1、地應力測量方法目前，我所地應力測量主要采用四種方法進行，分別為基于鉆孔的深孔套芯解除法、深孔水壓致裂法和基于巖芯的差應變法、滯彈性恢復法。其中套芯法測試精度最高，水壓致裂法次之，但套芯法測試周期長，建議根據項目需求選擇合適地段進行測試。幾種測試方法可以聯合使用，綜合比對各種方法的測試結果，最終確定測試鉆孔的地應力狀態及規律。一、實驗參數 深孔套芯解除法應變、彈性模量 深孔水壓致裂法應力 巖芯的差應變法聲波波速、應力 巖芯的滯彈性恢復法應變、時間二、實驗儀器設備及技術參數 深孔套芯解除法2006型-深孔套芯地應力測量儀是中國地質科學院地質力學研究所研制的深孔專用地應力測量儀（實物見圖2和圖3），

2、包括井下專用空心包體探頭和井下應變記錄儀，另外還有配套的井下專用安裝工具，在青藏鐵路沿線、南水北調西線和西氣東輸等國家重大工程中得到應用。圖2 中國地質科學院地質力學研究所2006型-深孔套芯地應力測量儀 a b c圖3 井下應變記錄儀（深孔型外殼為無磁不銹鋼）a.井下應變記錄儀操作面板；b.36全應力測量探頭;c. 井下應變記錄儀分解圖KB-2006-J型井下專用空心包體探頭，是我所獲地質部科技成果一等獎的KX81型空心包體全應力計的基礎上改進發展的全應力測量探頭，12個120箔式應變片（三組90、0、45應變花，呈徑向120排列），一次測量即可獲得該點的三維應力。水下膠為丙烯酸樹脂或可水下

3、低溫固化的雙組份環氧樹脂兩種，下井前配好，適應期2小時。KB-12-J型深孔應變儀是超小型智能化數字儀器，是我所研制的鉆孔專用定時記錄式微型應變儀，采用目前最先進的msc1200微處理器芯片和Flash存貯器及獨立知識產權的電子開關技術研制開發的技術先進、方便實用的智能數字應變儀。主要特點是：外殼采用高強度不銹鋼和高強度鋼化玻璃視窗，端面密封圈防水結構耐靜水壓40MPa；獨立微功耗電子定時器，可按事先設定的時間定時啟動主機，一次充電可在井下定時待機數月，連續采集工作時間20小時；1秒12小時采集控制時間間隔；RS232C接口可以實現事后通訊，事后回訪主機為PC機或筆記本電腦，簡明快捷的人機對話

4、窗口，利用主機或PC雙向設置控制；理想實用的PC處理軟件-多點曲線實時顯示同時生成數據文件，-曲線自動生成。除此之外為滿足不同用戶需要還設計了功能豐富的隱含菜單。主要技術指標（1）精度：測量值的 0. 1%1個字；（2）分辯度：1個；（3）量程: 19999；（4）供橋電壓：2.4V或1.2V；（5）靈敏系數：0.001999.999數字設置； （6）適用電阻應變片阻值:601000；（7）平衡方式：自動；（8）平衡范圍：6000；（9）存貯空間：主機32K字節；當實時通訊時為海量存貯；（10）通信方式：定時和事后傳輸；（11）采集速率：1秒/點；（12）測量點數：16；（13）軟件操作平臺：

5、Windows98/2000/XP系統；（14）軟件特性:曲線顯示/文件存貯/-曲線生成等功能;（15）電源：DC6V;（16）體積重量：55280 mm,重約2.5Kg;（18）工作環境：0-85，井下1000米以內。 深孔水壓致裂法2007型-深孔水壓致裂地應力測量系統是中國地質科學院地質力學研究所研制的深孔專用地應力測量設備，包括高壓泵、數據采集器、工控機、封隔器、印模器、拉推開關、高壓管道、定向器、壓力表、壓力傳感器、轉接頭及輔助設備，在水電、鐵路隧道、礦山、油田等領域的國家重大工程中得到廣泛應用（現場測試見圖4）。主要技術指標（1）精度：0.1MPa；（2）分辯度：1MPa；（3）壓

6、力表量程: 100MPa；（4）高壓泵供電電壓：6KW；（5）通信方式：定時傳輸； 圖4 SY-2007封隔器安裝測試現場（6）數采采集速率：100次/秒；（7）軟件操作平臺：Windows98/2000/XP系統；（8）軟件特性:曲線顯示/文件存貯/-t曲線生成等功能;（9）單體積重量：小于80Kg;（10）工作環境：0-100，井下2500米以內。 巖芯的差應變法巖芯差應變壓力容器是中國地質科學院地質力學研究所研制的巖芯差應變地應力測量儀器，與地質力學研究所古地磁實驗室的美制立式2G755R超導磁力儀、美制TD48熱退磁爐聯合測試。目前，地應力測量實驗室已應用巖芯差應變地應力測試技術在油田

7、領域完成7個2000米以上測孔的地應力測量工作（見圖5和圖6）。 圖5 差應變測試巖芯 圖6 差應變測試成果主要儀器和設備：（1）試驗壓力容器；（2）加載設備：德國產-200壓力試驗機；（3）記錄設備：數字16通道電阻應變儀；（4）多通道數字記錄儀；（5）多通道高精度超聲波儀；（6）美制立式2G755R超導磁力儀；（7）美制TD48熱退磁爐。主要技術指標：（1）精度：0.1MPa；（2）分辯度：0.01MPa；（3）壓力表量程: 100MPa；（4）高壓泵供電電壓：10KW；（5）數采采集速率：100次/秒；（6）軟件操作平臺：Windows98/2000/XP系統；（7）軟件特性:曲線顯示/

8、文件存貯/-t曲線生成等功能;（8）單體積重量：小于60Kg;（9）工作環境：0-100；（10）巖芯加工精度：小于0.02mm。 巖芯的滯彈性恢復法試驗涉及的儀器設備主要有數據采集儀、數據接收機、保溫設備、應變傳感器及其輔助設備，如下圖為我所自行研制的滯彈性地應力測試儀及試驗照片。圖7 地質力學所36L滯彈性地應力測試儀及試驗照片三、質量控制 深孔套芯解除法1）地應力測量工藝控制測量步驟與套芯法基本相同，分如下9個步驟：施工大孔磨平孔底打小孔清孔儀器參數和定時參數設定安裝孔底探頭套芯地表率定數據回訪。安裝和套芯過程需要鉆機密切配合，需要配備特種鉆具，建議鉆孔和測試工作由同一家單位或合作過的兩

9、家單位實施，測量要求如下：l 隨鉆孔進行地應力測量，測試段應避開裂隙，在巖石較完整的孔段進行，測試段要求有300-400mm長完整巖芯。l 鉆孔直徑建議開孔段91，穿過基巖風化帶，套管插入完整基巖12米，套管底部用水泥密封，后變徑為76。l 測量小孔28mm，深度400500mm。l 建議測點間隔1020米，每孔510點，最少每孔測5點。主要是考慮到要實測地應力隨深度的變化規律、測點的代表性、數學統計計算的需要。l 鉆機必須絕對服從測試人員的指揮。2) 地應力測量步驟控制在井下空心包體環氧樹脂三軸應變法的應力解除過程如下（如圖8）：l 打大孔：在用鉆機向圍巖鉆進應力解除孔，鉆孔深度以巷道圍巖應

10、力場的范圍為準，終孔點應不受環境圍巖應力場的影響。鉆頭直徑取76mm。l 磨平鉆孔孔底，消除殘余巖芯和巖塊、巖粉，巖芯管后帶取粉筒。l 換錐形鉆頭做錐形孔底：以保證后面的小孔與大孔同軸心。圖8 井下空心包體應變法應力解除過程示意圖1施工鉆孔；2磨平孔底；3孔底磨錐槽；4施工小孔；5安裝地應力探頭；6套芯解除；7套芯結束；8取巖芯和應變儀l 打小孔：采用特制的液壓鉆具，換上36mm的小鉆頭，打50cm深的一段小鉆孔。鉆具不同深度上開有瀉水孔，通過水壓的變化，判斷小孔的深度。l 空心包體安裝：用砂紙將空心包體外側圓柱面打毛；按比例配制好粘結劑（A，B兩種液態材料按1:3），在空心包體的空腔內倒入適

11、量的粘結劑，固定好銷釘，將包體安裝在定向器上。用鉆桿慢慢地將其送入大孔中，不斷地接長鉆桿，并記下長度，在剩余長度為5m左右時要特別注意慢推，以保證包體能夠完好地進到小孔中。前端近入小孔20cm 左右，應注意包體筒體部分緩慢推入，探頭和安裝器脫鉤，包體成功地安裝于小孔中。l 應變初始數據：一般在安裝包體20小時左右，環氧樹脂固化。將安裝器小心地從鉆孔中提出，安裝器中電子羅盤記下探頭安裝角，所顯示數字為應力計的安裝角。l 套芯地應力解除與應變測試：在井下應變儀到達預定時間時，應變儀將自動啟動，開始測量，此時應按預定深度開始緩慢鉆進，進行套芯解除，套芯解除至一定深度后，應變計讀數趨于穩定。每隔10秒

12、讀數一次，連續記錄10小時以上，達到預定深度后，不再解除。將包含包體的巖芯折斷并取出，并對巖芯的巖性進行描述。每個測孔第一測點完成后，在孔底重新錐形孔底，再打小孔，重復以上步驟，進行第二測點的測試。3）套芯法地應力測量工作周期單段測試工作周期為48小時（單段：就是應力解除一次所用的時間）。 深孔水壓致裂法1）水壓致裂法地應力測量原理水壓致裂地應力測量原理就是利用水壓致裂裝置將一對封隔器把鉆孔的一段巖壁密封，向封隔段內施加壓力，進而使所壓部位撐裂，形成沿是大水平主應力方向的裂縫，測出相應力學參數，通過計算，獲得所測部位的地應力狀態，具體原理見圖9。圖9 水壓致裂應力測量原理圖水壓致裂原地應力測量

13、是以彈性力學為基礎，以測量地點為依托，并以三個假設為前提的。三個假設分別為：(1)巖石是線彈性和各向同性的；(2)巖石是完整的，壓裂液體對巖石來說是非滲透的；(3)巖層中有一個主應力分量的方向和孔軸平行。在上述理論和假設前提下，水壓致裂的力學模型可簡化為一個平面應變問題，如圖9所示。根據彈性力學原理，在作用有兩向主應力1和2的無限大平板內，有一半徑為a的圓孔，則圓孔外任何一點M處的應力為： (1)圖9 水壓致裂應力測量的力學模型式中r為M點的徑向應力，為切向應力，r為剪應力，為M點到圓孔中心的距離；為方向起反時針量測的角度。當r=a時，即為圓孔壁上的應力狀態： (2)由式(2)可得出如圖9(2

14、)所示的孔壁A、B兩點及其對稱處(A、B)的應力集中分別為： (3) (4)液壓大于孔壁上巖石所能承受的應力時，將在最小切向應力的位置上，即A點及其對稱點A處產生張破裂。并且破裂將沿著垂直于最小主應力的方向擴展。此時把孔壁產生破裂的外加液壓Pb稱為臨界破裂壓力。臨界破裂壓力等于孔壁破裂處的應力集中加上巖石的抗張強度Thf，即： (5)若考慮巖石中所存在的孔隙壓力，將有效應力換成區域主應力，則式(5)將變為： (6)此處的、分別為原地應力場中的最小和最大水平主應力。在垂直鉆孔中測量地應力時，常將最大、最小水下主應力分別寫為和，即，。當壓裂段的巖石被壓破時，可用下列公式表示： (7)孔壁破裂后，若

15、繼續注液增壓，裂縫將向縱深處擴展。若馬上停止注液增壓，并保持壓裂回路密閉，裂縫將停止延伸。由于地應力場的作用，裂縫將迅速趨于閉合。通常把裂縫處于臨界閉合狀態時的平衡壓力稱為瞬時關閉壓力，它等于垂直裂縫面的最小水平主應力，即： (8)如果再次對封隔段增壓，使裂縫重新張開時，即可得到裂縫重新張開的壓力。由于此時的巖石已經破裂，抗張強度，這時即可把(3.7)式改寫成： (9)用(7)式減(9)式即可得到巖石的原地抗張強度： (10)根據(7)、(8)、(9)式又可得到求取最大水平主應力的公式： (11)垂直應力可根據上覆巖石的重量來計算： (12)式中為巖石密度，為重力加速度，為深度。以上是水壓致裂

16、法地應力測量的基本原理及有關參數的計算方法。2）現場鉆桿式測試體系的工藝流程控制：SY-2007鉆桿式深孔水壓致裂地應力測試體系的現場測試示意圖，見圖10。l 選擇試驗段根據巖芯編錄選擇完整巖芯所處的深度位置作為測試段，在鉆孔條件允許的情況下應盡可能多選測試段。l 檢驗測量系統在正式壓裂前，要對測試所使用的封隔器及壓裂系統進行檢漏試驗，一般試驗壓力不低于40MPa。另外，還要對封隔器、印模器所使用的低壓卸壓閥進行現場調試，開啟壓力根據測試段深度而定。l 密封測試段首先用鉆桿將一對可膨脹的橡膠封隔器放置到測試段所在的深度，然后通過地面的加壓系統，給兩個1m長的封隔器同時增壓，使其膨脹并與孔壁緊密

17、接觸，即可將壓裂段隔離，形成一個密閉空間(即壓裂試驗段)。l 測試段壓裂試驗利用高壓泵通過高壓管和鉆桿向壓裂試驗段注高壓水，壓裂段內的巖石在足夠大的水壓作用下，將會在最小切向應力的位置開裂（即沿最大水平主應力的方向開裂）,記臨界開裂壓力值為Pb。圖10 SY-2007鉆桿式深孔水壓致裂地應力測試體系示意圖巖石開裂后壓力將急劇下降，當裂隙擴展到34倍鉆孔直徑處，關閉高壓泵。在巖體應力的作用下，裂縫趨于閉合，裂縫處于臨界閉合狀態時的壓力稱為關閉壓力，記為Ps。此后卸壓使裂隙閉合，然后再注高壓水使裂隙重新張開，記裂隙重張時的壓力為Pr。接著再關泵，記錄Ps值。此過程重復35次，以確定Pr和Ps的統計

18、值。根據Pr和Ps值，就可計算出測試段水平面內兩個主應力的值。l 印模試驗水壓致裂試驗完成后，將封隔器卸壓后提升至地面，并從鉆桿上卸下；然后將印模定向系統裝（包括印模器和定向器）上鉆桿并送至井下，使印模器對準壓裂裂縫的位置。通過給印模器加壓膨脹將鉆孔裂隙印刻到印模器上，其定向器可確定裂縫在井下的方位，該方位就是最大水平主應力的方位。通過上述試驗工藝流程，測試段水平面內兩個主應力的大小和方位就全部確定了。3）水壓致裂法地應力測量工作周期1000米以內的單孔測試工作周期為24小時，10002000米的單孔測試工作周期為3天，20002500米的單孔測試工作周期為7天。 巖芯的差應變法1）測試原理控

19、制差應變分析法地應力測量是利用從井下采取的新鮮巖芯通過加壓試驗裝置在實驗室進行地應力測量的方法。地應力測量原理是利用巖石應力解除后松弛應變，巖石的膨脹而出現微裂隙，裂隙的空間分布形態與原巖應力的方向有關，裂隙的數量和發育強度與原巖應力大小成正比。通常巖石壓縮變形是由巖石固體顆粒變形和空隙變形兩部分組成，空隙變形又由與巖石天然孔隙變形和與巖石受力釋放后所產生的次生裂隙變形及孔隙變形組成，只有后部分變形才包含巖石先前的受力信息，如何分離出巖石受力釋放后所產生的次生裂隙變形及孔隙變形是差應變法地應力測量的關鍵。如果將巖石樣品置于壓力容器中逐步加壓，在加壓過程中裂隙逐步閉合，將引起巖石應變率的改變，當

20、巖石表面壓力大于原巖應力時，微裂隙將閉合，測量裂隙閉合前后巖石的應變率變化，與標準試驗數據進行比較，可確定不同壓力下不同方向的裂隙應變差，用最小二乘法回歸計算其對應的應變橢球形狀，將不同壓力下主應變軸投影到吳氏網上，其差應變主軸極密較穩定，不隨圍壓變化而變動。根據差應變橢球的形狀可確定三個主應變比值和空間方位。如果已知巖石圍壓與差應變的比值，即巖石差應變彈性模量，或已知鉛直應力的大小，就可以計算出該處地應力大小和方位角。2）測試條件為保證試驗結果的一致性，必須保證儀器有足夠高的分辨率和足夠高的試樣加工精度。保證試驗條件一致，包括試驗環境條件和探頭。試驗多通道應變儀分辨率：1。試樣研磨加工精度：

21、直徑0.001mm，不平整度0.01mm。隔離絕緣層：環氧樹脂或硫化硅橡膠。壓力傳感器分辨率：0.1MPa。高壓容器：耐壓200MPa。加溫溫度限制：小于350。3）巖芯的古地磁定向此項試驗由地質力學所古地磁實驗室加工標準古地磁樣品。全部樣品的系統剩磁測試是在中國地質科學院地質力學研究所古地磁實驗室美制立式2G-755R超導磁力儀上進行的，樣品的系統熱退磁處理是使用美制TD-48熱退磁爐完成。熱退磁溫度間隔為40，樣品的剩磁組分均利用主向量法分析獲得。4）試驗流程a.從現場取回定向巖芯，記錄該巖芯相應的位置和深度。b.將巖芯加工成邊長為長徑比1:1的圓柱體試樣，加工過程中不允許出現新的裂隙。c

22、.將3支特制的相互成45的4軸應變花粘貼在三個相互垂直的端面上(見圖11)，在巖心上畫上標線。d.將試樣和補償塊一起放入一個壓力容器中，并加靜水壓至100140MPa，加壓大小取決于原來巖芯所在的深度按0.1MPa/min的增壓速率增加，在加壓過程中裂隙逐步閉合。記錄加壓過程中應變片的應力-應變值，描繪出應變片的應力-應變曲線。e.以上步驟加壓和卸壓重復3次以上。f.對每一應力應變曲線進行微分分析。g.由多個方向的裂隙閉合應變率可求得三個主裂隙應變的方向，它們對應著三個主應力的方向。由于試樣是確定了原始方向的，那么試樣所在點的三個主應力方向也即已知了，主應力的大小可由瞬時關閉壓力值來確定。在每

23、一應變片所在方向，地應力大小對應于應力應變曲線的過渡段。6）巖芯差應變法地應力測量工作周期古地磁單孔巖芯定向實驗的工作周期為14天；單孔巖芯差應變測試工作周期為7天；合計為21天。 巖芯的滯彈性恢復法 圖11 差應變分析法應變片粘貼位置及編號利用巖芯的滯彈性恢復理論，記錄剛取出的巖芯滯彈性應變松弛曲線，分析帶彈性應變松弛與初始應力的關系，進而獲得主應力及其方向，并將其測試結果與其它測試方法進行對比。1）試驗質量控制滯彈性應變恢復的工作原理就是在解除應變穩定后，仍然可觀測到一個微小的應變增加，這種應變增加可以延續數百個小時，被稱為滯彈性應變松弛，通過測試能夠將巖芯取出后數百個小時內的應變恢復量記錄下來，并進行計算、分析得出巖芯所處位置的主應力方向和大小。巖芯測試必需在現場進行，測量時，要把巖芯和測量裝置一起放入保