[發明專利]一種基于常規單三軸壓縮試驗確定地應力方向的方法

有效

• 申請號: 201711403952.8
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN108132186B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 左建平;姜廣輝;陳巖
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01N3/06
• 分類號: G01N3/06;G01N3/08
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• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于常規單三軸壓縮試驗確定地應力方向的方法，涉及地應力方向的判斷方法領域，所述方法通過斷裂力學理論證明巖石試件受單三軸加載破壞形成的宏觀裂隙方向與地應力釋放產生的卸荷裂隙方向相同。進一步通過試驗判斷地應力方向，包括步驟：一、現場定位取芯，試樣加工，方向標記后對試件進行常規單三軸壓縮試驗加載至破壞；二、對破壞后的試件上端面拍照處理；三、觀察端面交線，判斷所屬類型；四、根據所屬類型選擇相應的角度測量方法；五、根據所測角度確定地應力方向。本發明原理簡單，操作簡便，減少了其他單獨的地應力方向測試操作，增加常規單三軸壓縮試驗的成果，具有廣泛的推廣應用價值。

技術領域

本發明涉及地應力方向的判斷方法，具體為一種基于常規單三軸壓縮試驗確定地應力方向的方法。

背景技術

地應力是引起巷道和鉆井變形的根本因素，地應力的大小、方向對圍巖穩定性影響較大。因此地應力大小的測量及方向的確定對巷道及鉆井方向的布置開挖，瓦斯抽采工程設計與煤層氣井網布置等工程有重要的指導作用。

從地應力概念提出至今，已有很多種地應力方向的判斷方法，通過室內巖芯試驗確定地應力方向的常用分析方法有：差應變曲線分析法，差波速分析法，圓周波速各向異性分析法，微裂隙巖相分析法等，這些方法均基于卸荷裂隙理論。而這些方法都需要對巖石相關的物理力學性質進行測量，反演出巖石內部微裂紋方向，據此判斷地應力方向。

常規單三軸壓縮試驗是研究巖石力學特性的基礎試驗，使用廣泛，操作簡單，也是研究巖石性質的必要操作試驗，如果能根據常規單三軸壓縮試驗結果判斷出地應力方向，將會減少其他試驗操作，增加常規單三軸壓縮試驗的成果。因此，本發明提供一種基于常規單三軸壓縮試驗的測試方法來判斷地應力方向。

發明內容

本發明的目的是提供一種根據常規單三軸壓縮試驗試件破壞面方位判斷地應力方向的方法(簡稱為單三軸加載法)。本發明通過斷裂力學理論揭示了巖石試件單三軸加載破壞時地應力釋放產生的卸荷裂隙對宏觀破壞裂隙的誘導作用，證明了試件破壞時產生的宏觀裂隙與微觀卸荷裂隙方向相同，根據卸荷裂隙理論，通過觀察試件破壞宏觀裂隙形態即可判斷地應力方向。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

1、單三軸加載法理論基礎

格里菲斯在對玻璃等脆性材料進行了一系列研究，提出了評價脆性材料的強度理論—格里菲斯強度理論。該強度理論的核心思想：脆性材料中存在著大量的微裂紋，這些微裂紋在外力作用下，擴展、連接、貫通，形成宏觀裂紋，最終導致材料的破壞。而地應力釋放形成的大量卸荷裂隙有一定的方向性，根據格里菲斯強度理論的核心思想可知，卸荷裂隙的方向性最終可能導致巖石破壞的宏觀裂隙的方向性與卸荷裂隙(或地應力)方向相關。

單軸加載為三軸加載的特例，因此只對三軸加載條件進行分析，以下計算壓應力為正。采用疊加原理，對三軸加載進行分解。附圖2中第Ⅰ部分為沿裂隙面，第Ⅱ部分為垂直裂隙面。

對第Ⅰ部分進行分析。圓上任意一點P的受力狀態如下：

沿過P點的A-A截面剖開裂隙，剖面與第Ⅱ部分組合后即可將三維裂紋問題簡化為橢圓孔受雙向壓縮問題。在A-A截面內，τ_α的影響較小，忽略τ_α的影響，只考慮σ_α和σ₃的影響，如附圖3所示。

橢圓孔受任意兩垂直應力壓縮問題，孔邊環向應力為：

式中，β為最大主應力與m軸正方向夾角。此處β＝0，因此可知附圖3上孔邊環向應力的解為：

這里特別討論長軸端點和短軸端點。長軸端點處cos2η＝1，代入式(3)可得