地应力测试技术研究现状*

苏宏刚，罗黎明

(1.陕西陕煤韩城矿业有限公司通风处，陕西 渭南 715400；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

原地应力是指在开挖前或受到开挖影响之前的原岩体的天然地应力，又被称作原岩应力或绝对应力，它是因为地球内部的各种动力运动而产生的，其中导致地应力形成最主要的2个原因为构造运动和上覆地层的重力作用。导致地下工程出现变形和破坏的根本作用力就是地应力，因此准确测试原地应力是获取工程岩体力学的特性、实现地下工程安全开挖的设计和管理的前提条件[1]。对于矿井的建设和生产，地应力的测量显得极其重要，一方面矿井建设会扰动地层导致初始地应力重分布，另一方面复杂地应力又会对矿井安全生产产生严重影响，与煤与瓦斯突出、冲击地压、矿井突水等矿井地质灾害现象有着非常密切的关系，因此准确掌握矿井地应力的分布特征，对于防控地质灾害、实现矿井布置最优化设计有着极其重要的意义。

由于地应力测试环境复杂，且受地质构造、岩体自重、剥蚀作用、地下水、地温及岩体力学性质等多因素影响[2]，地应力分布状态十分复杂、多变，要了解一个地区的地应力分布特征，开展实地地应力测试工作是唯一的获取途径。同时岩体的天然地应力是无法直接测量得到的，只能通过测量因为地应力变化而引起的其他变化值(例如岩石的应变值)，来反算出地应力值，这也为地应力的测量带来了很大的难度。

本文综述了地应力测量技术的起源以及发展历史，介绍并分析了2种最常用的测试技术的基本原理、优缺点和适用范围，探讨了现有地应力测试现状的不足以及未来发展前景，为今后地应力测试技术的发展指明方向，为地下工程建设提供理论依据。

1 国内外地应力测量发展概况

地应力测试工作最早开始于20世纪30年代的美国。1932年，美国人R.S.Lieurace首先在胡佛坝(HooverDam)下面的一个隧道进行原位地应力测量工作，所采用的方法是应力解除法，成功获取了该地的地应力，开辟了地应力测量工作的先河。经过几十年的发展，到20世纪90年代，地应力测试仪器高达数百种以上，主要的测量方法也已超过10种[3]，之后的地应力测量技术仍不断革新发展。

20世纪50年代末期我国开始进行地应力测试和研究工作，是在著名地质学家李四光教授的大力推动下发展起来的，我国地应力测试技术的研究起步较晚但发展迅速，成功取得了大量的测量数据，也开发了很多新方法和技术。20世纪80年代，我国引入空心包体应变计测试技术之后，国内学者在此基础上进行了大量改进和创新，成功研发了大量国产空心包体应变计，例如：KX-81、KX-2003、CKX-97、CKX-01型空心包体应变计等，这些设备在地应力测试现场得到了广泛的应用。与此同时，水力压裂地应力测量技术于1980年在河北易县得到首次应用并取得成功，之后水力压裂地应力测量技术在国内得到广泛应用，取得了巨大发展，如今测量技术已相对成熟。

地应力测量最主要的方法有6种，分别是应力恢复法、应力解除法、水压致裂法、光弹法、声发射法、X射线法。应力解除法和水压致裂法因为其测量结果准确科学、适用范围广、测试过程较为方便，已经成为目前使用最广泛的地应力测量方法。国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics，ISRM)、美国材料实验协会(American Society for Testing Materials，ASTM)和国内规程均将应力解除法和水压致裂法作为地应力测量的推荐方法[4 -7]。

2 应力解除法

应力解除法技术是基于弹性理论的解答，来反算出地应力。应力解除法基本原理是在测点位置使用取芯钻杆人为地把测点岩体与周围岩体分隔开，把测点岩体的原始地应力解除，该岩体就会发生弹性形变，假设该岩体为连续、均质和各向同性的弹性体，并且在加载和卸载时岩体所受到的应力与发生应变的关系是一样的，有着相同的函数关系。应变计中的应变片监测应力在解除过程中不同位置岩体的几何尺寸发生弹性恢复的应变值，借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的原地应力的应力大小和方向。测量步骤：①在测点钻进直径D=130 mm，深度小于30 m的大孔并磨平孔底；②在孔底钻进岩石锥形导向孔；③在孔底钻进直径为36 mm，深度为400 mm的同心小孔，并冲洗干净、擦干水分；④在小孔中安装应变计，利用环氧树脂固化剂使其与孔壁紧密相连，待24 h固化剂凝固之后与应变仪相连，测量稳定初始读数；⑤套钻解除应力，测地应力解除过程中的应变计读数；⑥折断岩芯，在实验室中求取弹性模量E。测量步骤如图1所示。

图1 空心包体应变计应力解除过程Fig.1 Stress relief process of hollow inclusion strain gauge

应力解除法技术最经典的测试仪器是CSIRO型空心包体式。第1代CSIRO型空心包体式钻孔三向应变计于1976年由澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CSIRO)资源开发研究所岩石力学部研制，在后来的现场应用过程中，各国学者又对 CSIRO型空心包体式三向应变计原设计做了大量改进，目前已成为世界上采用最广泛的地应力测量设备[1]。这种类型的空心包体式应变计具有2个显著的优势：①优化了测量元件应变片的布置，CSIRO型空心包体式采用了10 mm有效长度的电阻丝应变片，有效解决了多微裂隙、多节理岩体地应力难测量的痛点，同时应变片的布置形式也做了很大改进，在原有3处应变花的基础上，多布置了3个应变片，组成了4处应变花，共12个应变片，进行一次测量便可同时得到12个应变观测值方程，应变片位置分布如图2所示。②对解除应变实测值进行修正，可利用围压加载试验的成果来修正解除应变实测值，从而提高地应力测量的精度[8]。在采用空心包体式钻孔三向应变计进行地应力测量时，应当充分利用和借鉴上述2个优点，从而使地应力的实测结果更加精确。

图2 SY-2010型单回路水压致裂地应力测量系统Fig.2 SY-2010 single circuit hydraulic fracturing ground stress measurement system

应力解除法技术发展历史最长，它可以准确测得三维地应力的6个应力分量，具有操作简单、测试成功率高、测量精度极高、试验周期短、能适应地质条件较差的岩体等独特的优点，但这种方法对测量地要求高，难以测量深部地应力。

3 水压致裂法

水压致裂法测量地应力是以弹性力学为基础，并提出了3个假设条件：测点岩体为连续、均匀、各向同性的线弹性体；测点岩体为非渗透性，岩体为多孔介质时，注入的流体按照达西定律在岩体空隙中流动；钻孔需与其中一个主应力保持平行[9]。测试步骤为：①从地面垂直向下钻孔，在孔中选择试验段；②检验测量系统并安装测量设备；③将2个封隔器下放至选定的试验段，并座封在钻孔孔壁上，形成独立的压裂段空间；④向压裂段空间注入压力液，使围岩破裂，记此时的液压为破裂压力Pb，这时液压值急剧下降直至平缓，记平缓后的液压为Ps，完全解除压力之后再次注入流体使得岩体裂缝重新张开，此时对应的压力值记为Pr，每个测段一般进行4～6个回次；⑤解封封隔器，使用印模器或钻孔电视来观测岩体裂缝的位置和方向。

临界破裂压力为孔壁破裂处的集中应力加上岩石的抗拉强度T，即

Pb= 3σ2-σ1+T

(1)

其中，Ps等于垂直裂缝面的最小水平主应力σh，即Ps=σh。最大水平主应力σH的计算公式

σH=3Ps-Pr-P0

(2)

式中，P0为岩层的孔隙水压力，岩体裂缝的方向即为最大水平主应力的方向。垂直应力是根据上覆岩石的重量计算而得，即

σv=ρgd

(3)

式中，ρ为岩石密度，kg·m-3；d为深度，m；g为重力加速度，m·s-2。

一般情况下，钻孔在施工过程中很难保持孔轴与垂直主应力平行，这样就违背了传统水压致裂测地应力的3个假设之一，根据国际岩石力学学会的建议，如果孔轴与垂直地应力的夹角超过15°，所测数据就不应被采用。三孔三维水压致裂地应力测量摆脱了孔轴与垂直地应力平行这一假设条件，该方法假设3个不同方向的钻孔的地应力状况相同，分别对这3个钻孔进行水压致裂地应力测量，再结合3个钻孔的测量数据联立方程，从而测得试验段的地应力的大小及方向[11]。

水压致裂法测地应力技术是目前最主要的一种可以进行深部地应力测量的方法，同时具有操作简单方便、测值准确稳定、计算过程中不需要岩石的弹性参数、可以连续重复测量以及测试所需时间短等优点，由于水压致裂法在煤矿地应力测量方面尤其是在矿井的前期勘探中具有最经济实用的优点，因此在矿井的勘探阶段得到了广泛应用[12]。

4 地应力测量技术的前景展望

随着我国深部地下工程不断发展，地应力的影响愈发显著，因此地应力测量显得尤为重要，现阶段我国地应力测量与监测技术与发达国家相比还存在很大差距：①我国地应力监测的深度有限，地应力测量数据分布不均，缺乏十分系统的地应力监测网络，缺乏统一的地应力监测的标准规范[13]。②我国现行的地应力测量技术和仪器设备还存在很多不足，在恶劣地质环境下的长期测试工作的稳定性和精度问题亟待解决，地应力测量体系的现代化水平不够，尚需向自动化、集成化和智能化发展。

地应力测试工作一直是世纪性难题，是一项综合性的测量工作，目前没有一种单一的测量方法能够完全保证地应力测量的精度，以及胜任所有测试目的和测试环境的地应力监测工作。除了联合多种方法进行测量，以保证测试结果的可靠性及对测试环境的适应性，更应该改进和研发新的测试技术、研制新型测试设备，还应打破“现场测试”固有思想，发展现场实测与数值模拟分析相结合的地应力测试方法，以适应各种复杂因素和提高数据准确性。

5 结语

应力解除法和水压致裂法是目前使用最广泛的地应力测量方法，是国内外多个学会或协会推荐的地应力测量方法。但在推广使用至今出现了许多问题，这为地应力测试工作带来了极大挑战，也是科研人员日后努力的方向。为了提高测试精度和适应更加复杂的地质环境，除了改进和研发新的测试技术、研制新型测试设备，还应不断突破力求创新，使地应力测试技术向现场实测与数值模拟分析相结合的方向发展。