CN113188913B - 一种获取水压致裂测地应力的误差的装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种获取水压致裂测地应力的误差的装置及试验方法，装置包括装置主体和位于装置主体顶部的顶部盖板，所述装置主体内开设有用于放置岩样的岩样放置区，岩样与装置主体内壁之间开设有用于灌注自膨胀材料的荷载区；另外本发明还公开相应的试验方法；本发明针对传统水压致裂测地应力过程会因卸荷效应产生误差的问题，提出了一种可获取误差的比尺模型试验装置及方法，可为今后地应力测量提供重要的技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及水压致裂法、地应力测量技术领域，具体地指一种获取水压致裂测地应力的误差的装置及试验方法。
背景技术
高地应力是深部地下工程中的普遍赋存环境之一，原位地应力的数值对于地下工程建设时的施工设计有着决定性的影响。在获取精确地应力的基础上进行的支护设计能更大程度地降低工程事故风险。水压致裂法已成为最主要的地应力测量和页岩气开采手段，应用前景十分广泛。但水压致裂法测量的实际是钻孔后的地应力，未考虑围岩卸荷的影响，即测量行为本身对地应力数值造成了影响，这造成了实际测量地应力与初始地应力存在一定误差。因此，为测取水压致裂法的施作误差并进行修正，有必要提出一种获取水压致裂测地应力的误差的装置及试验方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种获取水压致裂测地应力的误差的装置及试验方法，使用比尺模型试验，实现在室内使用模型装置蓄存地应力，并进行钻孔、压裂步骤，获取测量行为对应力数值的影响，为更精确获取地应力数据提供方法手段。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种获取水压致裂测地应力的误差的装置，包括装置主体和位于装置主体顶部的顶部盖板，所述装置主体内开设有用于放置岩样的岩样放置区，岩样与装置主体内壁之间开设有用于灌注自膨胀材料的荷载区。
优选地，所述装置主体顶部两侧与角钢滑槽底部固定连接，所述角钢滑槽顶部与顶部盖板滑动配合。
优选地，所述荷载区包括竖向荷载区、侧向荷载a区、侧向荷载b区、侧向荷载c区和侧向荷载d区，所述竖向荷载区位于装置主体底部，所述侧向荷载a区、侧向荷载b区、侧向荷载c区和侧向荷载d区分别位于装置主体四个内侧壁。
优选地，所述岩样放置区处于荷载区中部，所述岩样放置区与竖向荷载区之间布置有用于搁置岩样的钢片。
优选地，所述自膨胀材料包括氧化钙、生石膏、细砂、高铝水泥和水；
优选地，所述自膨胀材料根据内部氧化钙含量的不同分为自膨胀材料a、自膨胀材料b、自膨胀材料c；所述竖向荷载区内灌注自膨胀材料c；所述侧向荷载a区和侧向荷载c区内灌注自膨胀材料a；所述侧向荷载b区和侧向荷载d区内灌注自膨胀材料b。
优选地，所述顶部盖板顶面开设有预钻孔和穿线孔。
优选地，所述预钻孔内放置有花岗岩质封堵块。
优选地，所述岩样的侧面和底面布置有压力传感器，所述压力传感器的连线从穿线孔连接到装置外部。
另外，本发明还公开上述获取水压致裂测地应力的误差的装置的试验方法，它包括如下步骤：
步骤1)：组装：将调配好的自膨胀材料c灌注到竖向荷载区内，灌注顶部表面与钢片平齐，将岩样放置到岩样放置区内，岩样底部与钢片接触，将调配好的自膨胀材料a灌注到侧向荷载a区和侧向荷载c区内，将调配好的自膨胀材料b灌注到侧向荷载b区和侧向荷载d区内，将花岗岩质封堵块放置到预钻孔内之后，将顶部盖板推入角钢滑槽内；
步骤2)：监测：组装完毕后，开始监测压力传感器的数据，待监测压力稳定后，分别记录竖向荷载区的竖向应力σv、侧向荷载a区和侧向荷载c区的平均侧向应力σ1、侧向荷载b区和侧向荷载d区的平均侧向应力σ2；
步骤3)：钻孔：从花岗岩质封堵块顶部向下钻孔，直至将岩样贯穿，并取出残渣；分别记录钻孔后的竖向荷载区的竖向应力σv＇、侧向荷载a区和侧向荷载c区的平均侧向应力σ1＇、侧向荷载b区和侧向荷载d区的平均侧向应力σ2＇；
步骤4)：水压致裂法测应力：在钻好的孔洞中进行一维水压致裂试验，测取水平向最大主应力σHmax和水平向最小主应力σHmin；假设三种自膨胀材料中的氧化钙含量从高到低依次排序为：自膨胀材料a＞自膨胀材料c＞自膨胀材料b，即水平向最大主应力σHmax方向与自膨胀材料a产生的平均侧向应力σ1方向一致，水平向最小主应力σHmin方向与自膨胀材料b产生的平均侧向应力σ2方向一致；
步骤5)：获取误差：根据步骤2)至步骤4)获取的应力，水压致裂法测地应力的误差表达式为：
式中Δi为测量总误差，Δi钻为钻孔误差，σi为钻孔前的初始平均侧向应力，σi＇为钻孔后的平均侧向应力，σv为钻孔前的初始竖向应力，σv＇为钻孔后的竖向应力，δ为竖向影响系数，Δi裂为起裂误差。
本发明的有益效果：
1、本发明针对传统水压致裂测地应力过程会因卸荷效应产生误差的问题，提出了一种可获取误差的比尺模型试验装置及方法，可为今后地应力测量提供重要的技术支撑。
2、本发明的装置和方法采用自膨胀材料作为荷载源，可提供长期稳定的膨胀压力，不易发生耗散，克服了一般伺服机不能长期不停机工作的问题，且大幅降低了装置的体积与制作成本。
3、本发明的自膨胀材料使用的氧化钙和细砂可降低材料的粘结性能与最终强度，可较方便地更换荷载区内的自膨胀材料进行多次试验。
4、本发明的装置设置了竖向荷载区、侧向荷载a区、侧向荷载b区、侧向荷载c区和侧向荷载d区共5个区域，可通过调整自膨胀材料的配比产生三维空间内的三个方向不等的主应力，极大程度地与工程实际相符合。
5、本发明的装置和顶部盖板均优选为较大厚度的高刚度金属材料，预钻孔内放置高刚度的花岗岩质封堵块，皆大幅限制装置内材料向外膨胀，进而减少系统的应力耗散，且花岗岩质封堵块为水压致裂预留了钻孔空间，方便试验的进一步进行。
6、本发明在岩样四周粘贴压力传感器，能全程监测装置体系内的应力变化，提供后续及获取误差的数据。
7、本发明考虑并能测取钻孔行为和胀裂行为两大部分的误差，并且钻孔误差中还考虑了沿钻孔轴向的卸荷影响，进一步地提高了测取误差的准确度。
附图说明
图1为一种获取水压致裂测地应力的误差的装置的整体结构示意图；
图2为图1去掉顶部盖板后的结构示意图；
图3为图1的岩样示意图；
图4为图1的顶部盖板示意图；
图5为图4剖面结构示意图；
图6为图2去掉岩样后的对角线剖面结构示意图；
图7为图1钻孔后的对角线剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1至7所示，一种获取水压致裂测地应力的误差的装置，包括装置主体1和位于装置主体1顶部的顶部盖板2，所述装置主体1内开设有用于放置岩样3的岩样放置区6，岩样3与装置主体1内壁之间开设有用于灌注自膨胀材料的荷载区5。
优选地，所述装置主体1顶部两侧与角钢滑槽4底部固定连接，所述角钢滑槽4顶部与顶部盖板2滑动配合。这样设计后使装置主体1和顶部盖板2间不能上下移动，即不会产生法向位移，保证不会因为岩样3在因膨胀移动过程中导致装置主体1和顶部盖板2分离。
优选地，所述荷载区5包括竖向荷载区7、侧向荷载a区8、侧向荷载b区9、侧向荷载c区10和侧向荷载d区11，所述竖向荷载区7位于装置主体1底部，所述侧向荷载a区8、侧向荷载b区9、侧向荷载c区10和侧向荷载d区11分别位于装置主体1四个内侧壁。
优选地，所述岩样放置区6处于荷载区5中部，所述岩样放置区6与竖向荷载区7之间布置有用于搁置岩样3的钢片12。
优选地，所述自膨胀材料包括氧化钙、生石膏、细砂、高铝水泥和水；其具体重量份数配比为：20％-65％的氧化钙，5％-23％的生石膏，8％-30％的细砂，5％-15％的高铝水泥，30％的水。采用自膨胀材料作为荷载源，可提供长期稳定的膨胀压力，不易发生耗散，克服了一般伺服机难以长期不停机工作的问题，且大幅降低了装置的体积与制作成本，且自膨胀材料使用的氧化钙和细砂可降低材料的粘结性能与最终强度，可较方便地更换荷载区内的自膨胀材料进行多次试验。
优选地，所述自膨胀材料根据内部氧化钙含量的不同分为自膨胀材料a、自膨胀材料b、自膨胀材料c；所述竖向荷载区7内灌注自膨胀材料c；所述侧向荷载a区8和侧向荷载c区10内灌注自膨胀材料a；所述侧向荷载b区9和侧向荷载d区11内灌注自膨胀材料b。这样可以通过改变自膨胀材料内部氧化钙含量，产生三维空间内的三个方向不等的主应力，可极大程度地与工程实际相符合。
优选地，所述顶部盖板2顶面开设有预钻孔13和穿线孔14。
优选地，所述预钻孔13内放置有花岗岩质封堵块15。在本实施例中，所述装置主体1和顶部盖板2均优选为较大厚度的高刚度金属材料，预钻孔13内放置高刚度的花岗岩质封堵块15，皆大幅限制装置内材料向外膨胀，进而减少系统的应力耗散。且花岗岩质封堵块15为水压致裂预留了钻孔空间，方便试验的进一步进行。
优选地，所述岩样3的侧面和底面布置有压力传感器16，所述压力传感器16的连线从穿线孔14连接到装置外部。粘贴压力传感器16后能全程监测装置体系内的应力变化，提供后续及获取误差的数据。
另外，本发明还公开上述获取水压致裂测地应力的误差的装置的试验方法，它包括如下步骤：
步骤1)：组装：将调配好的自膨胀材料c灌注到竖向荷载区7内，灌注顶部表面与钢片12平齐，将岩样3放置到岩样放置区6内，岩样3底部与钢片12接触，将调配好的自膨胀材料a灌注到侧向荷载a区8和侧向荷载c区10内，将调配好的自膨胀材料b灌注到侧向荷载b区9和侧向荷载d区11内，将花岗岩质封堵块15放置到预钻孔13内之后，将顶部盖板2推入角钢滑槽4内；
步骤2)：监测：组装完毕后，开始监测压力传感器16的数据，待监测压力稳定后，分别记录竖向荷载区7的竖向应力σv、侧向荷载a区8和侧向荷载c区10的平均侧向应力σ1、侧向荷载b区9和侧向荷载d区11的平均侧向应力σ2；
步骤3)：钻孔：从花岗岩质封堵块15顶部向下钻孔，直至将岩样3贯穿，并取出残渣；分别记录钻孔后的竖向荷载区7的竖向应力σv＇、侧向荷载a区8和侧向荷载c区10的平均侧向应力σ1＇、侧向荷载b区9和侧向荷载d区11的平均侧向应力σ2＇；
步骤4)：水压致裂法测应力：在钻好的孔洞中进行一维水压致裂试验，测取水平向最大主应力σHmax和水平向最小主应力σHmin；假设三种自膨胀材料中的氧化钙含量从高到低依次排序为：自膨胀材料a＞自膨胀材料c＞自膨胀材料b，即水平向最大主应力σHmax方向与自膨胀材料a产生的平均侧向应力σ1方向一致，水平向最小主应力σHmin方向与自膨胀材料b产生的平均侧向应力σ2方向一致；
步骤5)：获取误差：根据步骤2)至步骤4)获取的应力，水压致裂法测地应力的误差表达式为：
式中Δi为测量总误差，Δi钻为钻孔误差，σi为钻孔前的初始平均侧向应力，σi＇为钻孔后的平均侧向应力，σv为钻孔前的初始竖向应力，σv＇为钻孔后的竖向应力，δ为竖向影响系数，Δi裂为起裂误差。
本实施例针对传统水压致裂测地应力过程会因卸荷效应产生误差的问题，提出了一种可获取误差的比尺模型试验装置及方法，能测取钻孔行为和胀裂行为两大部分的误差，并且钻孔误差中还考虑了沿钻孔轴向的卸荷影响，进一步地提高了测取误差的准确度，可为今后地应力测量提供重要的技术支撑。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种获取水压致裂测地应力误差的装置的试验方法，所述装置包括装置主体(1)和位于装置主体(1)顶部的顶部盖板(2)，所述装置主体(1)内开设有用于放置岩样(3)的岩样放置区(6)，岩样(3)与装置主体(1)内壁之间开设有用于灌注自膨胀材料的荷载区(5)；所述装置主体(1)顶部两侧与角钢滑槽(4)底部固定连接，所述角钢滑槽(4)顶部与顶部盖板(2)滑动配合；所述荷载区(5)包括竖向荷载区(7)、侧向荷载a区(8)、侧向荷载b区(9)、侧向荷载c区(10)和侧向荷载d区(11)，所述竖向荷载区(7)位于装置主体(1)底部，所述侧向荷载a区(8)、侧向荷载b区(9)、侧向荷载c区(10)和侧向荷载d区(11)分别位于装置主体(1)四个内侧壁；其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1)：组装：将调配好的自膨胀材料c灌注到竖向荷载区(7)内，灌注顶部表面与钢片(12)平齐，将岩样(3)放置到岩样放置区(6)内，岩样(3)底部与钢片(12)接触，将调配好的自膨胀材料a灌注到侧向荷载a区(8)和侧向荷载c区(10)内，将调配好的自膨胀材料b灌注到侧向荷载b区(9)和侧向荷载d区(11)内，将花岗岩质封堵块(15)放置到预钻孔(13)内之后，将顶部盖板(2)推入角钢滑槽(4)内；
步骤2)：监测：组装完毕后，开始监测压力传感器(16)的数据，待监测压力稳定后，分别记录竖向荷载区(7)的竖向应力σv、侧向荷载a区(8)和侧向荷载c区(10)的平均侧向应力σ1、侧向荷载b区(9)和侧向荷载d区(11)的平均侧向应力σ2；
步骤3)：钻孔：从花岗岩质封堵块(15)顶部向下钻孔，直至将岩样(3)贯穿，并取出残渣；分别记录钻孔后的竖向荷载区(7)的竖向应力σv＇、侧向荷载a区(8)和侧向荷载c区(10)的平均侧向应力σ1＇、侧向荷载b区(9)和侧向荷载d区(11)的平均侧向应力σ2＇；
步骤4)：水压致裂法测应力：在钻好的孔洞中进行一维水压致裂试验，测取水平向最大主应力σHmax和水平向最小主应力σHmin；假设三种自膨胀材料中的氧化钙含量从高到低依次排序为：自膨胀材料a＞自膨胀材料c＞自膨胀材料b，即水平向最大主应力σHmax方向与自膨胀材料a产生的平均侧向应力σ1方向一致，水平向最小主应力σHmin方向与自膨胀材料b产生的平均侧向应力σ2方向一致；
步骤5)：获取误差：根据步骤2)至步骤4)获取的应力，水压致裂法测地应力的误差表达式为：
式中Δi为测量总误差，Δi钻为钻孔误差，σi为钻孔前的初始平均侧向应力，σi＇为钻孔后的平均侧向应力，σv为钻孔前的初始竖向应力，σv＇为钻孔后的竖向应力，δ为竖向影响系数，Δi裂为起裂误差。
2.根据权利要求1所述的一种获取水压致裂测地应力误差的装置的试验方法，其特征在于：所述岩样放置区(6)处于荷载区(5)中部，所述岩样放置区(6)与竖向荷载区(7)之间布置有用于搁置岩样(3)的钢片(12)。
3.根据权利要求1所述的一种获取水压致裂测地应力误差的装置的试验方法，其特征在于：所述自膨胀材料包括氧化钙、生石膏、细砂、高铝水泥和水。
4.根据权利要求3所述的一种获取水压致裂测地应力误差的装置的试验方法，其特征在于：所述自膨胀材料根据内部氧化钙含量的不同分为自膨胀材料a、自膨胀材料b、自膨胀材料c；所述竖向荷载区(7)内灌注自膨胀材料c；所述侧向荷载a区(8)和侧向荷载c区(10)内灌注自膨胀材料a；所述侧向荷载b区(9)和侧向荷载d区(11)内灌注自膨胀材料b。
5.根据权利要求1所述的一种获取水压致裂测地应力误差的装置的试验方法，其特征在于：所述顶部盖板(2)顶面开设有预钻孔(13)和穿线孔(14)。
6.根据权利要求5所述的一种获取水压致裂测地应力误差的装置的试验方法，其特征在于：所述预钻孔(13)内放置有花岗岩质封堵块(15)。
7.根据权利要求5所述的一种获取水压致裂测地应力误差的装置的试验方法，其特征在于：所述岩样(3)的侧面和底面布置有压力传感器(16)，所述压力传感器(16)的连线从穿线孔(14)连接到装置外部。
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