以其走向线为旋转轴，向倾向方向旋转至水平位置，旋转角等于层面的倾角，同时节理和裂隙绕层面走向线旋转到水平状态，找出共轭X形节理，再将共轭X形节理和层面从水平状态旋转到原来状态，再在赤平投影图上确定地应力的三个方向；3)沿地应力的三个方向钻孔取样，每个方向取5－7个样；4)在室内做岩样的声发射实验，对岩石的声发射信号进行Db4小波分析，从而确定岩石声发射Kaiser点，根据岩石声发射Kaiser点确定地应力的大小。本发明取样的数量少、成本低，地应力的测量进度快，使地应力的测量更加方便和快捷。

Description

一种测量地应力的方法
技术领域
本发明涉及一种测量地应力的方法，具体说是一种地质力学结合声发射信号Db4小波分析技术测量地应力的方法
背景技术
岩石声发射凯塞效应测量地应力与传统的应力解除法、水力压裂法相比，具有简单、直观、经济的优点，便于大量测试，以寻求区域性地应力变化规律。因此，该法是一种很有前途的地应力测量方法。但是凯塞效应测量地应力还存在许多的问题，尚待进行深入的研究，其中与生产实际联系最为密切也是最关键的是地应力的方向如何确定的问题。以往人们使用凯塞效应测量原岩应力需要180度的范围内进行全方位测试(一般每隔5度取样)，因此试样数量多，测试工作量大，费用高；同时，由于多周期构造运动的作用，使岩体的构造发生了变化，也使区域内的构造应力或原岩应力的大小、方向发生了量和质的变化。而以往所进行的凯塞效应测定原岩应力均在水平或垂直方向取样，故可能所取得试样中无一是真正处在主应力方向上的，由此测试所得的结果也应是地应力场的一个分量，与真正的原岩应力值就会有一定的差别，甚至相去甚远。正是这些原因，大大影响了凯塞效应测量原岩应力这种方法在实际中的运用，不能充分发挥其简单、经济、便于多点测量以寻求区域地应力变化规律的优点。
发明内容
本发明要解决的就是上述凯塞效应测量地应力方法所存在的问题，提供一种简单、直观、经济和高效的测量地应力的方法。
本发明包括如下步骤：
1)对岩体工程进行工程地质调查，确定节理、断层的产状，根据地质力学判断次序的方法判断节理、裂隙的先后次序，然后将最近的同序次节理和裂隙绘于赤平投影图上；
2)将岩层层面以其走向线为旋转轴，向倾向方向旋转至水平位置，旋转角等于层面的倾角，同时节理和裂隙绕层面走向线旋转到水平状态，找出共轭X形节理，再将共轭X形节理和层面从水平状态旋转到原来状态，再在赤平投影图上确定地应力的三个方向，即最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3的方向；
3)沿地应力的三个方向钻孔取样，岩样取自6米以外的原岩应力区，每个方向取5-7个样；
4)在室内做岩样的声发射实验，对岩石的声发射信号进行Db4小波分析，从而确定岩石声发射Kaiser点，根据岩石声发射Kaiser点确定地应力的大小。
步骤2)所述地应力方向的具体确定方法如下：
岩体在构造应力作用下，发生两种形式的断裂：张性断裂和剪切断裂。
(1)张性断裂产生于最小主应力σ3方向，即最大张引方向的垂直面上。也就是说，张性断裂面与σ1和σ2的应力轴面的方向一致；因此只要通过工程地质调查确定了张性断裂的产状，即张性断裂的走向、倾向和倾角，那么地应力的三个方向，即最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3的方向可以确定。
(2)剪切断裂产生于最大主应力σ1方向呈(45°-φ/2)角的平面上，(φ是岩体的内摩擦角，大致是30度，可以通过室内三轴压缩实验确定)，与σ1和σ3轴面相互垂直，并且呈共轭发育。其夹角之锐角的等分面为σ1和σ2的轴面，其夹角之钝角的等分面为σ2和σ3的轴面，它们的组合交线的方向与中间主应力轴σ2的方向平行。因此只要通过工程地质调查确定了剪切断裂的产状，即剪切断裂的走向、倾向和倾角，那么地应力的三个方向，最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3的方向可以确定(如图1所示)。
步骤3)-4)所述地应力大小的具体确定方法如下：
利用钻机自6m以外的原岩应力区钻取岩样，岩芯样直径φ52～55mm，每个方向上取7个(长度100mm)；岩芯加工成φ52～55mm×100mm的圆柱形试件，侧面磨平一块面积约为15mm×100mm的平面以放置探头。为了消除岩石试件端部由于应力集中及端面摩擦所引进的信号干扰，试件端面垫两层聚氯乙烯和一层2mm厚硬橡胶皮片。
测试设备包括：
1)加载系统——200t压力试验机，BHR-4/15T电阻时荷载传感器。
2)AE测试系统——探头、SQ-1型前置放大器、滤波器、SFS-4B型四通道声发射信息分析仪、XD-2型信号发生器。
3)变形测量系统——YD-15动态电阻应变仪。
4)数据记录系统——LZ4-304型函数记录仪。
测试方法：将侧壁已经贴好声发射探头的岩芯试件放置在加载系统中，然后在试件端面垫两层聚氯乙烯和一层2mm厚硬橡胶皮片，加载直到岩芯破坏，在加载过程中自动记录岩芯声发射频率。
试件加载之初往往亦有较密集的声发射活动和能量反映。除噪声干扰外，还有由于试件端部的摩擦效应所引起的和岩石内原有裂纹闭合期间的结构调整而发出的噪音。所以，加载之初的声发射活动给我们带来了正确判断岩石凯塞效应的难度。为此，本发明利用Db4小波基对原始信号进行分析，除去声发射信号中夹杂的噪音信号，还原了真正的岩石声发射信号，实现了“初裂点”即选取的凯塞效应点的确定(如图2)。这样地应力的大小可以确定。
本发明取样的数量较现有方法大大减少，降低了测量地应力的成本，同时加快了地应力测量的进度，使地应力的测量更加方便和快捷，使测量地应力容易控制和操作。因此本发明是一种简单、直观、经济和高效的测量地应力的方法
附图说明
图1为断裂形成的力学机制示意图。
图2a为Db4小波变换后栖霞灰岩岩样的声发射信号图。
图2b为Db4小波变换后黄龙灰岩岩样的声发射信号图。
图3为Db4小波变换后南京某矿岩石的声发射信号图。
图4为Db4小波变换后铜坑矿细脉带岩石的声发射信号图。
具体实施方式
实施例1  南京某矿地应力的确定：
(1)南京某矿地应力方向的确定：
表1是南京某矿节理和断层的产状情况。由于岩层层面、断层F2和节理J1的产状基本相似，根据地质力学知识，断层F2和节理J1不可能是X共轭节理，故可以去掉断层F2和节理J1。将岩层层面以其走向线为旋转轴，向NW方向旋转至水平位置，旋转角等于层面的倾角75°，将岩层恢复到原水平面位置，翻转后可判断出同序次的成对的X共轭节理为J3和J4，即可确定它们为平面X断裂。这两组节理相交的锐角平分线为最大主应力σ1的方位，钝角平分线为最小主应力σ3的方位，两节理的交线所示的方向即为中间主应力σ2的方位。当岩层倾角为75°时，将X共轭节理J3和J4向SE方向旋转，其旋转角为75°，作J3和J4两组节理相交的锐角平分线，得最大主应力σ1的方位；作J3和J4两组节理相交的钝角平分线，得最小主应力σ3；作J3和J4两节理的交线，得中间主应力σ2的方位。最后，这个侧面X断裂形成的应力场特征为：σ1方位角120°，倾角-23°；σ2方位角245.8°，倾角64.2°；σ3方位角195.5°，倾角120°。
表1与地应力方向与关的节理、断层产状
  编号   走向     倾向     倾角
  J1J2J3J4F2岩层层面   N48°~65°EN39°~59°E305°~335°301°~325°N44°~77°EN55°E     NWSENESWNWNW     69°~83°62°~87°51°~68°57°~79°80°75°
(2)地应力大小的确定
在确定地应力方向后，利用钻机沿地应力三个方向取样，岩样要求取自6m以外得原岩应力区，然后对岩样做岩石得声发射实验，将声发射信号进行Db4小波变换。最后，通过如图3的应力和能量的关系图可以确定AE点(即凯塞效应点)，地应力大小的结果如表2。
表2地应力数据
序号 编号   尺寸   加载速率mm/min 最大荷载/KN   单轴抗压强度/MPa 地应力/MPa 权数Mj   地应力平均值/MPa
直径/mm 高度/mm
σ1σ2σ3  1-31-41-81-111-121-51-71-21-11-91-61-111-10   49.3649.4249.4649.5449.3849.4449.4049.2549.4649.3649.3649.5649.42     88.78100.9085.88101.0885.2267.0071.1470.1096.1596.86100.1289.56100.60   0.050.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.025   107.625148.81386.125114.18081.20364.96973.50874.46775.89109.00896.4394.55123.633   56.24477.57944.82659.23642.40133.84238.3838.7939.52656.96650.2849.2464.478  26.02836.70841.69522.07619.94811.43518.99519.89412.5468.9219.1747.6536.895   1.01.00.51.00.51.00.50.51.01.00.510.5 28.90814.4758.1601
(3)测试结果
对表2进行优化处理后的结果为下表：
表3本发明测量地应力的优化结果
    应力符号     应力值/MPa     方位角/(°)     倾角/(°)
    σ1     28.908     120     -23
    σ2     14.475     245.8     64.2
    σ3     8.1601     195.5     120
(4)本方法的结果和孔壁应力解除法比较
将以上结果与现场孔壁应力解除法测量结果进行比较分析，见表4。
表4应力解除法原岩应力测量结果
    应力符号     应力值/MPa     方位角/(°)     倾角/(°)
    σ1     27.492     101.3     -22.92
    σ2     16.186     242.9     63
    σ3     8.343     185.4     117.19
从表3和表4可以知道，本发明的结果和孔壁应力解除法很相近。但是孔壁应力解除法和本发明相比，孔壁应力解除法试验条件差，成本高，操作困难的缺点。本发明具有成本低，操作简便和试验条件好等优点。
实施例2：大厂铜坑矿细脉带矿体地应力的确定
(1)地应力方向的确定
根据对-570m中段细脉带所做的工程地质分析结果，便知层面走向为N80°E，倾向NW，倾角25°。而将岩层恢复到原水平面位置翻转后可判断出同序次的成对的X共轭节理J14和J15(见表5)。这两组节理相交的锐角平分线为最大主应力σ1的方位，钝角平分线为最小主应力σ3的方位，两节理的交线所示的方向即为中间主应力σ2的方位。当岩层倾角为25°时，将X共轭节理J14和J15向SE方向旋转，其旋转角为25°，作J14和J15两组节理相交的锐角平分线，得最大主应力σ1的方位；作J14和J15两组节理相交的钝角平分线，得最小主应力σ3；作J14和J15两节理的交线，得中间主应力σ2的方位。最后，这个侧面X断裂形成的地应力方位为：σ1走向为N27°W，倾角为-24°；σ2走向为S9°E，倾角为-64°；σ3走向为N66°E，倾角为-6°。
表5旋转后结构面产状
    编号     走向     倾向     倾角/()     编号     走向     倾向     倾角/()
    J1     N51E     NW     83     J19     N1W     NE     72
    J2     N69E     NW     80     J20     N70E     NW     75
    J3     N3E     NW     85     FJ21     N17W     NE     82
    J4     N39W     NE     56     FJ22     N10W     NE     78
    J5     N56W     NE     51     J23     N66E     NW     76
    J6     N32W     NW     88     J24     N22E     SW     67
    J7     N21W     NE     64     J25     N54E     SW     72
    J8     N71W     NW     85     J26     N71W     NE     73
    J9     N61W     NW     86     J27     N14W     NE     55
    FJ10     N2W     NE     65     J28     N44E     NW     75
    FJ11     N25W     SW     46     J29     N57W     NW     62
    J12     N80W     NE     76     J30     N4W     SW     79
    J13     N81W     SE     85     J31     N49W     NE     63
    J14     N12W     90     J32     N26W     NE     73
    J15     N57E     90     J33     N30E     SW     88
    J16     N80W     NE     81     J34     N45E     NW     59
    J17     N70E     NW     75     J35     N80E     SW     78
    J18     N77W     NE     50     J36     N4E     NW     50
(2)地应力大小的确定
在确定地应力方向后，利用钻机沿地应力三个方向取样，然后做岩样的声发发射实验，将声发射信号进行Db4小波变换，最后，通过如图4的应力和能量的关系图可以确定AE点(即凯塞效应点)，地应力大小的结果如表6。
表6大厂矿务局铜坑矿地应力数据
  应力方向     试件编号     面积/cm2     Pk/kN     σ/MPa     权数M
  σ1     A1     22.87     50.0     21.87     0.5
    A2     22.86     54.3     23.87     0.5
    A3     23.08     50.5     21.87     0.5
    A4     23.08     48.9     21.19     1.0
    A5     22.91     55.4     24.17     0.5
  σ2     B1     22.98     38.0     16.54     0.5
    B2     23.03     35.1     15.24     1.0
    B3     22.92     32.0     13.91     0.5
    B4     22.92     44.8     19.54     0.5
    B5     22.85     31.5     13.78     1.0
  σ3     C1     22.61     14.1     6.23     1.0
    C2     22.97     11.2     4.87     1.0
    C3     20.72     9.3     4.49     0.5
    C4     22.97     16.0     6.97     1.0
由于大厂铜坑矿细脉带矿体的原岩主应力是以水平构造应力为主，水平应力值大大超过垂直应力。对表6进行优化后，最大主应力σ1为22.5MPa，方位为333°，倾角-24°；最小主应力σ3为6.23MPa，方位为171°，倾角-64°；最大主应力σ2为15.57MPa，方位为66°，倾角-6°。
将以上结果与长沙矿山设计研究院1985年对大厂铜坑矿-570m中段细脉带91号矿体现场孔壁应力解除法测量结果进行比较分析，见表7和表8。
(3)和孔壁应力解除法测量结果进行比较
表7本发明测量地应力的优化结果
    应力符号     应力值/MPa     方位角/(°)     倾角/(°)
    σ1     22.53     N27W     -24
    σ2     15.57     N66E     -6
    σ3     6.23     S9E     -64
表8应力解除法91号矿体原岩应力结果
    应力符号     应力值/MPa     方位角/(°)     倾角/(°)
    σ1     25.4     333     0
    σ2     17.1     63     0
    σ3     7.3     325     90
从表7和表8可以知道：该方法和孔壁应力解除法结果接近，但是孔壁应力解除法试验条件差，成本高，操作困难的缺点。本发明具有成本低，操作简便和试验条件好等优点。因此本发明是一种简单、直观、经济和高效的测量地应力的方法。

Claims (5)

1.一种测量地应力的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)对岩体工程进行工程地质调查，确定节理、断层的产状，根据地质力学判断次序的方法判断节理、裂隙的先后次序，然后将最近的同序次节理和裂隙绘于赤平投影图上；
2)将岩层层面以其走向线为旋转轴，向倾向方向旋转至水平位置，旋转角等于层面的倾角，同时节理和裂隙绕层面走向线旋转到水平状态，找出共轭X形节理，再将共轭X形节理和层面从水平状态旋转到原来状态，再在赤平投影图上确定地应力的三个方向，即最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3的方向；
3)沿地应力的三个方向钻孔取样，岩样取自6米以外的原岩应力区，每个方向取5-7个样；
4)在室内做岩样的声发射实验，对岩石的声发射信号进行Db4小波分析，从而确定岩石声发射Kaiser点，根据岩石声发射Kaiser点确定地应力的大小。
2.如权利要求1所述测量地应力的方法，其特征在于地应力方向按如下方式确定：
(1)张性断裂：张性断裂产生于最小主应力σ3方向，即最大张引方向的垂直面上，也就是说，张性断裂面与σ1和σ2的应力轴面的方向一致；因此只要通过工程地质调查确定了张性断裂的产状，即张性断裂的走向、倾向和倾角，那么地应力的三个方向，即最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3的方向可以确定；
(2)剪切断裂：剪切断裂产生于最大主应力σ1方向呈(45°-φ/2)角的平面上，与σ1和σ3轴面相互垂直，并且呈共轭发育，其夹角之锐角的等分面为σ1和σ2的轴面，其夹角之钝角的等分面为σ2和σ3的轴面，它们的组合交线的方向与中间主应力轴σ2的方向平行；前述φ是岩体的内摩擦角；因此只要通过工程地质调查确定了剪切断裂的产状，即剪切断裂的走向、倾向和倾角，那么地应力的三个方向，最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3的方向可以确定。
3.如权利要求1所述测量地应力的方法，其特征在于步骤3)每个方向上取7个长度为100mm的岩样，所取岩芯样直径为52～55mm，加工成圆柱形试件。
4.如权利要求3所述测量地应力的方法，其特征在于岩样试件的侧面磨平一块面积约为15mm×100mm的平面，以放置声发射实验的探头。
5.如权利要求1所述测量地应力的方法，其特征在于步骤4)所述声发射实验是将侧壁已经贴好声发射探头的岩样试件放置在加载系统中，然后在试件端面垫两层聚氯乙烯和一层2mm厚硬橡胶皮片，加载直到岩样破坏，在加载过程中自动记录岩样声发射频率。
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