一种区域岩体地应力的反演测量方法

技术领域

本发明涉及地应力测试技术领域，尤其涉及一种区域岩体地应力的反演测量方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展和人民生产生活的需要，岩石工程建设得到了蓬勃发展，以致开挖规模和深度越来越大。在深部高地应力和复杂地质条件下，巷(隧)道中极易发生岩爆、板裂、突水突泥、围岩大变形等灾害。岩体之所以发生变形、破坏、冲击、失稳，其本质原因是地下开采或开挖活动破坏了原岩应力平衡状态，造成局部区域出现高应力集中或瞬态卸荷。可见，地应力是岩石灾变发生的源动力。为了掌握岩石灾害发生机理和控制技术，有必要弄清岩石工程活动前的初始地应力状态，继而为岩石巷(隧)道工程布置和支护设计提供科学依据。

目前，矿山工程和交通隧道工程中岩体地应力测量应用较多的方法为应力解除法、水力压裂法和声发射法。应力解除法原理是在巷隧工程中朝原岩区先钻凿一定深度的大直径钻孔，然后换钻杆和钻头再同轴钻一定深度的小直径钻孔并在孔壁粘贴应变片，随后再换大直径的套芯钻头对带小孔岩芯钻取进行应力解除，使岩芯的变形发生弹性恢复，并测出岩芯筒的弹性恢复应变；基于弹性恢复应变和岩石弹性常数(围压率定实验测量岩芯筒)求解岩体三维地应力。水压致裂法假定地应力的主应力之一为竖直方向的自重应力，另外两个主应力方向为水平方向；通过把高压水泵入到由封隔器隔开的钻孔试验段原岩岩体中使孔壁开裂，根据弹性力学理论和印模器或井下电视观测破裂方位可求得水平面内的最大、最小主应力的大小和方向。声发射法是基于岩石的“记忆”功能，通过开展单轴压缩实验，当轴向应力达到岩芯历史上承受的地应力大小时会出现凯瑟效应，借助多方向多组岩芯的这一现象可获得地应力大小和方向。上述方法在实际操作中存在一定局限性，应力解除法对钻芯技术和装备要求较高，仅对坚硬岩层有较好的适用性；水压致裂法容易受岩体中原生裂隙的干扰，起裂应力和裂隙方向不易精准确定；声发射法操作麻烦，测定的为岩芯加载方向上曾经受到的最大应力大小但难以真实反映实际三维主应力大小和方向。

因此，亟需发明一种操作方便、精度可靠的地应力测量方法，来实现岩石工程三维地应力大小和方向快速准确获取的目的。

发明内容

本发明提供一种区域岩体地应力的反演测量方法，其中首先认定竖直方向的自重应力σ

本发明的方案是：

一种区域岩体地应力的反演测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、分析待测区域地质构造特征，确定地应力分量方向

分析区域岩体内主要构造的分布特征，获得地质构造的平均延展方向，即最小水平应力的方向；获得地质构造的垂直延展方向，垂直延展方向为最大水平主应力方向；

S2、布置地应力测站，测定巷道围岩松动圈厚度

在平行于与垂直于构造延展方向的两条毗邻的巷道中分别进行地应力测站的布置，两个垂直交叉的巷道中分别设置的地应力测站数量≥1，每个所述地应力测站沿巷道环向钻凿若干松动圈测孔，采用钻孔电视测定两巷道围岩松动圈范围，确定巷道围岩松动圈厚度；

S3、钻凿监测钻孔，测量巷道开挖应力分量

在两条毗邻的巷道中分别朝围岩松动圈内钻凿深度与孔径及标高相同的钻孔，所述钻孔位于巷道帮部腰线处与巷道顶板中心处其中的一种或两种；根据xyz坐标系朝向借助接长套管在钻孔中定向安装三维地应力传感器并引线后进行封堵，监测钻孔底处的开挖应力分量(σ

S4、反演计算巷道远场应力

在钻孔底开挖应力分量监测数据稳定的基础上，根据两条毗邻的巷道断面形状与尺寸及钻孔参数，基于平面应变假设采用复变函数反演解法由两组开挖应力分量(σ

S5、修正区域岩体地应力

考虑两地应力测点结果可能存在离散型，按照加权比例法修正两测点远场应力分量，修正后的远场应力分量为{σ

S2中两个毗邻的巷道中每个巷道内均布置1个数量以上的测站，每个测站均钻凿一个以上钻孔，即两个毗邻的巷道中钻孔类型相同，巷道类型包括水平钻孔与垂直钻孔中一种或两种；即两个毗邻的巷道中一个巷道内钻水平钻孔，另一个巷道同样钻水平钻孔；当一个巷道内钻竖直钻孔，另一个巷道内也钻竖直孔；当一个巷道既钻水平钻孔也有竖直钻孔，那么另一个巷道也钻水平钻孔和竖直钻孔。巷道内钻孔的数量≥1。

作为优选的技术方案，所述地质构造为褶皱与断层中的一种或两种；当所述地质构造为褶皱，所述延展方向为褶皱的轴线方向；当所述地质构造为断层，所述延展方向为断层的走向；当所述地质构造包括褶皱与断层，所述延展方向包括褶皱的轴线方向与断层的走向。

作为优选的技术方案，所述两条毗邻的巷道垂直交叉布置，巷道断面形状为圆形、直墙拱形、三心拱形、梯形与矩形中一种，两条毗邻的巷道断面与尺寸相同，两条毗邻的巷道中的地应力测点的直线距离不超过50m；两个垂直交叉的巷道中分别设置的地应力测站为第一测站与第二测站，两个毗邻的巷道中地应力测站的钻孔类型相同，所述钻孔类型包括水平钻孔与竖直钻孔中一种或两种，钻凿的钻孔形成地应力测点；所述第一测站与第二测站的地应力测点数量分别≥1个，分别根据第一测站与第二测站任意一地应力测点均可反演区域岩体远场应力分量，反演方法类同。

作为优选的技术方案，所述第一测站与第二测站的地应力测点数量分别为两个，第一测站的两个地应力测点的钻孔类型为水平钻孔或竖直钻孔；第二测站的两个地应力测点的钻孔类型为水平钻孔或竖直钻孔。

作为优选的技术方案，所述巷道帮部钻凿的水平钻孔位于距底板高1.5～2.5m的腰线处，垂直钻孔则在顶板中心，钻凿的钻孔孔径40～90mm，钻孔的孔深不超过松动圈厚度，孔深为1.0～3.0m；套管通过螺纹连接，每节套管长0.8～1.5m，直径40～65mm；三维地应力传感器为圆柱形，三维地应力传感器长度30～60cm，三维地应力传感器直径与套管直径相等并螺纹连接在套管头部，三维地应力传感器头部三个垂直分布的感应单元能实时感应xyz三方向的应力分量大小(σ

作为优选的技术方案，所述钻孔封堵的方法采用水泥灌装、化学灌浆与预塞锚固剂固结中的一种。

作为优选的技术方案，所述复变函数反演解法求解过程为：基于巷道断面形状和无外载荷条件，采用复合形优化算法迭代求解巷道断面的映射函数z＝w(ζ)(ζ＝ξ+iη)，然后基于应力边界条件等式一，根据幂级数方法求解单值解析函数φ

由此，根据公式四得出复势函数Ψ(ζ)与Φ(ζ)的表达式，再代入公式五即可得出关于σ

式中，B与B′为与远场应力有关的两个实常数，B＝(σ

由于采用了上述技术方案一种区域岩体地应力的反演测量方法，包括下列步骤：S1、分析待测区域地质构造特征，确定地应力分量方向：分析区域岩体内主要构造的分布特征，获得地质构造的平均延展方向，即最小水平应力的方向；获得地质构造的垂直延展方向，垂直延展方向为最大水平主应力方向；S2、布置地应力测站，测定巷道围岩松动圈厚度：在平行于与垂直于构造延展方向的两条毗邻的巷道中分别进行地应力测站的布置，两个垂直交叉的巷道中分别设置的地应力测站数量≥1，每个所述地应力测站沿巷道环向钻凿若干松动圈测孔，采用钻孔电视测定两巷道围岩松动圈范围，确定巷道围岩松动圈厚度；S3、钻凿监测钻孔：测量巷道开挖应力分量,在两条毗邻的巷道中分别朝围岩松动圈内钻凿一定深度与孔径及标高相同的钻孔，所述钻孔位于巷道帮部腰线处与巷道顶板中心处其中的一种或两种；根据xyz坐标系朝向借助接长套管在钻孔中定向安装三维地应力传感器并引线后进行封堵，监测钻孔底处的开挖应力分量(σ

本发明的有益效果：

(1)该方法从断层和褶皱的地质力学成因角度出发，根据构造分布特征能够判定区域岩体最大水平应力和最小水平应力的方向，为地应力方向的快速准确识别提供了新途径。

(2)地应力测点的钻孔布置在巷道围岩松动圈内利于三维地应力传感器与围岩快速耦合，开挖应力数据很快能达到稳定值，所需应力数据测量周期较短。

(3)该方法通过测量巷道围岩开挖应力分量反演计算远场应力，技术和装备较为简单，操作方便快捷，测量成本较低，普适性较强。

附图说明

图1为本发明区域岩体地应力反演测量方法工程布置平面图；

图2为本发明区域岩体地应力反演测量方法巷道工程剖面示意图；

图3为本发明区域岩体地应力反演测量方法三维地应力传感器安装示意图；

图4为本发明巷道远场应力分量复变函数方法反演流程图；

图中：1-地质构造；2-巷道；3-水平钻孔；4-三维地应力传感器；5-电缆引线；6-数据采集器；7-封堵填充物；8-套管；9-松动圈；10-巷道围岩。

具体实施方式

本发明提供了一种区域岩体地应力的反演测量方法。

其中，图1～图3为本发明区域岩体地应力反演测量方法实施示意图。首先，根据地质实测资料分析区域岩体褶皱和断层等地质构造1的分布特征和成因，由此确定水平构造应力(最大和最小水平主应力)σ

图4为复变函数反演计算流程图，即根据巷道2各自断面尺寸先采用复合形方法迭代求解巷道的映射函数z＝w(ζ)(ζ＝ξ+iη)，然后基于应力边界条件等式(公式1)根据幂级数方法求解单值解析函数φ

式中，B和B′为与远场应力有关的两个实常数，B＝(σ

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例：

某磷矿巷道工程主要位于寒武系下统中谊村组和渔户村组上部(∈1z+∈1y)碳酸盐岩岩层中，巷道埋深240m，断面尺寸净宽4.5m、墙高2.0、拱高1.5m，围岩岩性主要为白云岩和磷块岩，巷道施工时发现围岩时常发生冒顶塌方现象，亟需掌握矿山地应力大小，继而为巷道工程施工和采矿设计提供科学依据。本发明方法的步骤实施如下：

(S1)分析待测区域地质构造特征，确定地应力分量方向：区域岩体内赋存主要逆断层共有三个，断层平均方向东西(WE)，与矿体走向产状一致，表明区域岩体最大水平应力方向为垂直于断层走向，最小水平应力方向平行于矿体走向；另外，竖直方向的垂直应力为主应力之一。

(S2)布置地应力测站，测定巷道围岩松动圈厚度：在沿矿体走向布置的中段无轨运输巷和与之垂直交叉的穿脉巷道中分别进行地应力第一测站和第二测站的布置，两点间距30m，采用GD3Q-GA型钻孔电视测定两巷道围岩松动圈9的范围，确定巷道围岩松动圈9的厚度均为2.2m；

(S3)钻凿监测钻孔，测量巷道开挖应力分量：在两巷道2中分别在帮部腰线(距底板2.0m)处朝围岩10的松动圈9内垂直钻凿深2.0m和孔径90mm及标高相同的水平钻孔3，根据xyz坐标系朝向借助螺纹接长的套管8(单节1.0m，直径40mm)在钻孔3中定向安装三维地应力传感器4(量程40MPa)并引线后以预置的树脂锚固剂作为封堵填充物7进行钻孔封堵，使传感器4和围岩充分耦合接触，监测获得两孔底处的最终开挖应力分量(σ

(S4)反演计算巷道远场应力：在孔底开挖应力分量监测数据稳定的基础上，根据巷道2断面形状和尺寸及钻孔参数，基于平面应变假设采用复变函数反演解法由两组开挖应力分量(σ

(S5)修正区域岩体地应力：考虑两测点结果可能存在离散型，按照加权比例法修正两测点远场应力分量，修正后的远场应力分量(σ

S4步骤复变函数解法中，该直墙拱形巷道采用复合形方法迭代求解巷道断面的映射函数z＝10.40ζ+1.39-1.45ζ

由此，可代入公式(四)得出复势函数Ψ(ζ)和Φ(ζ)的表达式，再代入公式(五)即可得出关于σ

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。