專利名稱：：一種測量地應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種測量地應(yīng)力的方法，具體說是一種地質(zhì)力學(xué)結(jié)合聲發(fā)射信號Db4小波分析技術(shù)測量地應(yīng)力的方法
背景技術(shù)：
巖石聲發(fā)射凱塞效應(yīng)測量地應(yīng)力與傳統(tǒng)的應(yīng)力解除法、水力壓裂法相比，具有簡單、直觀、經(jīng)濟的優(yōu)點，便于大量測試，以尋求區(qū)域性地應(yīng)力變化規(guī)律。因此，該法是一種很有前途的地應(yīng)力測量方法。但是凱塞效應(yīng)測量地應(yīng)力還存在許多的問題，尚待進行深入的研究，其中與生產(chǎn)實際聯(lián)系最為密切也是最關(guān)鍵的是地應(yīng)力的方向如何確定的問題。以往人們使用凱塞效應(yīng)測量原巖應(yīng)力需要180度的范圍內(nèi)進行全方位測試(一般每隔5度取樣)，因此試樣數(shù)量多，測試工作量大，費用高；同時，由于多周期構(gòu)造運動的作用，使巖體的構(gòu)造發(fā)生了變化，也使區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力或原巖應(yīng)力的大小、方向發(fā)生了量和質(zhì)的變化。而以往所進行的凱塞效應(yīng)測定原巖應(yīng)力均在水平或垂直方向取樣，故可能所取得試樣中無一是真正處在主應(yīng)力方向上的，由此測試所得的結(jié)果也應(yīng)是地應(yīng)力場的一個分量，與真正的原巖應(yīng)力值就會有一定的差別，甚至相去甚遠。正是這些原因，大大影響了凱塞效應(yīng)測量原巖應(yīng)力這種方法在實際中的運用，不能充分發(fā)揮其簡單、經(jīng)濟、便于多點測量以尋求區(qū)域地應(yīng)力變化規(guī)律的優(yōu)點。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的就是上述凱塞效應(yīng)測量地應(yīng)力方法所存在的問題，提供一種簡單、直觀、經(jīng)濟和高效的測量地應(yīng)力的方法。本發(fā)明包括如下步驟1)對巖體工程進行工程地質(zhì)調(diào)査，確定節(jié)理、斷層的產(chǎn)狀，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)判斷次序的方法判斷節(jié)理、裂隙的先后次序，然后將最近的同序次節(jié)理和裂隙繪于赤平投影圖上；2)將巖層層面以其走向線為旋轉(zhuǎn)軸，向傾向方向旋轉(zhuǎn)至水平位置，旋轉(zhuǎn)角等于層面的傾角，同時節(jié)理和裂隙繞層面走向線旋轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)，找出共軛X形節(jié)理，再將共軛X形節(jié)理和層面從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到原來狀態(tài)，再在赤平投影圖上確定地應(yīng)力的三個方向，即最大主應(yīng)力O"p中間主應(yīng)力0"2和最小主應(yīng)力0"3的方向；3)沿地應(yīng)力的三個方向鉆孔取樣，巖樣取自6米以外的原巖應(yīng)力區(qū)，每個方向取5—7個樣；4)在室內(nèi)做巖樣的聲發(fā)射實驗，對巖石的聲發(fā)射信號進行Db4小波分析，從而確定巖石聲發(fā)射Kaiser點，根據(jù)巖石聲發(fā)射Kaiser點確定地應(yīng)力的大小。步驟2)所述地應(yīng)力方向的具體確定方法如下巖體在構(gòu)造應(yīng)力作用下，發(fā)生兩種形式的斷裂張性斷裂和剪切斷裂。(1)張性斷裂產(chǎn)生于最小主應(yīng)力0"3方向，即最大張引方向的垂直面上。也就是說，張性斷裂面與O",和0"2的應(yīng)力軸面的方向一致；因此只要通過工程地質(zhì)調(diào)查確定了張性斷裂的產(chǎn)狀，即張性斷裂的走向、傾向和傾角，那么地應(yīng)力的三個方向，即最大主應(yīng)力O",、中間主應(yīng)力(72和最小主應(yīng)力0"3的方向可以確定。(2)剪切斷裂產(chǎn)生于最大主應(yīng)力o",方向呈(45。-(z)/2)角的平面上，(^是巖體的內(nèi)摩擦角，大致是30度，可以通過室內(nèi)三軸壓縮實驗確定)，與cr,和o^軸面相互垂直，并且呈共軛發(fā)育。其夾角之銳角的等分面為q和o^的軸面，其夾角之鈍角的等分面為<72和0"3的軸面，它們的組合交線的方向與中間主應(yīng)力軸0"2的方向平行。因此只要通過工程地質(zhì)調(diào)查確定了剪切斷裂的產(chǎn)狀，即剪切斷裂的走向、傾向和傾角，那么地應(yīng)力的三個方向，最大主應(yīng)力O",、中間主應(yīng)力0"2和最小主應(yīng)力0"3的方向可以確定(如圖l所示)。步驟3)-4)所述地應(yīng)力大小的具體確定方法如下利用鉆機自6m以外的原巖應(yīng)力區(qū)鉆取巖樣，巖芯樣直徑05255mm,每個方向上取7個(長度100mm);巖芯加工成-5255mmX100鵬的圓柱形試件，側(cè)面磨平一塊面積約為15mmXlOOmm的平面以放置探頭。為了消除巖石試件端部由于應(yīng)力集中及端面摩擦所引進的信號千擾，試件端面墊兩層聚氯乙烯和一層2nrni厚硬橡膠皮片。測試設(shè)備包括1)加載系統(tǒng)-200t壓力試驗機，B服-4/15T電阻時荷載傳感器。2)AE測試系統(tǒng)-探頭、SQ-1型前置放大器、濾波器、SFS-4B型四通道聲發(fā)射信息分析儀、XD-2型信號發(fā)生器。3)變形測量系統(tǒng)-YD-15動態(tài)電阻應(yīng)變儀。4)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)-LZ4-304型函數(shù)記錄儀。測試方法將側(cè)壁己經(jīng)貼好聲發(fā)射探頭的巖芯試件放置在加載系統(tǒng)中，然后在試件端面墊兩層聚氯乙烯和一層2mm厚硬橡膠皮片，加載直到巖芯破壞，在加載過程中自動記錄巖芯聲發(fā)射頻率。試件加載之初往往亦有較密集的聲發(fā)射活動和能量反映。除噪聲干擾外，還有由于試件端部的摩擦效應(yīng)所引起的和巖石內(nèi)原有裂紋閉合期間的結(jié)構(gòu)調(diào)整而發(fā)出的噪音。所以，加載之初的聲發(fā)射活動給我們帶來了正確判斷巖石凱塞效應(yīng)的難度。為此，本發(fā)明利用Db4小波基對原始信號進行分析，除去聲發(fā)射信號中夾雜的噪音信號，還原了真正的巖石聲發(fā)射信號，實現(xiàn)了"初裂點"即選取的凱塞效應(yīng)點的確定(如圖2)。這樣地應(yīng)力的大小可以確定。本發(fā)明取樣的數(shù)量較現(xiàn)有方法大大減少，降低了測量地應(yīng)力的成本，同時加快了地應(yīng)力測量的進度，使地應(yīng)力的測量更加方便和快捷，使測量地應(yīng)力容易控制和操作。因此本發(fā)明是一種簡單、直觀、經(jīng)濟和高效的測量地應(yīng)力的方法圖1為斷裂形成的力學(xué)機制示意圖。圖2a為Db4小波變換后棲霞灰?guī)r巖樣的聲發(fā)射信號圖。圖2b為Db4小波變換后黃龍灰?guī)r巖樣的聲發(fā)射信號圖。圖3為Db4小波變換后南京某礦巖石的聲發(fā)射信號圖。圖4為Db4小波變換后銅坑礦細脈帶巖石的聲發(fā)射信號圖。具體實施方式實施例1南京某礦地應(yīng)力的確定(1)南京某礦地應(yīng)力方向的確定表l是南京某礦節(jié)理和斷層的產(chǎn)狀情況。由于巖層層面、斷層《和節(jié)理^的產(chǎn)狀基本相似，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)知識，斷層《和節(jié)理入不可能是X共軛節(jié)理，故可以去掉斷層^和節(jié)理^。將巖層層面以其走向線為旋轉(zhuǎn)軸，向NW方向旋轉(zhuǎn)至水平位置，旋轉(zhuǎn)角等于層面的傾角75°，將巖層恢復(fù)到原水平面位置，翻轉(zhuǎn)后可判斷出同序次的成對的X共軛節(jié)理為J3和J4,即可確定它們?yōu)槠矫鎄斷裂。這兩組節(jié)理相交的銳角平分線為最大主應(yīng)力^的方位，鈍角平分線為最小主應(yīng)力0"3的方位，兩節(jié)理的交線所示的方向即為中間主應(yīng)力0"2的方位。當(dāng)巖層傾角為75°時，將X共軛節(jié)理J3和J4向SE方向旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)角為75°,作J3和J4兩組節(jié)理相交的銳角平分線，得最大主應(yīng)力q的方位；作J3和J4兩組節(jié)理相交的鈍角平分線，得最小主應(yīng)力oy，作J3和J4兩節(jié)理的交線，得中間主應(yīng)力(72的方位。最后，這個側(cè)面X斷裂形成的應(yīng)力場特征為o",方位角120。，傾角—23°;<72方位角245.8°，傾角64.2。；0"3方位角195.5%傾角120°。表1與地應(yīng)力方向與關(guān)的節(jié)理、斷層產(chǎn)狀<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(2)地應(yīng)力大小的確定在確定地應(yīng)力方向后，利用鉆機沿地應(yīng)力三個方向取樣，巖樣要求取自6m以外得原巖應(yīng)力區(qū)，然后對巖樣做巖石得聲發(fā)射實驗，將聲發(fā)射信號進行Db4小波變換。最后，通過如圖3的應(yīng)力和能量的關(guān)系圖可以確定AE點(即凱塞效應(yīng)點)，地應(yīng)力大小的結(jié)果如表2。表2地應(yīng)力數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(3)測試結(jié)果對表2進行優(yōu)化處理后的結(jié)果為下表:表3本發(fā)明測量地應(yīng)力的優(yōu)化結(jié)果應(yīng)力符號應(yīng)力值/MPa方位角/(°)傾角/(°)28.908120-23CT214.475245.864.2cr38.1601195.5120(4)本方法的結(jié)果和孔壁應(yīng)力解除法比較將以上結(jié)果與現(xiàn)場孔壁應(yīng)力解除法測量結(jié)果進行比較分析，見表4。表4應(yīng)力解除法原巖應(yīng)力測量結(jié)果應(yīng)力符號應(yīng)力值/MPa方位角/(°)傾角/(°)27.492101.3-22.92CT216.186242,963(738.343185.4117.19從表3和表4可以知道，本發(fā)明的結(jié)果和孔壁應(yīng)力解除法很相近。但是孔壁應(yīng)力解除法和本發(fā)明相比，孔壁應(yīng)力解除法試驗條件差，成本高，操作困難的缺點。本發(fā)明具有成本低，操作簡便和試驗條件好等優(yōu)點。實施例2:大廠銅坑礦細脈帶礦體地應(yīng)力的確定(1)地應(yīng)力方向的確定根據(jù)對-570m中段細脈帶所做的工程地質(zhì)分析結(jié)果，便知層面走向為N80°E，傾向NW,傾角25°。而將巖層恢復(fù)到原水平面位置翻轉(zhuǎn)后可判斷出同序次的成對的X共軛節(jié)理J14和J15(見表5)。這兩組節(jié)理相交的銳角平分線為最大主應(yīng)力的方位，鈍角平分線為最小主應(yīng)力0"3的方位，兩節(jié)理的交線所示的方向即為中間主應(yīng)力0"2的方位。當(dāng)巖層傾角為25°時，將X共軛節(jié)理J"和J,5向SE方向旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)角為25",作J"和Ju兩組節(jié)理相交的銳角平分線，得最大主應(yīng)力。的方位；作J"和Ji5兩組節(jié)理相交的鈍角平分線，得最小主應(yīng)力OV作J"和J,5兩節(jié)理的交線，得中間主應(yīng)力(72的方位。最后，這個側(cè)面X斷裂形成的地應(yīng)力方位為O",走向為N27°W，傾角為-24°;G^走向為S9。E，傾角為_64°;0",走向為N66。E，傾角為-6°。表5旋轉(zhuǎn)后結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>(2)地應(yīng)力大小的確定在確定地應(yīng)力方向后，利用鉆機沿地應(yīng)力三個方向取樣，然后做巖樣的聲發(fā)發(fā)射實驗，將聲發(fā)射信號進行Db4小波變換，最后，通過如圖4的應(yīng)力和能量的關(guān)系圖可以確定AE點(即凱塞效應(yīng)點)，地應(yīng)力大小的結(jié)果如表6。表6大廠礦務(wù)局銅坑礦地應(yīng)力數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由于大廠銅坑礦細脈帶礦體的原巖主應(yīng)力是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，水平應(yīng)力值大大超過垂直應(yīng)力。對表6進行優(yōu)化后，最大主應(yīng)力O",為22.5MPa,方位為333°，傾角-24°;最小主應(yīng)力為6.23MPa，方位為171"，傾角-64°;最大主應(yīng)力《72為15.57MPa,方位為66°,傾角_6°。將以上結(jié)果與長沙礦山設(shè)計研究院1985年對大廠銅坑礦-570m中段細脈帶91號礦體現(xiàn)場孔壁應(yīng)力解除法測量結(jié)果進行比較分析，見表7和表8。(3)和孔壁應(yīng)力解除法測量結(jié)果進行比較表7本發(fā)明測量地應(yīng)力的優(yōu)化結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表8應(yīng)力解除法91號礦體原巖應(yīng)力結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表7和表8可以知道該方法和孔壁應(yīng)力解除法結(jié)果接近，但是孔壁應(yīng)力解除法試驗條件差，成本高，操作困難的缺點。本發(fā)明具有成本低，操作簡便和試驗條件好等優(yōu)點。因此本發(fā)明是一種簡單、直觀、經(jīng)濟和高效的測量地應(yīng)力的方法。權(quán)利要求1、一種測量地應(yīng)力的方法，其特征在于包括如下步驟1)對巖體工程進行工程地質(zhì)調(diào)查，確定節(jié)理、斷層的產(chǎn)狀，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)判斷次序的方法判斷節(jié)理、裂隙的先后次序，然后將最近的同序次節(jié)理和裂隙繪于赤平投影圖上；2)將巖層層面以其走向線為旋轉(zhuǎn)軸，向傾向方向旋轉(zhuǎn)至水平位置，旋轉(zhuǎn)角等于層面的傾角，同時節(jié)理和裂隙繞層面走向線旋轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)，找出共軛X形節(jié)理，再將共軛X形節(jié)理和層面從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到原來狀態(tài)，再在赤平投影圖上確定地應(yīng)力的三個方向，即最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2和最小主應(yīng)力σ3的方向；3)沿地應(yīng)力的三個方向鉆孔取樣，巖樣取自6米以外的原巖應(yīng)力區(qū)，每個方向取5-7個樣；4)在室內(nèi)做巖樣的聲發(fā)射實驗，對巖石的聲發(fā)射信號進行Db4小波分析，從而確定巖石聲發(fā)射Kaiser點，根據(jù)巖石聲發(fā)射Kaiser點確定地應(yīng)力的大小。2、如權(quán)利要求1所述測量地應(yīng)力的方法，其特征在于地應(yīng)力方向按如下方式確定(1)張性斷裂張性斷裂產(chǎn)生于最小主應(yīng)力0"3方向，即最大張引方向的垂直面上，也就是說，張性斷裂面與0"i和0^的應(yīng)力軸面的方向一致；因此只要通過工程地質(zhì)調(diào)查確定了張性斷裂的產(chǎn)狀，即張性斷裂的走向、傾向和傾角，那么地應(yīng)力的三個方向，即最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力0"2和最小主應(yīng)力CT3的方向可以確定；(2)剪切斷裂剪切斷裂產(chǎn)生于最大主應(yīng)力^方向呈(45°-0/2)角的平面上，與q和o"3軸面相互垂直，并且呈共軛發(fā)育，其夾角之銳角的等分面為。和G^的軸面，其夾角之鈍角的等分面為0"2和0"3的軸面，它們的組合交線的方向與中間主應(yīng)力軸0"2的方向平行；前述^是巖體的內(nèi)摩擦角；因此只要通過工程地質(zhì)調(diào)查確定了剪切斷裂的產(chǎn)狀，即剪切斷裂的走向、傾向和傾角，那么地應(yīng)力的三個方向，最大主應(yīng)力q、中間主應(yīng)力ff2和最小主應(yīng)力0"3的方向可以確定。3、如權(quán)利要求1所述測量地應(yīng)力的方法，其特征在于步驟3)每個方向上取7個長度為lOOimn的巖樣，所取巖芯樣直徑為5255mm，加工成圓柱形試件。4、如權(quán)利要求3所述測量地應(yīng)力的方法，其特征在于巖樣試件的側(cè)面磨平一塊面積約為15mmX100mm的平面，以放置聲發(fā)射實驗的探頭。5、如權(quán)利要求l所述測量地應(yīng)力的方法，其特征在于步驟4)所述聲發(fā)射實驗是將側(cè)壁己經(jīng)貼好聲發(fā)射探頭的巖樣試件放置在加載系統(tǒng)中，然后在試件端面墊兩層聚氯乙烯和一層2ran厚硬橡膠皮片，加載直到巖樣破壞，在加載過程中自動記錄巖樣聲發(fā)射頻率。全文摘要本發(fā)明涉及一種測量地應(yīng)力的方法，包括如下步驟1)確定節(jié)理、斷層的產(chǎn)狀，將最近的同序次節(jié)理和裂隙繪于赤平投影圖上；2)將巖層層面以其走向線為旋轉(zhuǎn)軸，向傾向方向旋轉(zhuǎn)至水平位置，旋轉(zhuǎn)角等于層面的傾角，同時節(jié)理和裂隙繞層面走向線旋轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)，找出共軛X形節(jié)理，再將共軛X形節(jié)理和層面從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到原來狀態(tài)，再在赤平投影圖上確定地應(yīng)力的三個方向；3)沿地應(yīng)力的三個方向鉆孔取樣，每個方向取5-7個樣；4)在室內(nèi)做巖樣的聲發(fā)射實驗，對巖石的聲發(fā)射信號進行Db4小波分析，從而確定巖石聲發(fā)射Kaiser點，根據(jù)巖石聲發(fā)射Kaiser點確定地應(yīng)力的大小。本發(fā)明取樣的數(shù)量少、成本低，地應(yīng)力的測量進度快，使地應(yīng)力的測量更加方便和快捷。文檔編號G01L1/00GK101162177SQ20071013559公開日2008年4月16日申請日期2007年11月14日優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日發(fā)明者劉慶義,萍盧,周小平,張文如,曹維勤,楊海清,王方漢,隆向陽申請人:南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司