地應力測試技術研究現狀*

蘇宏剛，羅黎明

(1.陜西陜煤韓城礦業有限公司通風處，陜西 渭南 715400；2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

原地應力是指在開挖前或受到開挖影響之前的原巖體的天然地應力，又被稱作原巖應力或絕對應力，它是因為地球內部的各種動力運動而產生的，其中導致地應力形成最主要的2個原因為構造運動和上覆地層的重力作用。導致地下工程出現變形和破壞的根本作用力就是地應力，因此準確測試原地應力是獲取工程巖體力學的特性、實現地下工程安全開挖的設計和管理的前提條件[1]。對于礦井的建設和生產，地應力的測量顯得極其重要，一方面礦井建設會擾動地層導致初始地應力重分布，另一方面復雜地應力又會對礦井安全生產產生嚴重影響，與煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突水等礦井地質災害現象有著非常密切的關系，因此準確掌握礦井地應力的分布特征，對于防控地質災害、實現礦井布置最優化設計有著極其重要的意義。

由于地應力測試環境復雜，且受地質構造、巖體自重、剝蝕作用、地下水、地溫及巖體力學性質等多因素影響[2]，地應力分布狀態十分復雜、多變，要了解一個地區的地應力分布特征，開展實地地應力測試工作是唯一的獲取途徑。同時巖體的天然地應力是無法直接測量得到的，只能通過測量因為地應力變化而引起的其他變化值(例如巖石的應變值)，來反算出地應力值，這也為地應力的測量帶來了很大的難度。

本文綜述了地應力測量技術的起源以及發展歷史，介紹并分析了2種最常用的測試技術的基本原理、優缺點和適用范圍，探討了現有地應力測試現狀的不足以及未來發展前景，為今后地應力測試技術的發展指明方向，為地下工程建設提供理論依據。

1 國內外地應力測量發展概況

地應力測試工作最早開始于20世紀30年代的美國。1932年，美國人R.S.Lieurace首先在胡佛壩(HooverDam)下面的一個隧道進行原位地應力測量工作，所采用的方法是應力解除法，成功獲取了該地的地應力，開辟了地應力測量工作的先河。經過幾十年的發展，到20世紀90年代，地應力測試儀器高達數百種以上，主要的測量方法也已超過10種[3]，之后的地應力測量技術仍不斷革新發展。

20世紀50年代末期我國開始進行地應力測試和研究工作，是在著名地質學家李四光教授的大力推動下發展起來的，我國地應力測試技術的研究起步較晚但發展迅速，成功取得了大量的測量數據，也開發了很多新方法和技術。20世紀80年代，我國引入空心包體應變計測試技術之后，國內學者在此基礎上進行了大量改進和創新，成功研發了大量國產空心包體應變計，例如：KX-81、KX-2003、CKX-97、CKX-01型空心包體應變計等，這些設備在地應力測試現場得到了廣泛的應用。與此同時，水力壓裂地應力測量技術于1980年在河北易縣得到首次應用并取得成功，之后水力壓裂地應力測量技術在國內得到廣泛應用，取得了巨大發展，如今測量技術已相對成熟。

地應力測量最主要的方法有6種，分別是應力恢復法、應力解除法、水壓致裂法、光彈法、聲發射法、X射線法。應力解除法和水壓致裂法因為其測量結果準確科學、適用范圍廣、測試過程較為方便，已經成為目前使用最廣泛的地應力測量方法。國際巖石力學學會(International Society for Rock Mechanics，ISRM)、美國材料實驗協會(American Society for Testing Materials，ASTM)和國內規程均將應力解除法和水壓致裂法作為地應力測量的推薦方法[4 -7]。

2 應力解除法

應力解除法技術是基于彈性理論的解答，來反算出地應力。應力解除法基本原理是在測點位置使用取芯鉆桿人為地把測點巖體與周圍巖體分隔開，把測點巖體的原始地應力解除，該巖體就會發生彈性形變，假設該巖體為連續、均質和各向同性的彈性體，并且在加載和卸載時巖體所受到的應力與發生應變的關系是一樣的，有著相同的函數關系。應變計中的應變片監測應力在解除過程中不同位置巖體的幾何尺寸發生彈性恢復的應變值，借助彈性理論的解答來計算巖體單元所受的原地應力的應力大小和方向。測量步驟：①在測點鉆進直徑D=130 mm，深度小于30 m的大孔并磨平孔底；②在孔底鉆進巖石錐形導向孔；③在孔底鉆進直徑為36 mm，深度為400 mm的同心小孔，并沖洗干凈、擦干水分；④在小孔中安裝應變計，利用環氧樹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變儀相連，測量穩定初始讀數；⑤套鉆解除應力，測地應力解除過程中的應變計讀數；⑥折斷巖芯，在實驗室中求取彈性模量E。測量步驟如圖1所示。

圖1 空心包體應變計應力解除過程Fig.1 Stress relief process of hollow inclusion strain gauge

應力解除法技術最經典的測試儀器是CSIRO型空心包體式。第1代CSIRO型空心包體式鉆孔三向應變計于1976年由澳大利亞聯邦科學和工業研究組織(CSIRO)資源開發研究所巖石力學部研制，在后來的現場應用過程中，各國學者又對 CSIRO型空心包體式三向應變計原設計做了大量改進，目前已成為世界上采用最廣泛的地應力測量設備[1]。這種類型的空心包體式應變計具有2個顯著的優勢：①優化了測量元件應變片的布置，CSIRO型空心包體式采用了10 mm有效長度的電阻絲應變片，有效解決了多微裂隙、多節理巖體地應力難測量的痛點，同時應變片的布置形式也做了很大改進，在原有3處應變花的基礎上，多布置了3個應變片，組成了4處應變花，共12個應變片，進行一次測量便可同時得到12個應變觀測值方程，應變片位置分布如圖2所示。②對解除應變實測值進行修正，可利用圍壓加載試驗的成果來修正解除應變實測值，從而提高地應力測量的精度[8]。在采用空心包體式鉆孔三向應變計進行地應力測量時，應當充分利用和借鑒上述2個優點，從而使地應力的實測結果更加精確。

圖2 SY-2010型單回路水壓致裂地應力測量系統Fig.2 SY-2010 single circuit hydraulic fracturing ground stress measurement system

應力解除法技術發展歷史最長，它可以準確測得三維地應力的6個應力分量，具有操作簡單、測試成功率高、測量精度極高、試驗周期短、能適應地質條件較差的巖體等獨特的優點，但這種方法對測量地要求高，難以測量深部地應力。

3 水壓致裂法

水壓致裂法測量地應力是以彈性力學為基礎，并提出了3個假設條件：測點巖體為連續、均勻、各向同性的線彈性體；測點巖體為非滲透性，巖體為多孔介質時，注入的流體按照達西定律在巖體空隙中流動；鉆孔需與其中一個主應力保持平行[9]。測試步驟為：①從地面垂直向下鉆孔，在孔中選擇試驗段；②檢驗測量系統并安裝測量設備；③將2個封隔器下放至選定的試驗段，并座封在鉆孔孔壁上，形成獨立的壓裂段空間；④向壓裂段空間注入壓力液，使圍巖破裂，記此時的液壓為破裂壓力Pb，這時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，此時對應的壓力值記為Pr，每個測段一般進行4～6個回次；⑤解封封隔器，使用印模器或鉆孔電視來觀測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力加上巖石的抗拉強度T，即

Pb= 3σ2-σ1+T

(1)

其中，Ps等于垂直裂縫面的最小水平主應力σh，即Ps=σh。最大水平主應力σH的計算公式

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力的方向。垂直應力是根據上覆巖石的重量計算而得，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，鉆孔在施工過程中很難保持孔軸與垂直主應力平行，這樣就違背了傳統水壓致裂測地應力的3個假設之一，根據國際巖石力學學會的建議，如果孔軸與垂直地應力的夾角超過15°，所測數據就不應被采用。三孔三維水壓致裂地應力測量擺脫了孔軸與垂直地應力平行這一假設條件，該方法假設3個不同方向的鉆孔的地應力狀況相同，分別對這3個鉆孔進行水壓致裂地應力測量，再結合3個鉆孔的測量數據聯立方程，從而測得試驗段的地應力的大小及方向[11]。

水壓致裂法測地應力技術是目前最主要的一種可以進行深部地應力測量的方法，同時具有操作簡單方便、測值準確穩定、計算過程中不需要巖石的彈性參數、可以連續重復測量以及測試所需時間短等優點，由于水壓致裂法在煤礦地應力測量方面尤其是在礦井的前期勘探中具有最經濟實用的優點，因此在礦井的勘探階段得到了廣泛應用[12]。

4 地應力測量技術的前景展望

隨著我國深部地下工程不斷發展，地應力的影響愈發顯著，因此地應力測量顯得尤為重要，現階段我國地應力測量與監測技術與發達國家相比還存在很大差距：①我國地應力監測的深度有限，地應力測量數據分布不均，缺乏十分系統的地應力監測網絡，缺乏統一的地應力監測的標準規范[13]。②我國現行的地應力測量技術和儀器設備還存在很多不足，在惡劣地質環境下的長期測試工作的穩定性和精度問題亟待解決，地應力測量體系的現代化水平不夠，尚需向自動化、集成化和智能化發展。

地應力測試工作一直是世紀性難題，是一項綜合性的測量工作，目前沒有一種單一的測量方法能夠完全保證地應力測量的精度，以及勝任所有測試目的和測試環境的地應力監測工作。除了聯合多種方法進行測量，以保證測試結果的可靠性及對測試環境的適應性，更應該改進和研發新的測試技術、研制新型測試設備，還應打破“現場測試”固有思想，發展現場實測與數值模擬分析相結合的地應力測試方法，以適應各種復雜因素和提高數據準確性。

5 結語

應力解除法和水壓致裂法是目前使用最廣泛的地應力測量方法，是國內外多個學會或協會推薦的地應力測量方法。但在推廣使用至今出現了許多問題，這為地應力測試工作帶來了極大挑戰，也是科研人員日后努力的方向。為了提高測試精度和適應更加復雜的地質環境，除了改進和研發新的測試技術、研制新型測試設備，還應不斷突破力求創新，使地應力測試技術向現場實測與數值模擬分析相結合的方向發展。