CN112100842A - 一种识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于原岩应力测量技术领域，公开了一种识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，测量参考点的原岩应力，每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，对整个待测区域内的原岩应力进行计算，并绘制出该区域内的原岩应力区域分布图；将布置的待测点位置标记在原岩应力区域分布图中；钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样；采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力，若测量结果与插值反演结果相差较大，将该点记录为原岩应力异常点，并使用套孔应力解除法测量该点的原岩应力。本发明经济费用较低、技术适用性强、施工环境简单，可以有效降低经济成本及工作量，能够为地下岩石工程的设计优化及稳定性计算提供基础数据。

Description

一种识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法

技术领域

本发明属于原岩应力测量技术领域，尤其涉及一种识别地应力异常区及大 范围测量地应力的新方法。

背景技术

目前，地层在长期的重力和构造运动作用下，形成了复杂的地应力场，这 种未被扰动的地应力被称为天然应力，也称为初始应力、原岩应力。它是引起 各种地下岩石工程围岩变形和破坏的根本作用力，是决定工程岩体物理力学属 性的最重要因素之一。只有在获得地下岩石工程所在区域的原岩应力信息后， 才能对岩石工程的稳定性进行计算分析，进而实现对岩石工程的开挖设计优化 及其稳定性评价。由于原岩应力只能通过测量的方法获得，地应力测量方法一 直是岩石力学领域重要研究方向，目前原岩应力典型的测量方法主要有以下四 种：

(一)，套孔应力解除法

该方法是通过钻孔岩芯脱离母岩体测量岩芯变形，进而计算得到原岩应力 的一种方法。主要步骤如下：(1)通常是从地下隧道、巷道及硐室等开挖岩体 表面钻取大钻孔，钻孔深度一般是开挖断面最大尺寸的3倍以上；(2)大钻孔 达到预定深度磨平孔底后，继续打同心小钻孔，供安装传感器使用；(3)传感 器安装固定后，大钻头继续钻进超过小钻孔深度，使套孔岩芯完全脱离母岩体， 应变仪记录下整个套孔过程中传感器所有应变值；(4)将套孔岩芯放至率定仪 中，测量、计算得到岩芯的弹模及泊松比，最终计算得到套孔处的原岩应力。 套孔应力解除法是目前测量精度最高、广为应用的地应力测量方法，该方法对 工作环境条件、施工要求相对苛刻，测量过程复杂，测试成本相对较高，通常 只能对重要的岩石工程若干点进行测量。

(二)，水压致裂法

M.K.Hubbert和D.G.Willis通过实践发现：水压致裂裂隙尺寸与原岩应力 之间存在一定的关系，C.Fairhurst和B.C.Haimson根据这一发现，将其应用 到地应力测量领域中，取得了较好的测量效果。目前主要应用于尚未形成地下 空间的深部地应力测量。主要步骤如下：(1)将钻孔钻探到待测原岩应力位置 处，并将与钻孔直径一致的封隔器放置于钻孔中待加压段，对加压段进行密封 处理；(2)利用高压水对两个封隔器之间的隔离段进行注射，不断增大水压强 度直至岩石孔壁内出现开裂裂纹，此时的水压便是初始开裂强度；然后继续增 大水压强度，让岩石孔壁的开裂裂纹继续扩展，当裂隙扩展至约为直径的3倍 尺寸时，关闭高压注水系统，保持水压恒定，此时的水压强度为关闭强度，最 后进行卸载操作，使开裂裂纹闭合；(3)再次向密封段注射高压水，在高压水 力强度作用下，钻孔内的岩石开裂裂纹再次打开，记录此时压力和随后的恒定 关闭压力；(4)将封隔器完全卸载，连同加压管等设备，将其从钻孔内部取出； (5)测量水压致裂裂隙和钻孔试验段内部的天然节理、裂隙位置、方向和大小； (6)根据记录的水压强度等参数，通过计算得到水平与垂直方向的应力值。由 于该方法是假定水平与垂直方向为主应力方向，因此难以获得实际的原岩应力， 同时成本昂贵，一般仅使用于大型岩石工程施工设计前原岩应力的粗略测量。

(三)，声发射法

岩石卸载后再次进行加载，在应力未达到先前最大应力时，声发射事件相 对较少，而超过先前最高应力水平后，则会有大量声发射事件产生，这一现象 称为Kaiser效应。声发射法就是利用Kaiser效应测量地应力。主要步骤如下： (1)测点处沿六个不同方向钻取岩芯，记录该六个方向的方位角及倾角，将钻 孔岩芯加工成高径比为2:1～3:1圆柱试件；(2)将加工的岩石试件在实验室内 进行单轴压缩试验，并利用声发射设备采集岩样加载过程中的声发射事件；(3) 对试验过程中的声发射事件及应力试验参数进行分析，并绘制出声发射事件-应 力曲线，确定沿六个钻孔方向的岩样Kaiser效应点，得到该方向的原岩应力值， 进而实现对原岩应力大小和方向的确定。声发射法测试成本相对较低，施工相对简单，但是测量的可靠性较差，精度有限。

(四)，地球物理探测法

常用的原岩应力地球物理探测方法主要有：声波观测法、超声波谱法。

声波观测法主要根据纵波的传播速度与振幅随着岩体中应力状态而发生定 量变化这一原理，实现对岩体中地应力进行测量。声波观测法主要有以下几个 步骤：(1)选择岩性及结构面较为简单的位置，作为声波发射点；(2)以发 射点为中心，向四周布置检波器，对声波进行监测，组成监测网；(3)对采集 的声波数据进行处理，然后计算出各点的原岩应力状态。

超声波谱法主要依据剪切波在岩石内部传播过程中具有双折射性，其双折 射率就是岩石内部的应力函数这一原理，实现对岩体中地应力进行测量。超声 波谱法主要有以下几个步骤：(1)对岩体内部进行打钻，使用剪切波发生仪器 向钻孔内部发生偏振剪切波，并接受该波在钻孔中的传播信号；(2)根据采集 的数据进行处理，然后计算出各点的原岩应力状态。

地球物理探测方法适用于岩性相对简单且均质性较好、没有大的构造结构 面岩体中的地应力测量，但是实际岩石工程中的岩性及其结构面复杂性是无法 避免的，因此地球物理探测方法的局限性较大，测量的可靠性与精度难以得到 保证。

目前，常用的测量方法都具有一定局限性，如：环境条件要求高、测量成 本昂贵、现场施工困难、测量可靠性较差等。目前对大范围原岩应力的识别及 测量传统处理方法主要存在以下缺点：

套孔应力解除法是目前测量精度最高、广为应用的地应力测量方法，该方 法对工作环境条件、施工要求相对苛刻，测量过程复杂，测试成本相对较高， 通常只能对重要的岩石工程若干点进行测量。

由于该方法是假定水平与垂直方向为主应力方向，因此难以获得实际的原 岩应力，同时成本昂贵，一般仅使用于大型岩石工程施工设计前原岩应力的粗 略测量。

声发射法测试成本相对较低，施工相对简单，但是测量的可靠性较差，精 度有限。

地球物理探测方法适用于岩性相对简单且均质性较好、没有大的构造结构 面岩体中的地应力测量，但是实际岩石工程中的岩性及其结构面复杂性是无法 避免的，因此地球物理探测方法的局限性较大，测量的可靠性与精度难以得到 保证。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有套孔应力解除法对工作环境条件、施工要求相对苛刻，测量过程 复杂，测试成本相对较高，通常只能对重要的岩石工程若干点进行测量。

(2)现有水压致裂法成本昂贵，一般仅使用于大型岩石工程施工设计前原 岩应力的粗略测量。

(3)声发射法测量的可靠性较差，精度有限。

(4)地球物理探测方法局限性较大，测量的可靠性与精度难以得到保证。

解决以上问题及缺陷的难度为：上述测量方法的缺陷是理论基础导致的， 目前，科学水平还达不到理论突破的高度，因此无法从理论进行突破解决以上 问题及缺陷。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明通过现有技术组合方式，扬长避短， 尽可能地降低工作成本及施工难度，实现低成本、快速高效地识别原岩应力异 常区及大范围原岩应力测量，为地下岩石工程设计与建设提供重要的基础数据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种识别地应力异常区及大范围 测量地应力的新方法。

本发明是这样实现的，一种识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方 法，包括以下步骤：

步骤一，利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力。

步骤二，对每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，利用插值反演的 方法对整个待测区域内的原岩应力进行计算，绘制出当前区域内的原岩应力区 域分布图。

步骤三，在大范围区域内布置原岩应力待测点，并将布置的待测点位置标 记在原岩应力区域分布图中。

步骤四，钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样。

步骤五，采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力及识别原岩应 力异常点，并在图中标记出每个原岩应力异常点的位置。

进一步，步骤一中，所述利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力包括：

(1)于待测区域选取数个参考点；

(2)利用套孔应力解除法中的空心包体应变法对选取的参考点原岩应力进 行测量；

(3)记录测量得到的参考点的原岩应力大小和方向，将其所在位置详细地 标记在待测区域的地形图中。

进一步，步骤(2)中，所述利用套孔应力解除法中的空心包体应变法对选 取的参考点原岩应力进行测量包括：

基于套孔中的小孔变形或应变量根据空心包体应变测量应力计算原理测算 出参考点原岩应力大小及方向。

进一步，步骤三中，所述原岩应力待测点位布置包括：

以参考点为中心向四周辐射的形式对待测区域进行点位布置，各个待测点 之间距离为100m。

进一步，步骤四中，所述钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样包 括：

在待测位置处的六个不同方向制备岩石试件，对各个方向岩石试件的声发 射Kaiser效应进行分析，于每个方向上取10-20块岩样。

进一步，步骤五中，所述采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应 力包括：

1)测量待测点的原岩应力；

2)通过声发射参数曲线识别裂纹闭合阶段与线弹性变形阶段是否出现 Kaiser效应点；若裂纹闭合阶段与线弹性变形阶段出现Kaiser效应点则将测得 的应作为原岩应力；若未出现，则利用套孔应力解除法对待测点进行原岩应力 测量；

3)绘制岩芯试件的全应力-应变曲线及特征应力点，结合特征应力点，进行 综合分析。

进一步，步骤五中，如果试验得到的Kaiser效应点位于闭合应力与起裂应 力之间，即弹性阶段，则为有效；如果试验得到的Kaiser效应点位于起裂应力 与损伤应力之间，即裂纹稳定扩展阶段，将会出现Felicity效应，若在该应力区 间的前60％，则仍可作为有效测量值；若是声发射Kaiser效应测量的原岩应力 与原岩应力区域图计算应力相差较大，将该点记为原岩应力异常点，并使用套 孔应力解除法对该点的原岩应力进行准确地测量。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器 和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行 时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力；

对每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，利用插值反演的方法对整 个待测区域内的原岩应力进行计算，绘制出当前区域内的原岩应力区域分布图， 并在图中标记出每个原岩应力异常点的位置；

在大范围区域内布置原岩应力待测点，并将布置的待测点位置标记在原岩 应力区域分布图中；

采用钻取声发射法测量地应力所需岩样；

采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序， 所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力；

对每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，利用插值反演的方法对整 个待测区域内的原岩应力进行计算，绘制出当前区域内的原岩应力区域分布图， 并在图中标记出每个原岩应力异常点的位置；

在大范围区域内布置原岩应力待测点，并将布置的待测点位置标记在原岩 应力区域分布图中；

采用钻取声发射法测量地应力所需岩样；

采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的识别地应力异常区及大范围测 量地应力的新方法的识别地应力异常区及大范围测量地应力的探测仪器。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明针 对传统技术的缺点，提出了经济费用相对较低、技术适用性较强、施工环境相 对简单的识别原岩应力异常区及测量大范围原岩应力的新方法。本发明提出的 识别原岩应力异常区及大范围原岩应力测量的新方法，利用裂纹体积应变法、 特征应力法、声发射法、套孔应力解除法及插值反演方法对原岩应力异常区进 行识别及大范围原岩应力测量。通过使用裂纹体积应变法确定岩芯试件的特征 应力区间，将岩芯的特征应力区间与声发射的Kaiser效应点联系起来对岩芯的 原岩应力进行测量，进而提高原岩应力测量的精度及可靠性；同时利用特征应 力与声发射相结合的方法替代大范围区域内使用套孔应力解除法测量原岩应 力，可以有效地降低经济成本及工作量；利用插值法对测得的原岩应力进行反 演，进而得到待测区域内的原岩应力测量网络，且在原岩应力测量网络中详细 地标记出原岩应力异常区的位置，可以有效地降低工作量及经济成本；本发明 提出的识别原岩应力异常区及大范围原岩应力测量的新方法，旨在掌握大范围 工程区域原岩应力分布规律，为地下岩石工程的设计优化及稳定性计算提供基 础数据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方 法流程图。

图2是本发明实施例提供的岩石Kaiser效应有效区间范围示意图。

图3是本发明实施例提供的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方 法原理图。

图4是本发明实施例提供的各参考点套孔应变值的示意图。

图5是本发明实施例提供的待测点的声发射法测得某方向原岩应力值的示 意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种识别地应力异常区及大范围 测量地应力的新方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的识别地应力异常区及大范围测量地应力 的新方法包括以下步骤：

S101，利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力。

S102，对每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，利用插值反演的方 法对整个待测区域内的原岩应力进行计算，绘制出当前区域内的原岩应力区域 分布图。

S103，在大范围区域内布置原岩应力待测点，并将布置的待测点位置标记 在原岩应力区域分布图中。

S104，采用钻取声发射法测量地应力所需岩样。

S105，采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力及识别原岩应力 异常点，并在图中标记出每个原岩应力异常点的位置。

如果试验得到的Kaiser效应点位于闭合应力与起裂应力之间，即弹性阶段， 则为有效；如果试验得到的Kaiser效应点位于起裂应力与损伤应力之间，即裂纹 稳定扩展阶段，将会出现Felicity效应，若在该应力区间的前60％，则仍可作为有 效测量值；若是声发射Kaiser效应测量的原岩应力与原岩应力区域图计算应力相 差较大，将该点记为原岩应力异常点，并使用套孔应力解除法对该点的原岩应 力进行准确地测量。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的识别原岩应力异常区及大范围原岩应力测量的方法主 要通过以下技术方案实现：

第一：参考点的原岩应力测量

首先在待测区域选取数个不同深度及位置的参考点；其次利用套孔应力解 除法中的空心包体应变法对该参考点原岩应力进行测量，套孔中的小孔变形或 应变量根据空心包体应变测量应力计算原理测算出该参考点原岩应力大小及方 向；最后记录该参考点的原岩应力大小和方向，将其所在位置详细地标记在待 测区域的地形图中。

第二：插值反演及绘制大范围原岩应力区域分布图

将各个参考点的原岩应力大小、方向及所在位置进行统计，利用插值反演 的方法对整个待测区域内的原岩应力进行计算，最终绘制出该区域内的原岩应 力区域分布图。

第三：大范围区域内待测点位的布置

由于需要对大范围内的原岩应力进行测量，围绕参考点对待测区域进行点 位布置，各个待测点之间的距离不亦太远也不能太近，因此各个待测点之间距 离设置为100m，将所有的待测位置详细地标记在地形图中。

第四：钻取声发射法测量地应力所需岩样

在待测位置处，为了确定该点处三维应力状态，需在该点的六个不同方向 制备岩石试件，对各个方向岩石试件的声发射Kaiser效应进行分析，且每个方向 上需取10-20块岩样，供室内测量试验使用，现场可钻取声发射测量地应力所需 岩芯。

第五：声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力及识别地应力异常区

在非常理想的情况下，岩石达到加载方向的先前最大应力之前不会产生大 量的声发射信号，当达到先前最大应力时声发射事件会突然急剧产生，而实际 情况是达到先前最大应力之前也可能会产生声发射事件，这是由于在载荷作用 下岩石内部晶体颗粒通常会沿着已有的微裂纹发生相对滑动，即微裂纹接触面 摩擦作用造成的；当超过先前最大应力时，由于微裂纹的进一步扩展，此时会 有大量的声发射事件产生，累计声发射事件数与应变曲线将出现拐点，将该曲 线进行回归表达，可以将这两个回归直线的相交点作为kaiser效应点，这是通过 声发射判读Kaiser效应点一般性依据。

为了正确的采用Kaiser效应测量原岩应力，在声发射Kaiser效应试验的同时， 需要绘制岩芯试件的全应力-应变曲线及特征应力点，结合特征应力点，进行综 合分析，仅仅通过声发射参数曲线识别Kaiser效应点，很有可能误判。为此，首 先通过裂纹体积应变法得到闭合应力、起裂应力与损伤应力点，如果试验得到 的Kaiser效应点位于闭合应力与起裂应力之间，即弹性阶段，则为有效；如果试 验得到的Kaiser效应点位于起裂应力与损伤应力之间，即裂纹稳定扩展阶段，将 会出现Felicity效应，若在该应力区间的前60％，则仍可作为有效测量值(见图2)。 若是声发射Kaiser效应测量的原岩应力与上述绘制的大范围原岩应力区域分布 图中该点原岩应力相差较大，将该点记为原岩应力异常点，并使用套孔应力解 除法对该点的原岩应力进行准确地测量，且在原岩应力区域图中标记出该点的 测量值。

该技术方案的原理图如图3所示。

本发明实施例提供的裂纹体积应变法判断岩石特征应力阶段的示意图，如 图4所示。

利用套孔应力解除法对安徽某铜矿进行了参考点的原岩应力进行测量，套 孔应变值如图5所示。

利用声发射法对矿区域内待测点某方向的原岩应力进行测量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，其特征在于，所述识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法包括以下步骤：

利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力；

对每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，利用插值反演的方法对整个待测区域内的原岩应力进行计算，绘制出当前区域内的原岩应力区域分布图，并在图中标记出每个原岩应力异常点的位置；

在大范围区域内布置原岩应力待测点，并将布置的待测点位置标记在原岩应力区域分布图中；

钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样；

采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力。

2.如权利要求1所述的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，其特征在于，所述利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力包括：

(1)于待测区域选取数个参考点；

(2)利用套孔应力解除法中的空心包体应变法对选取的参考点原岩应力进行测量；

(3)记录测量得到的参考点的原岩应力大小和方向，将其所在位置详细地标记在待测区域的地形图中。

3.如权利要求2所述的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，其特征在于，步骤(2)中，所述利用套孔应力解除法中的空心包体应变法对选取的参考点原岩应力进行测量包括：

基于套孔中的小孔变形或应变量根据空心包体应变测量应力计算原理测算出参考点原岩应力大小及方向。

4.如权利要求1所述的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，其特征在于，所述原岩应力待测点位布置包括：

以参考点为中心向四周辐射的形式对待测区域进行点位布置，各个待测点之间距离为100m。

5.如权利要求1所述的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，其特征在于，步骤四中，所述钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样包括：

在待测位置处的六个不同方向制备岩石试件，对各个方向岩石试件的声发射Kaiser效应进行分析，于每个方向上取10-20块岩样。

6.如权利要求1所述的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，其特征在于，所述采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力包括：

1)测量待测点的原岩应力；

2)通过声发射参数曲线识别裂纹闭合阶段与线弹性变形阶段是否出现Kaiser效应点；若裂纹闭合阶段与线弹性变形阶段出现Kaiser效应点则将测得的应作为原岩应力；若未出现，则利用套孔应力解除法对待测点进行原岩应力测量；

3)绘制岩芯试件的全应力-应变曲线及特征应力点，结合特征应力点，进行综合分析。

7.如权利要求1所述的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法，其特征在于，如果试验得到的Kaiser效应点位于闭合应力与起裂应力之间，即弹性阶段，则为有效；如果试验得到的Kaiser效应点位于起裂应力与损伤应力之间，即裂纹稳定扩展阶段，将会出现Felicity效应，若在该应力区间的前60％，则仍可作为有效测量值；若是声发射Kaiser效应测量的原岩应力与原岩应力区域图计算应力相差较大，将该点记为原岩应力异常点，并使用套孔应力解除法对该点的原岩应力进行准确地测量。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力；

对每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，利用插值反演的方法对整个待测区域内的原岩应力进行计算，绘制出当前区域内的原岩应力区域分布图，并在图中标记出每个原岩应力异常点的位置；

在大范围区域内布置原岩应力待测点，并将布置的待测点位置标记在原岩应力区域分布图中；

钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样；

采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用套孔应力解除法测量参考点的原岩应力；

对每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，利用插值反演的方法对整个待测区域内的原岩应力进行计算，绘制出当前区域内的原岩应力区域分布图，并在图中标记出每个原岩应力异常点的位置；

在大范围区域内布置原岩应力待测点，并将布置的待测点位置标记在原岩应力区域分布图中；

钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样；

采用声发射与特征应力相结合的方法测量原岩应力。

10.一种实施权利要求1～7任意一项所述的识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法的识别地应力异常区及大范围测量地应力的探测仪器。

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