[發(fā)明專利]高地應(yīng)力地區(qū)存在巖芯餅化現(xiàn)象時(shí)測(cè)量地應(yīng)力的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210021749.5
• 申請(qǐng)日: 2012-02-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102564653A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅立平;田慶龍;劉志軍;李彥恒;潘越峰;郭三虎;司永領(lǐng);鄭軍林;王少華;王國(guó)順;胡繼波;常樂(lè);張來(lái)峰;李兆凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程設(shè)計(jì)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01L1/00
• 分類(lèi)號(hào): G01L1/00
• 代理公司: 中國(guó)人民解放軍第二炮兵專利服務(wù)中心 11040
• 代理人: 肖進(jìn)

1.一種高地應(yīng)力地區(qū)存在巖芯餅化現(xiàn)象時(shí)測(cè)量地應(yīng)力的方法，包括以下步驟：

a、原巖巖餅取樣

取2倍洞徑以外典型的原巖巖餅至少3塊，要求各巖餅的孔深相差在1m以內(nèi)，巖餅形態(tài)類(lèi)似，記錄每個(gè)巖餅發(fā)生處的埋深和孔深；

b、確定每個(gè)巖餅三個(gè)主應(yīng)力的方向

b1、設(shè)：巖石在力學(xué)上是均勻且各向同性的；巖餅表面和巖芯根部的平均贗軸拉應(yīng)力σ_sz方向近似垂直，其方位角和最小主應(yīng)力σ₃一致；

b2、建立X-Y-Z坐標(biāo)系：鉆孔鉆進(jìn)方向?yàn)閆軸，最大主應(yīng)力σ₁在Z軸法平面上的投影為X軸，由右手準(zhǔn)則確定Y軸；地磁北極到Y(jié)軸的夾角為θ₀，三維地應(yīng)力在三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量分別為σ_x、σ_y、σ_z；

b3、建立巖餅外沿高度曲線z和σ₁、σ₂、σ₃三個(gè)主應(yīng)力方向的數(shù)學(xué)模型

設(shè)σ₂為中間主應(yīng)力；

b3.1當(dāng)σ₃＝σ_z和σ₁＞σ₂時(shí)，巖餅外沿的高度曲線z由下式給出：

z＝A_mcos²(θ-θ₀)(1)

其中Am是巖餅外沿高度變化的幅度；θ是巖餅外沿上點(diǎn)在X-Y平面投影的角度，以正北方向?yàn)?°，以逆時(shí)針為正；此時(shí)σ₃的方向和鉆孔軸向即Z軸一致，凹、凸面軸分別與σ₁即X軸、σ₂即Y軸的方向一致，即θ₀＝θ₂；θ₂為σ₂的方位角；

b3.2當(dāng)σ₃≠σ_z和σ₁＞σ₂時(shí)，巖餅形態(tài)的對(duì)稱性被破壞；為描述巖餅外沿的高度，將b2步驟中建立的X-Y-Z坐標(biāo)繞X軸旋轉(zhuǎn)α角到X′-Y′-Z′坐標(biāo)，再繞Y′軸旋轉(zhuǎn)β角到X″-Y″-Z″坐標(biāo)，最終坐標(biāo)軸Z″和σ_sz的方向一致；這種條件下巖餅外沿的高度z在X-Y-Z坐標(biāo)系中的表示由下式給出：

z=Amcos2(θ-θ0)+R[sinαcosβcos(θ-θ0)+sinβsin(θ-θ0)]cosαcosβ---(2)]]>

其中R是巖餅的半徑；設(shè)：φ_sz為σ_sz的傾角，θ₃為最小主應(yīng)力σ₃的方位角，也是σ_sz的方位角，則θ₀＝θ₂仍然成立，各個(gè)角度之間有如下關(guān)系：

tan(θ3-θ0)=tanβsinα---(3)]]>

cosφ_sz＝cosαcosβ(4)

tanφ2=1tanφ3cos(θ3-θ0)---(5)]]>

φ_sz＝58.8ξ-151.3ξ²+141.2ξ³(6)

φ3=φsz0.142+0.296ξ---(7)]]>

其中φ₂、φ₃分別是σ₂、σ₃的傾角；θ₁、φ₁分別是σ₁的方位角、傾角；ξ是中間變量，其定義為：

ξ＝(σ_z-σ₃)/σ_m????(8)

?其中σm=13(σx+σy+σz)=13(σ1+σ2+σ3),]]>是平均主應(yīng)力；

根據(jù)三個(gè)主應(yīng)力相互垂直的理論要求，當(dāng)σ₂、σ₃的方向確定后，σ₁的方向也隨之確定；

b4.測(cè)量巖餅外沿高度曲線

以正北方向?yàn)?°，以逆時(shí)針為正，記錄巖餅外沿各點(diǎn)的高度z和角度θ，畫(huà)出z-θ高度曲線；

b5.根據(jù)z-θ高度曲線和以下判據(jù)確定三個(gè)主應(yīng)力的方向：

b5.1如果α＝β＝0，且A_m＝0，即巖餅形態(tài)呈軸對(duì)稱，則σ₃的方向和鉆孔軸向平行，且σ₁＝σ₂；

b5.2如果α＝β＝0，且A_m≠0，即巖餅形態(tài)呈單個(gè)平面對(duì)稱，則σ₃的方向和鉆孔軸向平行，σ₁、σ₂的方向垂直于鉆孔軸向；利用計(jì)算機(jī)函數(shù)曲線擬合程序找出相應(yīng)的參數(shù)θ₀，確定σ₁、σ₂的方位角；

b5.3如果α、β有一個(gè)不為零或者都不為零，且A_m≤0.01，即巖餅形態(tài)呈單個(gè)平面對(duì)稱，z-θ高度曲線顯示的周期近似為360°，則利用計(jì)算機(jī)函數(shù)曲線擬合程序找出最佳的α、β、θ₀，再利用公式(3)、(4)、(6)、(7)求出θ₃、φ₂、φ₃，確定相應(yīng)的θ₁、φ₁，從而確定出三個(gè)主應(yīng)力的方向；

b5.4如果α、β有一個(gè)不為零或者都不為零，且A_m≠0，即巖餅形態(tài)呈單個(gè)平面對(duì)稱，高度曲線顯示的周期近似為180°，則利用計(jì)算機(jī)函數(shù)曲線擬合程序找出最佳的A_mα、β、θ₀，再利用公式(3)、(4)、(6)、(7)求出θ₃、φ₂、φ₃，確定相應(yīng)的θ₁、φ₁，從而確定出三個(gè)主應(yīng)力的方向；

c、做巖石的巴西圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)，確定每個(gè)巖餅的巖石抗拉強(qiáng)度S_t；

d、確定每個(gè)巖餅三個(gè)主應(yīng)力的大小

根據(jù)三個(gè)主應(yīng)力的方向確定真實(shí)的X-Y-Z坐標(biāo)系，求出三個(gè)主應(yīng)力在X-Y-Z坐標(biāo)系下的方向余弦l_i＝cosθ_icosφ_i，m_i＝sinθ_icosφ_i，n_i＝sinφ_i，其中下標(biāo)i＝1，2，3；σ_x、σ_y、σ_z在坐標(biāo)系X-Y-Z下可由σ₁、σ₂、σ₃來(lái)表示如下：

σx=l12σ1+l22σ2+l32σ3---(9)]]>

σy=m12σ1+m22σ2+m32σ3---(10)]]>

σz=n12σ1+n22σ2+n32σ3---(11)]]>

當(dāng)巖芯根部區(qū)域兩個(gè)的贗軸拉應(yīng)力等值面在巖心軸線附近交于一點(diǎn)時(shí)，可能產(chǎn)生巖餅，此時(shí)巖芯根部的最大平均贗軸拉應(yīng)力就是臨界拉應(yīng)力σ_tc，臨界拉應(yīng)力和巖餅產(chǎn)生時(shí)巖芯所受三維應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系為：

σtcσm=-A+Bσxσm-C(σxσm)2-D(σx-σyσm)---(12)]]>

其中A、B、C、D是巖芯的臨界拉應(yīng)力系數(shù)；只有當(dāng)臨界拉應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度S_t時(shí)，即：

σ_tc＝S_t(13)

巖餅才能產(chǎn)生；設(shè)巖餅產(chǎn)生后孔底殘留的根部巖芯——即巖臺(tái)的長(zhǎng)度是L，巖餅的半徑是R，L和巖餅厚度t有如下關(guān)系：

LR=t/R1+0.00261(t/R)-4.37-0.0716---(14)]]>

對(duì)于確定的巖餅厚度t，L一定，進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)數(shù)據(jù)繪制的巖臺(tái)長(zhǎng)度曲線圖，確定巖芯的臨界拉應(yīng)力系數(shù)——公式(12)中的A、B、C、D四個(gè)系數(shù)，結(jié)合步驟c中測(cè)得的巖石抗拉強(qiáng)度S_t和公式(12)，得到σ_x、σ_y、σ_z的一個(gè)等式(13)；

X-Y-Z坐標(biāo)系確定后，可算出垂直朝上方向在此坐標(biāo)系中的方向余弦l_y、m_v、n_v，對(duì)于巖石埋深一定，垂直應(yīng)力可估算為：σ_v＝ρgh，其中ρ是巖石的天然密度，g是重力加速度，h是巖餅發(fā)生處的埋深；此時(shí)垂直應(yīng)力σ_v可用σ₁、σ₂、σ₃表示為：

σ_v＝(l₁l_v+m₁m_v+n₁n_v)²σ₁+(l₂l_v+m₂m_v+n₂n_v)²σ₂+(l₃l_v+m₃m_v+n₃n_v)²σ₃(15)

?由公式(8)、(9)(10)、(11)、(13)、(15)算出三個(gè)主應(yīng)力σ₁、σ₂、σ₃的大小。

e、對(duì)各塊巖餅確定出的地應(yīng)力大小數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，作為該地區(qū)地應(yīng)力大小的數(shù)值。