在一个铅垂钻孔中水压致裂法三维地应力测量的原理和应用

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1、第22卷第4期岩石力学与工程学报22(4)：615～6202003年4月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringApril，2003在一个铅垂钻孔中水压致裂法三维地应力*测量的原理和应用刘允芳尹健民(长江科学院岩基研究所武汉430010)摘要根据铅垂钻孔的特点，提出了在单个铅垂钻孔中进行水压致裂法三维地应力测量的原理和方法，严格推导了资料整理的计算公式，并举有工程应用实例。关键词岩石力学，铅垂钻孔，水压致裂法，三维地应力测量+分类号TU459.4文献标识码A文章编号100

2、0-6915(2003)04-0615-06PRINCIPLEANDAPPLICATIONOF3DGEOSTRESSMEASUREMENTSBYHYDRAULICFRACTURINGTECHNIQUEINAVERTICALBOREHOLELiuYunfang，YinJianmin(BatholithResearchCenter，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan430010China)AbstractAccordingtothefeaturesofvertica

3、lborehole，theprincipleandmethodof3Dgeostressmeasurementsbyhydraulicfracturingtechniqueinaverticalboreholeareadvanced，andcalculatingformulasfordataprocessingarepresentedthroughanexample.Keywordsrockmechanics，verticalborehole，hydraulicfracturingtechnique，3Dgeostr

4、essmeasurement大这种测量方法的应用范围，长江科学院在深入研1前言究水压致裂法地应力测量原理的基础上，在国内首次提出采用不同方向的3个钻孔进行水压致裂法三[1，2]水压致裂法地应力测量技术是迄今为止进行深维地应力测量的原理和方法，该方法已经得到部岩体地应力测量的最有效的手段，测量深度可达了广泛应用。但是这种测量方法适用于在地下洞室地下数千米。由于其测量深度深，操作简便，测试的勘探平洞中进行，测量深度不深。最近长江科学周期短以及不需要岩石力学参数参与计算等优点，院又提出单钻孔水压致裂法三维地应力测量的原理[

5、3]在国内外得到了广泛应用。应用范围覆盖水电、矿和方法，该方法包含在单钻孔中采用原生裂隙段山、交通、军工等岩石工程、地震机制、地球动力重张试验和它与完整岩体段常规压裂试验相结合的学的研究。但是，传统的水压致裂法地应力测量理两种测量方法。在实际应用中测量钻孔多为铅垂论的一个基本假定为：地应力场的一个主应力为铅向，这种铅垂向钻孔更适用于深部岩体地应力的测垂方向，利用铅垂钻孔的测量，测得水平面上的二量。铅垂向测量钻孔的倾角为90°，而方位角为任维地应力状态(最大和最小水平主应力及其方向)，意，并且它的钻孔坐标系可以采用与大

6、地坐标系一而铅垂向主应力则用上覆岩体自重来估算。为了扩致的形式，使实测数据处理变得比较简单。本文推2001年8月29日收到初稿，2001年10月19日收到修改稿。*国家自然科学基金重点资助项目(59939190)。作者刘允芳简介：男，65岁，1961年毕业于上海交通大学工程力学系固体力学专业，现任教授级高级工程师，主要从事岩石力学、地应力场测量研究以及地下洞室稳定性分析方面的研究工作。•616•岩石力学与工程学报2003年导了在单个铅垂向钻孔中进行水压致裂法三维地应力测量的资料整理的计算公式，并举有工程应用实表1结构

7、面坐标系轴yi相对于大地坐标系的方向余弦Table1Directioncosinesofaxisyiofstructuralplane例。在实例中将单个钻孔中和不同方向3个钻孔中coordinatesystemwithrespecttothemother进行的三维地应力的测量成果进行了比较。earthcoordinatesystem大地坐标系yi相对于大地坐标系的方向余弦2测量原理xli2=−sinαisin(β0−βi)ymi2=sinαicos(β0−βi)zni2=cosαi单个铅垂向钻孔中水压致裂法三维地应力

8、测量的观测值方程是在大地坐标系下建立的。大地坐标将表1中的表达式代入式(2)，得系o-xyz的轴x为水平向，取某工程建筑物轴向，其22方位角为β，轴z为铅垂向上方向，轴y以右手坐σyi=[σxsin(β0−βi)+σycos(β0−βi)−022标系定向。τxysin2(β0−βi)]sinαi+σzcosαi+2.1仅采用原生裂隙段重张试验测