基于声发射法的地应力研究

为了研究某矿山深部地质条件下的地应力分布规律，分别在950 m、1050 m、1150m水平取样进行岩石试件声发射试验，利用声发射Kaiser效应原理，测量了不同埋深的地应力，经计算得到测点的主应力。结果表明：最大主应力，最小主应力，垂直应力均随着埋深呈线性增长，测量及计算结果均符合地应力分布规律。该研究可为矿山深部安全开采提供指导。     

基于能量原理的岩石声发射伪Kaiser点修正

通过岩石声发射试验,得到试验Kaiser点,但此点可能并不是真实的Kaiser点。根据岩石声发射真实Kaiser点能量分布与非Kaiser点能量分布存在很大差别的特征,经过理论推导得到能量E与声发射振铃计数、应力状态的函数关系,证明能量E随着频带振幅、声发射振铃计数增大而增大;随着阈值电压增大而减小。以此为基础,将伪Kaiser点应力与地应力理论值对比,根据漂移应力比值计算电压阈值,压力曲线逆向寻点,重新获取Kaiser点等步骤对试验中的伪Kaiser点进行能量修正,找到真实Kaiser点,并通过能谱分析和RFPA仿真验证能量修正方法的有效性。     

平煤集团十三矿地应力分布特征实测研究

结合平煤集团十三矿的具体条件,采用声发射法和理论分析计算地应力及其分布特征.结果表明:十三矿在埋深583 m以浅,水平方向最大主应力大于垂直方向自重应力,地应力场类型呈现构造应力场型;在埋深大于583 m的深部,垂直方向自重应力大于水平方向最大主应力,呈现自重应力场型特点.     

岩石声发射凯赛尔效应地应力测试在唐口矿的应用

岩石声发射凯塞尔效应地应力测试方法(AE法)具有简单、经济、便于大量测试等优势。唐口煤矿采用能量法确定岩石声发射凯塞尔效应特征点,对-1000m水平西翼大巷进行地应力测试,结果与目前广泛应用的现场地应力解除测试法相比差别不大,说明采用岩石声发射凯塞尔效应地应力测试方法进行地应力测量可以取得较好的结果。     

滇东恩洪区块地应力分布及深部煤层气临界深度预测

我国滇东恩洪区块二叠系煤层气资源丰富,该区块是今后煤层气开发的重点区域之一,地应力分布对于储层压裂改造等煤层气开发工程具有重要影响。在注入/压降试井方法实测地应力约束下,基于Anderson修正模型对恩洪区块地应力分布进行预测,总体上,水平最大主应力S_(H,max)、水平最小主应力S_(h,min)和垂向主应力S_v在不同深度段呈现不同应力机制类型,由浅至深依次表现为逆断型、走滑型和正断-走滑型。研究结果表明:在该区块二叠系宣威组内,地应力遵循S_(H,max)≥S_vS_(h,min)的关系,呈现正断-走滑型应力机制,而宣威组煤层地应力数值较其顶底板小,表现为正断型应力机制;岩石类型与埋藏深度影响地应力分布,水平主应力随埋藏深度的增加呈线性增大,杨氏模量小的煤岩,其水平地应力值最低;滇东恩洪区块深部煤层气临界深度约为700 m;研究结果可以为滇东恩洪区块煤层气开发提供新的地质参考。     

柴胡栏子金矿钻孔岩心地应力测量技术研究

随着柴胡栏子金矿开采向深部延伸,地应力随之增大,顶板垮塌、围岩开裂变形等问题日益突出,为了掌握深部地应力分布特征,研究采用钻孔岩心新型声发射法测量矿区地应力大小、方向和变化规律。柴胡栏子金矿地应力测试结果表明,区域地应力值整体高于常规情况,当深度到达地表以下1100 m时,水平最大主应力值接近45 MPa,水平最大主应力为北东方向,最大主应力随深度增加呈线性增长关系。     

基于断层摩擦强度的地应力计算模型与应用

断层摩擦强度是煤岩层地应力的限定条件,如何评价断层摩擦强度是煤与煤层气开采值得考虑的问题,分析了断层摩擦强度和其对地应力的约束机制,建立了最大与最小主应力比值与断层摩擦强度的相关关系和地应力计算模型。研究结果表明:煤岩层中有效最大主应力与最小主应力比值受断层摩擦强度的限制,当其比值达到临界方向断层的摩擦强度极限时,断层就会发生滑动;根据Anderson断层分类,将原岩应力分为3种应力状态,在此基础上,建立了考虑断层摩擦强度的正断层、平移断层和逆断层地应力计算模型;分析了沁水盆地南部煤储层地应力特征,揭示了沁水盆地南部煤储层处于不同深度的2种不同应力机制中,当煤层埋藏深度小于650 m时,原岩应力表现为形成正断层应力机制;而当煤层埋藏深度大于650 m时,原岩应力可能属于形成平移断层的应力机制。     

渝东南页岩储层地应力计算方法

地应力是钻井和压裂改造的重要参数,而渝东南地区的页岩储层非均质性明显,各向同性地应力模型不适用于页岩地层,需要重新建立适合该类地层的地应力计算方法。为此,在页岩岩石力学特性的基础上,推导页岩横向各向同性的本构关系,并建立基于测井资料获取页岩横向各向同性力学参数的关系式,然后结合邻井水力压裂资料反演出该地区的构造应变系数,联合建立了页岩的横向各向同性地应力计算方法,利用该方法计算渝东南地区某页岩气井一段深度的地应力,将计算结果绘制出连续变化的地应力剖面图,最后通过该井3个深度点的声发射实验反演出对应深度的地应力值,并将其与计算结果进行对比验证。结果表明:(1)页岩横向各向同性特征明显,水平弹性模量普遍大于垂直弹性模量,水平和垂直泊松比差异小,无明显规律;(2)基于横向各向同性模型计算的最小水平地应力值高于各向同性模型计算的地应力值,其中基于横向各向同性模型的计算结果与岩石声发射的测量结果之间的相对误差均小于7%,平均为5.07%;(3)黄氏模型和组合弹簧模型的计算结果与岩石声发射测量结果的相对误差均大于15%。本文模型从页岩的构造特征出发,更符合地层的真实情况。     

岩石Kaiser效应若干问题探讨

论述了岩石Kaiser效应测定地应力的几个关键问题,划分了不同岩石声发射特征类型,讨论了不同加载路径下Kaiser点记忆的应力,分析了Kaiser效应记忆的衰退性和不同加载速率对kaiser效应的影响,为地应力测量的准确性提供了新的解决方法。     

岩石高径比效应对其声发射影响的数值模拟研究

对6种不同高径比岩石试样进行数值模拟研究,讨论了不同高径比值下声发射之间的关系,得出了声发射的时间序列特征和空间分布的规律:H/D1时,达到应力峰值前,声发射频度及能量极少,且弥散、随机的过程较长;当达到峰值时,声发射频度和能量达到历史最大,主要分布在试样中部。H/D≤1时,在初期声发射已有出现,达峰值应力前有声发射突跃,且能量也较大,出现声发射带;达到峰值应力和在峰值过后仍有几次频度较高的声发射。这些特征为用压力机做实验时,控制一定高径比尽量避免岩石试样破裂过程受垫板干扰提供了参考依据,对预测岩石破裂来临及位置具有一定的参考意义。     

干耦合超声波测试技术及其岩石动静参量测试应用

岩体非线性特征随深度增加不断凸显,其力学参量现场实时精确测量及长期监测,为地应力解除过程中岩体变化特征及应力监测提供了必要的基础。然而目前岩石力学参量测定多基于室内力学试验,时效性及拟合方法都会对测试结果带来误差。传统耦合超声波发射、接收探头对接触面平整性要求高,无法实现布置于现场钻孔内的长效监测。基于干耦合点接触声波探头测速技术,通过对声波发射、接收探头设计,电路板稳定性及去噪算法研究,研发出具有瞬时采集、无线传输功能的数字化波速采集系统。通过对同一区域取自现场加工的?50 mm×100 mm花岗岩岩样及地应力解除岩芯,分别进行室内力学试验及波速测定,以计算获取相应静态、动态弹性模量。结果表明:首先,自研发基于干耦合点接触声波测速采集系统,对不同工作接触面适应性较好,数据误差在规范允许范围内。其次,对于同一区域相同岩性不同尺度、形态的岩样,其动态、静态弹性模量关系彼此间具有适用性。这就为现场基于干耦合点接触声波测速计算获得的岩体动态弹性模量,推算其静态弹性模量提供了依据。进一步的,基于干耦合点接触声波测速数字化采集系统,岩体动、静态力学参数在现场地应力岩芯解除过程及岩体长期监测过程中的实时采集及分析研究,具有一定的可行性。     

深井大采高工作面覆岩破坏过程数值模拟研究

以唐口煤矿1305工作面为工程背景,采用RFPA2D数值模拟软件,对埋深1 000 m,采高5.5 m条件下大采高工作面覆岩破坏过程进行了反演,得到了深井大采高条件下上覆岩层运动的主应力、位移矢量变化规律以及声发射特征,为类似工程地质条件下工作面的安全开采和支护设计提供了理论依据。     

鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系

采用水压致裂测量地应力方法,获得了鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井地应力分布,通过统计分析,建立了二叠系山西组2煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,揭示了现今地应力分布规律及受控机制。研究结果表明,本区二叠系山西组2煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为 1.96,1.69,0.71 MPa/100 m。煤储层最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力以及储层压力均随着煤层埋藏深度增大呈线性规律增高。在 1 000 m 以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin ,最小水平主应力小于16 MPa,现今地应力处于拉伸应力状态,煤储层有效应力系数K0 为0.48,且低于油气盆地页岩层中的有效应力系数值(K0 =0.80);在1 000 m以深煤储层地应力状态转化为σhmax ≥σv≥σhmin ,最小水平主应力大于16 MPa,现今地应力转化为挤压应力状态。本区现今地应力受华北区域构造应力场控制,最大水平主应力方向主要以NEE-SWW方向为特征。本区煤储层压力偏低,相同深度条件下鄂尔多斯盆地东南缘煤储层压力要比沁水盆地南部偏低0.73~0.93 MPa,且煤储层压力与地应力呈正相关关系,随着地应力的增加,煤储层压力增大。     

沁水盆地南部地应力场特征及其研究意义

采用水压致裂测量地应力方法,测得了沁水盆地南部45口煤层气井主采煤层地应力分布,通过统计分析,建立了主采煤层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,分析了地应力在煤储层渗透性及压裂研究中的意义。研究结果表明：沁水盆地南部最大水平主应力为642~4186 MPa,平均为1721 MPa;最大水平主应力梯度为117~479 MPa/100 m,平均为264 MPa/100 m;最小水平主应力330~2640 MPa,平均为11391 MPa;最小水平主应力梯度为099~285 MPa/100 m,平均为177 MPa/100 m。主应力均随着煤层埋藏深度的增大而增高,呈线性关系。在650 m以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin,最小水平主应力小于12 MPa,现今地应力状态处于伸张带;在650~1 000 m煤储层地应力状态转化为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力为12~20 MPa,现今地应力状态由伸张带转化为压缩带的过渡;在1 000~1 500 m煤储层地应力状态为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力大于20 MPa,现今地应力状态转化为压缩带。在地应力的作用下,裂缝逐渐趋于闭合,煤储层渗透率急剧下降。同时,地应力对煤储层水力压裂裂缝扩展产生重要影响,水力压裂裂缝均沿着最大主应力方向扩展。     

引入外参数的声发射系统在地应力测量中的应用

为解决AE法测量地应力时存在的测试精度低、可靠性差、Kaiser效应点不易判别的问题,采用先进的MTS 815材料试验机作为加载设备、PCI-2声发射仪作为声发射信号采集设备,并通过外参数引入技术改造,实现了加载设备和声发射仪二者数据采集的实时同步化,解决了声发射信号特征点与应力值间准确对应关系问题,提高了测试的准确性和精度。在此基础上,分析研究了分级多次循环加载方式下岩石试件声发射信号激发特征与规律,找到了准确获取地应力特征点的方法和波形处理技术,大大提高了测试的可靠性。利用该系统对甘肃白银集团小厂坝铅锌矿深部矿区进行了3个中段15个测点的地应力测试,获得了该矿区原岩应力场分布及变化规律,可为后续安全生产设计提供可靠基础数据。     

岩石声发射Kaiser效应研究现状及展望

由于原岩应力现场测量存在着施工困难、测量过程复杂、测量环境要求高等问题,通常只能利用较少的现场测量点获取地下空间区域的原岩应力信息,岩石力学与工程界一直在寻求相对简便易行的原岩应力测量方法.其中,岩石声发射Kaiser效应是一种可以在室内测量原岩应力的重要方法.岩石声发射Kaiser效应已有超过半个世纪的研究历程,至今...     

岩石受载破坏前兆特征——声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石破坏全过程力学特性--岩石的全应力应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的耗时现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些问题进行了总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供了理论依据、方法和手段。     

会泽铅锌矿深部围岩岩爆倾向性分析

会泽铅锌矿8#矿体埋深大、原岩应力高,局部地段已有岩爆发生,为保证井下安全回采,有必要进行围岩岩爆倾向性方面的研究.根据矿体地质赋存条件,基于岩石Kaiser效应的测试结果,测得了该矿1451～901m中段的地应力方向和大小,同时结合室内岩石力学参数测试结果,采用应力判据,分析了8#矿体深部矿岩岩爆倾向性,总结了现场岩爆特征.研究表明:8#矿体1451～901m中段均有中等至强烈岩爆倾向性,为8#矿体回采顺序、采场结构参数优化和微震监测系统布置提供了基本资料.     

单一松软煤层顶板压裂增透的数值模拟分析

鉴于本煤层水力压裂存在的缺陷,采用压裂煤层顶板实现煤层卸压增透。根据不同开口高度设置了5种模拟方案进行了数值模拟。通过声发射及剪应力分布,研究了不同开口高度条件下顶板压裂裂隙扩展动态特征。分析了压裂孔开口高度对顶板压裂效果的影响。结果表明,开口高度对顶板压裂裂隙扩展具有重要影响,增透效果随着开口高度的增大呈先增强后降低的变化趋势,开口高度为1～3 m时,顶板单孔压裂后煤层增透范围在水平方向超过17 m。当开口高度为1～2 m时,增透效果最佳,且工程量相对较小,建议开口高度设置在此范围内。     

深井软岩巷道声发射地应力测试及变形失稳机理

为了获得深井软岩巷道的地应力大小和变形规律及其失稳机理,选取千米深井同一水平的2个硐室,进行声发射地应力测试,获得各自相应的地应力大小和方向,发现垂直应力分布差别不大,而水平应力分布差别较大。基于地应力理论计算公式,利用VB6.0编写相应的计算程序,获得相应区域的主应力场的大小和方向,结合现场提供的钻孔柱状图,利用ANSYS建立模型,导入FLAC3D进行数值分析,获得相应的主应力场作用下的硐室围岩变形失稳规律,即岩性较为软弱区域的剪应力集中程度明显、分布范围较广,且围岩破坏越严重。最后发现实测数据与数值模拟结果较为吻合,即破坏严重部位的围岩收敛速度也较大,从而在一定程度上揭示了深部软岩巷道的变形破坏规律,也说明了围岩岩性、剪应力集中程度和范围对整个巷道稳定性起着至关重要作用。