地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀*

蘇宏剛，羅黎明

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司通風(fēng)處，陜西 渭南 715400；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

原地應(yīng)力是指在開(kāi)挖前或受到開(kāi)挖影響之前的原巖體的天然地應(yīng)力，又被稱作原巖應(yīng)力或絕對(duì)應(yīng)力，它是因?yàn)榈厍騼?nèi)部的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，其中導(dǎo)致地應(yīng)力形成最主要的2個(gè)原因?yàn)闃?gòu)造運(yùn)動(dòng)和上覆地層的重力作用。導(dǎo)致地下工程出現(xiàn)變形和破壞的根本作用力就是地應(yīng)力，因此準(zhǔn)確測(cè)試原地應(yīng)力是獲取工程巖體力學(xué)的特性、實(shí)現(xiàn)地下工程安全開(kāi)挖的設(shè)計(jì)和管理的前提條件[1]。對(duì)于礦井的建設(shè)和生產(chǎn)，地應(yīng)力的測(cè)量顯得極其重要，一方面礦井建設(shè)會(huì)擾動(dòng)地層導(dǎo)致初始地應(yīng)力重分布，另一方面復(fù)雜地應(yīng)力又會(huì)對(duì)礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，與煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突水等礦井地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象有著非常密切的關(guān)系，因此準(zhǔn)確掌握礦井地應(yīng)力的分布特征，對(duì)于防控地質(zhì)災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)礦井布置最優(yōu)化設(shè)計(jì)有著極其重要的意義。

由于地應(yīng)力測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，且受地質(zhì)構(gòu)造、巖體自重、剝蝕作用、地下水、地溫及巖體力學(xué)性質(zhì)等多因素影響[2]，地應(yīng)力分布狀態(tài)十分復(fù)雜、多變，要了解一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力分布特征，開(kāi)展實(shí)地地應(yīng)力測(cè)試工作是唯一的獲取途徑。同時(shí)巖體的天然地應(yīng)力是無(wú)法直接測(cè)量得到的，只能通過(guò)測(cè)量因?yàn)榈貞?yīng)力變化而引起的其他變化值(例如巖石的應(yīng)變值)，來(lái)反算出地應(yīng)力值，這也為地應(yīng)力的測(cè)量帶來(lái)了很大的難度。

本文綜述了地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的起源以及發(fā)展歷史，介紹并分析了2種最常用的測(cè)試技術(shù)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，探討了現(xiàn)有地應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)狀的不足以及未來(lái)發(fā)展前景，為今后地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的發(fā)展指明方向，為地下工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外地應(yīng)力測(cè)量發(fā)展概況

地應(yīng)力測(cè)試工作最早開(kāi)始于20世紀(jì)30年代的美國(guó)。1932年，美國(guó)人R.S.Lieurace首先在胡佛壩(HooverDam)下面的一個(gè)隧道進(jìn)行原位地應(yīng)力測(cè)量工作，所采用的方法是應(yīng)力解除法，成功獲取了該地的地應(yīng)力，開(kāi)辟了地應(yīng)力測(cè)量工作的先河。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，到20世紀(jì)90年代，地應(yīng)力測(cè)試儀器高達(dá)數(shù)百種以上，主要的測(cè)量方法也已超過(guò)10種[3]，之后的地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)仍不斷革新發(fā)展。

20世紀(jì)50年代末期我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試和研究工作，是在著名地質(zhì)學(xué)家李四光教授的大力推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的，我國(guó)地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的研究起步較晚但發(fā)展迅速，成功取得了大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，也開(kāi)發(fā)了很多新方法和技術(shù)。20世紀(jì)80年代，我國(guó)引入空心包體應(yīng)變計(jì)測(cè)試技術(shù)之后，國(guó)內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量改進(jìn)和創(chuàng)新，成功研發(fā)了大量國(guó)產(chǎn)空心包體應(yīng)變計(jì)，例如：KX-81、KX-2003、CKX-97、CKX-01型空心包體應(yīng)變計(jì)等，這些設(shè)備在地應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，水力壓裂地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)于1980年在河北易縣得到首次應(yīng)用并取得成功，之后水力壓裂地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，取得了巨大發(fā)展，如今測(cè)量技術(shù)已相對(duì)成熟。

地應(yīng)力測(cè)量最主要的方法有6種，分別是應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、水壓致裂法、光彈法、聲發(fā)射法、X射線法。應(yīng)力解除法和水壓致裂法因?yàn)槠錅y(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確科學(xué)、適用范圍廣、測(cè)試過(guò)程較為方便，已經(jīng)成為目前使用最廣泛的地應(yīng)力測(cè)量方法。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(International Society for Rock Mechanics，ISRM)、美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing Materials，ASTM)和國(guó)內(nèi)規(guī)程均將應(yīng)力解除法和水壓致裂法作為地應(yīng)力測(cè)量的推薦方法[4 -7]。

2 應(yīng)力解除法

應(yīng)力解除法技術(shù)是基于彈性理論的解答，來(lái)反算出地應(yīng)力。應(yīng)力解除法基本原理是在測(cè)點(diǎn)位置使用取芯鉆桿人為地把測(cè)點(diǎn)巖體與周?chē)鷰r體分隔開(kāi)，把測(cè)點(diǎn)巖體的原始地應(yīng)力解除，該巖體就會(huì)發(fā)生彈性形變，假設(shè)該巖體為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，并且在加載和卸載時(shí)巖體所受到的應(yīng)力與發(fā)生應(yīng)變的關(guān)系是一樣的，有著相同的函數(shù)關(guān)系。應(yīng)變計(jì)中的應(yīng)變片監(jiān)測(cè)應(yīng)力在解除過(guò)程中不同位置巖體的幾何尺寸發(fā)生彈性恢復(fù)的應(yīng)變值，借助彈性理論的解答來(lái)計(jì)算巖體單元所受的原地應(yīng)力的應(yīng)力大小和方向。測(cè)量步驟：①在測(cè)點(diǎn)鉆進(jìn)直徑D=130 mm，深度小于30 m的大孔并磨平孔底；②在孔底鉆進(jìn)巖石錐形導(dǎo)向孔；③在孔底鉆進(jìn)直徑為36 mm，深度為400 mm的同心小孔，并沖洗干凈、擦干水分；④在小孔中安裝應(yīng)變計(jì)，利用環(huán)氧樹(shù)脂固化劑使其與孔壁緊密相連，待24 h固化劑凝固之后與應(yīng)變儀相連，測(cè)量穩(wěn)定初始讀數(shù)；⑤套鉆解除應(yīng)力，測(cè)地應(yīng)力解除過(guò)程中的應(yīng)變計(jì)讀數(shù)；⑥折斷巖芯，在實(shí)驗(yàn)室中求取彈性模量E。測(cè)量步驟如圖1所示。

圖1 空心包體應(yīng)變計(jì)應(yīng)力解除過(guò)程Fig.1 Stress relief process of hollow inclusion strain gauge

應(yīng)力解除法技術(shù)最經(jīng)典的測(cè)試儀器是CSIRO型空心包體式。第1代CSIRO型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)于1976年由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織(CSIRO)資源開(kāi)發(fā)研究所巖石力學(xué)部研制，在后來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，各國(guó)學(xué)者又對(duì) CSIRO型空心包體式三向應(yīng)變計(jì)原設(shè)計(jì)做了大量改進(jìn)，目前已成為世界上采用最廣泛的地應(yīng)力測(cè)量設(shè)備[1]。這種類(lèi)型的空心包體式應(yīng)變計(jì)具有2個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：①優(yōu)化了測(cè)量元件應(yīng)變片的布置，CSIRO型空心包體式采用了10 mm有效長(zhǎng)度的電阻絲應(yīng)變片，有效解決了多微裂隙、多節(jié)理巖體地應(yīng)力難測(cè)量的痛點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)變片的布置形式也做了很大改進(jìn)，在原有3處應(yīng)變花的基礎(chǔ)上，多布置了3個(gè)應(yīng)變片，組成了4處應(yīng)變花，共12個(gè)應(yīng)變片，進(jìn)行一次測(cè)量便可同時(shí)得到12個(gè)應(yīng)變觀測(cè)值方程，應(yīng)變片位置分布如圖2所示。②對(duì)解除應(yīng)變實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正，可利用圍壓加載試驗(yàn)的成果來(lái)修正解除應(yīng)變實(shí)測(cè)值，從而提高地應(yīng)力測(cè)量的精度[8]。在采用空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用和借鑒上述2個(gè)優(yōu)點(diǎn)，從而使地應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果更加精確。

圖2 SY-2010型單回路水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 SY-2010 single circuit hydraulic fracturing ground stress measurement system

應(yīng)力解除法技術(shù)發(fā)展歷史最長(zhǎng)，它可以準(zhǔn)確測(cè)得三維地應(yīng)力的6個(gè)應(yīng)力分量，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)試成功率高、測(cè)量精度極高、試驗(yàn)周期短、能適應(yīng)地質(zhì)條件較差的巖體等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但這種方法對(duì)測(cè)量地要求高，難以測(cè)量深部地應(yīng)力。

3 水壓致裂法

水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，并提出了3個(gè)假設(shè)條件：測(cè)點(diǎn)巖體為連續(xù)、均勻、各向同性的線彈性體；測(cè)點(diǎn)巖體為非滲透性，巖體為多孔介質(zhì)時(shí)，注入的流體按照達(dá)西定律在巖體空隙中流動(dòng)；鉆孔需與其中一個(gè)主應(yīng)力保持平行[9]。測(cè)試步驟為：①?gòu)牡孛娲怪毕蛳裸@孔，在孔中選擇試驗(yàn)段；②檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)并安裝測(cè)量設(shè)備；③將2個(gè)封隔器下放至選定的試驗(yàn)段，并座封在鉆孔孔壁上，形成獨(dú)立的壓裂段空間；④向壓裂段空間注入壓力液，使圍巖破裂，記此時(shí)的液壓為破裂壓力Pb，這時(shí)液壓值急劇下降直至平緩，記平緩后的液壓為Ps，完全解除壓力之后再次注入流體使得巖體裂縫重新張開(kāi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值記為Pr，每個(gè)測(cè)段一般進(jìn)行4～6個(gè)回次；⑤解封封隔器，使用印模器或鉆孔電視來(lái)觀測(cè)巖體裂縫的位置和方向。

臨界破裂壓力為孔壁破裂處的集中應(yīng)力加上巖石的抗拉強(qiáng)度T，即

Pb= 3σ2-σ1+T

(1)

其中，Ps等于垂直裂縫面的最小水平主應(yīng)力σh，即Ps=σh。最大水平主應(yīng)力σH的計(jì)算公式

σH=3Ps-Pr-P0

(2)

式中，P0為巖層的孔隙水壓力，巖體裂縫的方向即為最大水平主應(yīng)力的方向。垂直應(yīng)力是根據(jù)上覆巖石的重量計(jì)算而得，即

σv=ρgd

(3)

式中，ρ為巖石密度，kg·m-3；d為深度，m；g為重力加速度，m·s-2。

一般情況下，鉆孔在施工過(guò)程中很難保持孔軸與垂直主應(yīng)力平行，這樣就違背了傳統(tǒng)水壓致裂測(cè)地應(yīng)力的3個(gè)假設(shè)之一，根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的建議，如果孔軸與垂直地應(yīng)力的夾角超過(guò)15°，所測(cè)數(shù)據(jù)就不應(yīng)被采用。三孔三維水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量擺脫了孔軸與垂直地應(yīng)力平行這一假設(shè)條件，該方法假設(shè)3個(gè)不同方向的鉆孔的地應(yīng)力狀況相同，分別對(duì)這3個(gè)鉆孔進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量，再結(jié)合3個(gè)鉆孔的測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)立方程，從而測(cè)得試驗(yàn)段的地應(yīng)力的大小及方向[11]。

水壓致裂法測(cè)地應(yīng)力技術(shù)是目前最主要的一種可以進(jìn)行深部地應(yīng)力測(cè)量的方法，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)單方便、測(cè)值準(zhǔn)確穩(wěn)定、計(jì)算過(guò)程中不需要巖石的彈性參數(shù)、可以連續(xù)重復(fù)測(cè)量以及測(cè)試所需時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，由于水壓致裂法在煤礦地應(yīng)力測(cè)量方面尤其是在礦井的前期勘探中具有最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，因此在礦井的勘探階段得到了廣泛應(yīng)用[12]。

4 地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的前景展望

隨著我國(guó)深部地下工程不斷發(fā)展，地應(yīng)力的影響愈發(fā)顯著，因此地應(yīng)力測(cè)量顯得尤為重要，現(xiàn)階段我國(guó)地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大差距：①我國(guó)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)的深度有限，地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)分布不均，缺乏十分系統(tǒng)的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，缺乏統(tǒng)一的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[13]。②我國(guó)現(xiàn)行的地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)和儀器設(shè)備還存在很多不足，在惡劣地質(zhì)環(huán)境下的長(zhǎng)期測(cè)試工作的穩(wěn)定性和精度問(wèn)題亟待解決，地應(yīng)力測(cè)量體系的現(xiàn)代化水平不夠，尚需向自動(dòng)化、集成化和智能化發(fā)展。

地應(yīng)力測(cè)試工作一直是世紀(jì)性難題，是一項(xiàng)綜合性的測(cè)量工作，目前沒(méi)有一種單一的測(cè)量方法能夠完全保證地應(yīng)力測(cè)量的精度，以及勝任所有測(cè)試目的和測(cè)試環(huán)境的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作。除了聯(lián)合多種方法進(jìn)行測(cè)量，以保證測(cè)試結(jié)果的可靠性及對(duì)測(cè)試環(huán)境的適應(yīng)性，更應(yīng)該改進(jìn)和研發(fā)新的測(cè)試技術(shù)、研制新型測(cè)試設(shè)備，還應(yīng)打破“現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試”固有思想，發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的地應(yīng)力測(cè)試方法，以適應(yīng)各種復(fù)雜因素和提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)力解除法和水壓致裂法是目前使用最廣泛的地應(yīng)力測(cè)量方法，是國(guó)內(nèi)外多個(gè)學(xué)會(huì)或協(xié)會(huì)推薦的地應(yīng)力測(cè)量方法。但在推廣使用至今出現(xiàn)了許多問(wèn)題，這為地應(yīng)力測(cè)試工作帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，也是科研人員日后努力的方向。為了提高測(cè)試精度和適應(yīng)更加復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，除了改進(jìn)和研發(fā)新的測(cè)試技術(shù)、研制新型測(cè)試設(shè)備，還應(yīng)不斷突破力求創(chuàng)新，使地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)向現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方向發(fā)展。