地应力的测量方法

‘壹’ 声发射法现今地应力值测量

声发射地应力测量方法是近年来发展起来的一种利用岩石的凯瑟（Kaiser）效应测量岩石今古地应力大小的地应力测量方法。

作者运用声发射方法，在下辽河盆地作了十个新生代岩石样品的声发射地应力测量（测试工作由地质力学开放实验室丁原辰研究员等完成）（图6-5）。根据声发射所测定的现今有效最大主应力值与孔隙压力，对下辽河盆地的现今最大主应力值进行了计算，结果见表6-4，显示下辽河盆地1794～3676m深度范围内现今最大主应力值的大小为36.8～60.8MPa。如果孔隙压力越大，有效最大主应力越低越有利于油气聚集，则推测黄63，黄30和牛22 等井位相对有利于油气的聚集，当然也不能排除高压油气圈闭的可能性。

图6-5 燕山东段—下辽河盆地声发射法地应力测量采样位置图

表6-4 下辽河盆地现今地应力声发射法测量结果表

续表

‘贰’ 地应力的测量

李四光教授是中国地应力测量的创始人。早在20世纪20年代就提出地壳中水平运动为主，水平应力起主导作用。他提出，地壳内的应力活动是以往和现今使地壳克服阻力，不断运动发展的原因；地壳各部分所发生的一切变形，包括破裂，都是地应力作用的反映；剧烈的地应力活动会引起地震。因此，“地应力的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面，是值得予以重视的”。
新丰江水库地震和邢台地震后，更加重视地应力测量工作。提出，地应力测量是实现地震预报的重要途径。他将近八十高龄还亲自参加野外地应力解除试验工作，亲自分析研究由邢台地应力观测站发回的地应力变化曲线。
在他的领导下，中国的地应力研究与测量工作得到迅速发展。已具备了完善的理论，多种测试仪器、手段，广泛应用于地质、油田、矿山、水工、电站、地震等各个领域。他特别注重从活动地带里寻找稳定地区，提出了“安全岛”理论，为建厂选址提供了依据，为国民经济建设做出了重大贡献。

‘叁’ 地应力剖面是通过什么测试手段得到的其用途是什么具体如何应用

地应力测量是指探明地壳中各点应力状态的测量方法。其原理为：有的利用岩石的应力、应变关系，如应力恢复法、应力解除法和钻孔加深法等；有的利用岩石受应力作用时的物理效应，如声波法和地电阻率法等。根据测量的结果，又可分为绝对和相对两种地应力测量。用现有测量方法测出的地应力中，不仅包含构造应力，还包含其他因素，如重力、地热等引起的非构造应力。地应力测量对地质构造研究、地震预报和矿山、水利、国防等工程中有关问题的解决具有理论和实际意义。它是地质力学研究的重要内容之一，通过测量发现,最大主应力的方向几乎都是接近水平的。

‘肆’ 地应力测量方法分哪两类两类主要区别在哪里

主要可以分为绝对测量和相对测量。前者得到的是某一时期的应力水平，后者得到的是长期应力变化。

‘伍’ 地应力测量的介绍

地应力测量（measurement of ground stresses）是指探明地壳中各点应力状态的测量方法。

‘陆’ 差应变法测量地应力

差应变分析测试就是通过对岩心样品（定向和非定向均可）进行主应变的方向及大小试验，并由此确定就地主应力的方向及大小。

基本理论依据为：岩样从地下应力状态下取出，由于消除了地下应力作用而引起岩石中产生的“卸载”微裂缝张开（图1-13）。它们张开的方向和密度正比于从地下取出岩样的就地应力状态。因此取心过程中的应力释放而造成的微裂缝的优势分布就是地应力状态的直观反映。

图1-13 岩心应力释（卸载）放产生的微裂隙分布示意图

在试验时，对试样加围压，该压缩过程可看作岩石的应力释放时岩石膨胀的逆过程。当岩石的力学性质为各向同性，且知道其中一个主应力值时，则可利用主应变的比值关系确定地应力的大小。

将钻井取心加工成平行于岩心轴向的立方形岩块，将每组三个成45°角的应变片贴在三个相互垂直的平面上，将其放入岩心夹持器。进行重复加载试验，加三向等围压，同时测得各方向的应变量，并由此确定主应变特征及其对应的地应力值。如川丰563井最大主应力方向对应的应变最大（图1-14），变形强度点对应其应力大小为104MPa，分析为水平应力；最小主应力方向对应的应变最小，同样变形强度点对应其应力大小90MPa，也为水平应力；剩余的为中间应力（垂向）88MPa。

图1-14 川丰563井差应变测试结果图

‘柒’ 水压致裂法现今地应力值测量

水压致裂法应力测量是目前进行深部绝对应力测量的最好方法，在国内外都有着广泛应用。水压致裂法应力值测量是根据油田压裂过程中的张开压力和封闭压力确定岩石的最大、最小水平主应力的。据刘建中等人资料，下辽河盆地现今应力值随深度加深而增大，用水压致裂法测定的应力值进行回归分析，其应力值变化规律可以由一个经验公式表示

燕山东段—下辽河盆地中新生代盆岭构造及应力场演化

式中S_H、S_h分别为最大和最小水平主应力，H为深度，单位是m。计算结果的单位是0.1MPa。

为了验证声发射法和水压致裂法在确定现今地应力大小方面的可靠性，作者用水压致裂法的经验公式，计算了声发射试样的现今最大、最小主应力场值，将其与用声发射法测定的现今最大主压应力值进行比较，结果（表6-5）显示，两种方法确定的最大主压应力值不仅量级相同，而且数值相差不大。说明水压致裂法的经验公式和声发射法在确定下辽河盆地现今地应力大小方面是可行的，结果是可靠的。

表6-5 下辽河盆地水压致裂法地应力测量与声发射法地应力测量结果对比表

续表

综上所述，燕山东段—下辽河盆地现今应力场特征是，现今地应力的最大主压应力方位为北东东向，并以水平应力占主导，应力方向随深度变化不大，各种方向的测量结果基本一致（图6-6）。现今地应力的最大主应力值在地壳表层4000m以内，一般为几十个兆帕。

图6-6 中国东部现今最大主压应力方向图

‘捌’ 论述新型地应力测量方法有哪些及各自机理和适用性

了用岩体结构分析结合赤平投彩，找出地应力中三个主应力方位，然后定向钻孔取样，在室内做声发射Kaiser效应试验测量三个主应力大小，克服了用Kaiser效应测量地应力时主方向难以确定的缺点。通过和传统现场地应力测量方法比较，说明该法具有简单、经济、准确度高等优点，便于大量测量，以寻求区域性的地应力变化规律。

‘玖’ 如何运用水力压裂法确定主地应力

水力压裂法一种绝对地应力测量方法。测量时首先取一段基岩裸露的钻孔，用封隔器将上下两端密封起来；然后注入液体，加压直到孔壁破裂，并记录压力随时间的变化，并用印模器或井下电视观测破裂方位。根据记录的破裂压力、关泵压力和破裂方位，利用相应的公式算出原地主应力的大小和方向。

‘拾’ 　地应力测试

地应力是引起采场、巷道及洞室等各种地下工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体的力学属性、进行围岩稳定性分析以及对工程实现科学的设计、开挖和支护等工作的必要前提。目前地应力的理论计算尚不成熟，不能满足实际工程需要，因此有必要进行现场实测工作，特别是对推广煤矿锚杆支护技术有其重要的价值。为更好地开展万年煤矿煤巷锚杆支护技术研究，进行了地应力现场实测工作。

图9.2煤巷两帮应力状态

图9.3碎裂结构顶板冒落情况

地应力测量地点选择在－240水平北三采区回风下山与轨道下山中间联络巷内（见图9.4）。该区域岩层走向为NE70°～79°，倾角10°～13°，岩性为中粒砂岩。

9.1.2.1现场测试工作

该联络巷处在具有代表性的2号大煤顶板中，垂直埋深535m，周围50m范围内无明显地质构造，测试环境基本满足要求。实测过程如下：

（1）安置好钻机后用φ130mm空心钻头钻进大孔，钻进深度为4.3m，钻孔方位角为正东，仰角为5°。

（2）用φ130mm锥形钻头钻进一喇叭口，以便导正小孔，钻进深度为70mm。

（3）换用φ36mm钻头钻进安装应力计的小孔，钻进深度300mm。

（4）清水冲洗钻孔，并用丙酮擦洗干净孔内的岩粉和油污。

（5）将配好的粘结剂装入应力计空腔内，用安装杆连好定向仪把应力计送入钻孔，加力切断定位销使粘结剂挤出空腔以使探头和孔壁粘结。

（6）固化24h后，记录定向仪的偏离数值，拆卸安装杆和定向仪，然后测出各应变片的初始读数。

（7）用φ130mm空心钻头套芯进行应力解除，每钻进50mm测量一次读数，直至解除完毕。

在套芯解除过程中，当钻进至300mm段时因故停钻，再开钻后钻机将测试电缆铰断，故而只测得深度300mm以内的数据，但套芯已过应变片位置，读数已趋于稳定（见图9.5），故而测试还是成功的。

图9.4测试地点示意图

9.1.2.2弹性模量、泊松比测定

岩石的弹性模量和泊松比可由φ130mm空心钻头钻取的岩心加工成标准试件通过试验测得。为了提高准确性，用单轴压缩和三轴压缩试验分别求得弹性模量和泊松比。

比较单轴压缩试验和三轴压缩试验所求弹性模量和泊松比结果，两者相差不大，考虑到实际地层受三向应力的作用，故而计算地应力时采用三轴试验所得到的结果，即弹性模量E=25.76GPa，泊松比μ＝0.28。

图9.5KX-81型空心包体应变计岩石应力解除曲线

9.1.2.3测试结果

根据图9.5确定的应力计读数和基本参数，用DYLYWB软件计算得地应力的实测结果，见下表9.5。

表9.5地应力测量结果汇总表