[發明專利]一種斷層破碎帶軟巖地應力估算方法

有效

• 申請號: 202010439581.4
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111794732B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 陳衛忠;李喆;田洪銘;張廣澤;王棟;楊建平;田云
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: E21B47/06
• 分類號: E21B47/06;E21B49/00;G06Q50/02
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 張曉冬

1.一種斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，包括：

步驟1：獲得硬巖地區的三個主應力的地應力測試結果，所述三個主應力包括：水平大主應力、水平小主應力及豎直應力；以水平大主應力方向為x軸，水平小主應力方向為y軸，豎直應力方向為z軸建立原始坐標系，以確定所述硬巖地區的原始坐標系的應力矩陣；

步驟2：根據轉換矩陣公式確定坐標轉換的第一轉換矩陣，并根據所述第一轉換矩陣及應力分量轉換公式，將所述硬巖地區的原始坐標系的應力矩陣轉換成所述硬巖地區的大地坐標系的應力矩陣；

步驟3：根據所述轉換矩陣公式確定坐標轉換的第二轉換矩陣，并根據所述第二轉換矩陣及所述應力分量轉換公式，將所述硬巖地區的大地坐標系的應力矩陣轉換成所述硬巖地區的斷層坐標系的應力矩陣；再根據廣義胡克定律，將所述硬巖地區的斷層坐標系的應力矩陣轉換成軟巖地區的斷層坐標系的應力矩陣；

步驟4：通過第三轉換矩陣運用所述應力分量轉換公式的反運算，將所述軟巖地區的斷層坐標系的應力矩陣轉換成軟巖地區的大地坐標系的應力矩陣，所述第三轉換矩陣為所述第二轉換矩陣的轉置矩陣；

步驟5：通過第四轉換矩陣運用所述應力分量轉換公式的反運算，將所述軟巖地區的大地坐標系的應力矩陣轉換成軟巖地區的隧道坐標系的應力矩陣，所述第四轉換矩陣為所述第一轉換矩陣的轉置矩陣。

2.如權利要求1所述的斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，還包括步驟6：

根據所述第四轉換矩陣及所述應力分量轉換公式，將所述硬巖地區的大地坐標系的應力矩陣轉換成所述硬巖地區的隧道坐標系的應力矩陣。

3.如權利要求1所述的斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，所述斷層破碎帶軟巖地應力估算方法具有假定前提條件，所述假定前提條件為：

平行于xoy面的巖層的水平方向的尺寸比豎直方向的尺寸大；

巖層各向同性；

材料滿足彈性假設。

4.如權利要求1所述的斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，

對于同一點在不同坐標系下的所述應力分量轉換公式的矩陣表達式為：

[σ']＝[β][σ][β]^T；

其中，[σ′]為新坐標系的應力矩陣，[β]為轉換矩陣，[σ]為原坐標系的應力矩陣。

5.如權利要求1所述的斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，

對于同一點在不同坐標系下的轉換矩陣公式為：

其中，設x，y，z為原坐標系的坐標軸，x′，y′，z′為新坐標系的坐標軸，lij＝cos(Ai，Bj)，i＝1～3，j＝1～3，A1～A3分別為x′、y′、z′，B1～B3分別為x、y、z，即所述lij為Ai軸與Bj軸夾角的余弦。

6.如權利要求5所述的斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，

設定所述硬巖地區的大地坐標系的最大水平主應力方向為x′軸向北，最小水平主應力方向為y′軸向東，豎直應力為z′軸向下；所述大地坐標系的最大水平主應力的方位角為α；

所述步驟2中的所述第一轉換矩陣公式為：

7.如權利要求5所述的斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，

所述硬巖地區的斷層坐標系的垂直斷層面為z″軸，所述大地坐標系中斷層面交水平面的方向設為x″軸，垂直于x″軸和z″軸的方向設為y″軸；設定所述硬巖地區的斷層的傾向為α，傾角為β；

則z″軸單位向量方向為(cosαsinβ，sinαsinβ，cosβ)；x″軸單位向量方向為(sinα，-cosα，0)；y″軸單位向量方向為(cosαcosβ，sinαcosβ，-sinβ)；所述大地坐標系x′軸、y′軸、z′軸的單位向量方向分別為(1，0，0)、(0，1，0)、(0，0，1)；

所述步驟3中的所述第二轉換矩陣公式為：

8.如權利要求7所述的斷層破碎帶軟巖地應力估算方法，其特征在于，所述廣義胡克定律進行解析解的求解公式為：

E′：垂直橫觀各向同性面的彈性模量；

υ′：垂直橫觀各向同性面的泊松比；

所述軟巖地區的應力為所述硬巖地區的應力為將軟巖地區和硬巖地區的應變相等代入所述廣義胡克定律可得：

E_w：軟巖地區橫觀各向同性面內的彈性模量；

E′_w:軟巖地區垂直橫觀各向同性面內的彈性模量；

E_s：硬巖地區橫觀各向同性面內的彈性模量；

E′_s：硬巖地區垂直橫觀各向同性面內的彈性模量；

υ_w：軟巖地區橫觀各向同性面內的泊松比；

υ′_w：軟巖地區垂直橫觀各向同性面內的泊松比；

υ_s：硬巖地區橫觀各向同性面內的泊松比；

υ′_s：硬巖地區垂直橫觀各向同性面內的泊松比。