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1、第19卷第3期地壳形变与地震Vol.19,No.31999年8月CRUSTALDEFORMATIONANDEARTHQUAKEAug.,19993水压致裂法三维地应力测量方法的研究X刘允芳 刘元坤(长江科学院,武汉 430010)摘 要 在不同方向的3个钻孔内进行常规水压致裂试验测量三维地应力的基础上,引入原生裂隙重张试验测量,提出了3种三维地应力测量的原理和方法。这些测量方法能适用于各种布置形式的单孔、双孔和多孔的测量,其中的两种方法也适用于深钻孔的三维地应力测量。主题词 水压致裂法 三维地应力测量 压裂试验 重
2、张试验STUDYON32DGEOSTRESSDETERMININGMETHODWITHHYDROFRACTURINGTECHNIQUELiuYunfangandLiuYuankun(YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010)AbstractOnthebasisof32Dgeostressdeterminationwiththeconventionalhydrofracturingtestinthreeboreholeswhosedirectionsare
3、notthesame,themeasurementofre2openingtestforpreex2istingfissuresintheboreholesisintroduced,andtheprinciplesandmethodsofthree32Dgeostressdeterminationaresuggested.Thesemethodsareapplicableto32Dgeostressdeterminationinsin2gleandmultipleboreholeswithvariousarrang
4、ingforms.Thetwomethodsamongthemareappli2cableto32Dgeostressdeterminationindeepboreholeaswell.Keywords:hydrofracturingtechnique,32Dgeostressdetermination,hydrofracturingtest,re2openingtest1 前言现存在岩体中的地应力状态及其动态变化,是地震机理和地震预测预报研究必不可少的重要资料。水压致裂法是目前测量地壳深层岩体地应力状态的唯一方法
5、,测量深度可达地下数千m,是地震机理研究最有效的手段之一。然而传统的水压致裂法地应力测量,只能测得钻孔横截面上的二维地应力状态。为了扩大这种测量方法的应用范围,许多学者就三维地应力X收稿:1998210205©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期 刘允芳等:水压致裂法三维地应力测量方法的研究 65测量作了大量研究,其中在不同方向的3个(或6个以上)钻孔内,采用完整岩体段的常规压裂试验来
6、测量三维地应力状态的方法,已逐渐成熟、完善,并在十几个水利工程中得到应用。本文在此基础上,引入原生裂隙段重张试验的测量,提出了3种三维地应力测量的原理和方法,扩大了水压致裂法地应力测量的应用范围。2 水压致裂法三维地应力的测量方法应力分量在不同坐标系中有不同表达形式。为了实测数据整理的方便,观测值方程中应力分量都以大地坐标系表达的形式建立。为此,建立大地坐标系O2XYZ:轴X为水平向,取某工程建筑物的轴向,设方位角为β0;轴Z为铅垂向上方向;轴Y按右手系定向。[1,2]2.1 不同方向的3孔或多孔(多于3孔)完整岩
7、体段的常规压裂试验测量法采用钻孔完整岩体段的常规压裂试验测量岩体三维地应力,测量钻孔的数量必须等于或大于3,并且其中的3个钻孔的方向必须各不相同。设测量钻孔的编号为i,测量钻孔的倾角为αi,方位角为βi。建立钻孔坐标系O2XiYiZi:取钻孔方向为轴Zi,指向孔口为正;取水平方向为轴Xi;以右手坐标系确定的轴Yi位于上半空间的指向为正。钻孔坐标系与大地坐标系的相互关系如图1所示。水压致裂法地应力测量,在钻孔完整岩体段采用常规压裂试验可获得钻孔横截面上的二维应力状态。钻孔坐标系表达的3个应力分量为:11σxi=(σA
8、i+σBi)+(σAi-σBi)cos2Ai2211σyi=(σAi+σBi)-(σAi-σBi)cos2Ai(1)221τxiyi=(σAi-σBi)sin2Ai2式中:σAi和σBi为所测得的钻孔横截面上大、小主应力,Ai为在横截面上以钻孔坐标系水平轴Xi起始逆时针向到破裂缝的夹角。如果钻孔为铅垂向,则σAi和σBi为最大水平主应力σHi和最小水平主应力
