河谷坡度对岩体地应力场影响的数值模拟

通过选取河谷坡高及谷宽作为引起坡度变化的主要因素,采用FLAC3D计算程序,并结合河谷发育演化史,研究了坡度变化对河谷岩体地应力的大小、方向及分布的影响。研究结果表明：(1)谷底应力集中现象明显,呈现河谷区典型的“应力包”分布特征,应力集中区范围及最大主应力量值均随坡度的增加而增大;(2) 谷坡上方浅部属于低应力区,最大主应力值随坡度的增加而减小,而谷坡下方靠近坡脚附近的最大主应力值随坡度的增加而增大;(3) 主应力方向分布特征在河谷不同部位存在明显的差异,且坡度越大,差异越明显。最后,以南水北调西线工程阿达坝区为例,对坝区地应力场分布特征进行分析,进一步验证了数值模拟结果的正确性及合理性。     

复杂断层构造区地应力分布规律及其影响因素

准噶尔盆地西部车排子地区石炭系火成岩储层断层多,且走向多变,复杂程度高,亟需开展地应力分布规律及其影响因素研究.本文以苏13井三维区石炭系火成岩储层为例,基于盒维数法,用分维值D对研究区构造复杂程度进行了表征;基于BP神经网络方法,通过MATLAB实现了边界约束的优化反演;利用COMSOL Multiphyics软件模拟分析了渗流-应力耦合作用下地应力分布规律及其影响因素,认为研究区地应力分布受断层数量、断层走向和石油开采的影响较大;考虑渗流-应力耦合作用后,地应力值增大,而地应力方向基本保持不变或发生微小偏转.研究结果表明:研究区发育三级、四级、五级及五级以下逆断层,断层相互切割,断层分布的分维值为1.811 1,分维值较大,研究区整体构造复杂.随着断层数量的增加,地应力值呈减小趋势;走向与荷载作用方向平行的断层内部最大水平主应力值较其余走向断层小,对附近应力场影响作用也较小;走向与荷载作用方向垂直的断层对附近应力场影响范围最大;考虑石油开采的影响后,最大水平主应力值增大;随着石油开采的深入,井口附近的地应力持续增大,但单井开采对地应力的影响范围有限.未考虑渗流-应力耦合作用,研究区...     

采场地应力分布规律及对巷道围岩稳定性影响分析

采用空芯包体应力法对桃园煤矿二水平地应力大小和方向进行了现场测试,由实测结果可知,二水平岩体地应力场宏观上属于水平构造应力场,最大和最小主应力倾角均值小于10°,最大主应力是最小主应力的1.58～1.84倍,中间主应力与垂直应力较为接近,随埋深的增加垂直应力相应增大。依据巷道轴向与最大水平主应力方向倾斜程度,对二水平采区主要巷道进行了稳定性分析,26.8%的主要大巷和66.7%的采区巷道受最大水平主应力影响为3级,表明主要大巷布置较为理想,而采区巷道矿压显现剧烈,还有较大的优化空间。     

南堡凹陷现今地应力特征及影响因素

为了明确影响南堡凹陷现今地应力分布的各个因素并确定主控因素,基于80余组实测地应力数据,并结合测井计算、数值模拟及理论推导的手段,建立了埋藏深度、岩性、断层、构造形态、孔隙流体、温度及压裂裂缝与现今地应力之间的关系,定量分析了各个因素对地应力大小及方向的影响程度,认为南堡凹陷现今地应力分布的差异是动静态因素共同作用的结果.研究结果表明:埋深直接影响地应力的大小,其分量及应力系数随埋深增大呈规律性变化,且地应力状态发生2次转换;岩性的非均质性是地应力大小离散分布的重要原因,对地应力方向造成不超过10°的微弱偏转;断层引起周围一定范围内地应力大小显著变化并造成地应力方向杂乱分布,应力集中程度最高可达10余倍;构造形态对水平应力的影响尤其显著;孔隙流体通过改变岩石力学性质和孔隙压力影响了地应力,其大小变化幅度约18～30 MPa,方向最大变化约10°;地温引起地应力微弱且均匀变化,而注水导致的温度变化能够造成地应力大小和方向的突变,应力大小最高可达15 MPa,方向偏转超过10°,但是影响范围仅限于井筒周围;压裂裂缝引起井筒周围局部应力场的明显扰动.静态因素的影响方式具有一定规律性,而动态因素往往引起井筒周围局部应力场的突变,导致地应力的离散分布.     

韩城矿区地应力特征及其对煤层气开发的影响

采用数学计算法,结合韩城矿区实际生产数据,探讨地应力的分布特征及其对煤层气开发的影响。研究发现,横向上矿区西部的最小水平应力值一般大于东部,纵向上应力值呈现先减少后增大的趋势。随着地应力增加,煤体结构向糜棱煤转化,煤储层渗透能力减小。韩城矿区水平主应力差异系数以小于0.47为主,稳产期日产量随着差异系数的增加而增加。地应力等值线图与煤层气产气量等值线图在平面上有较好的吻合性。     

出砂水平井近井塑性区出砂半径预测研究

基于地层岩石弹塑性变形理论,建立出砂水平井近井塑性区应力分布模型.根据弹性区与塑性区边界应力连续的原理,提出水平井弹塑性区边界即塑性出砂半径的预测模型与方法,分析了出砂水平井近井塑性区应力分布规律及出砂半径的敏感性因素.结果表明:水平井塑性应力分布及出砂半径与原始主应力关系、井周角、井斜方位角、流压等参数有直接关系;塑性出砂半径随井周角的变化规律与原始垂向主应力和最大水平主应力的大小关系有关,当最大水平主应力较大时,井周铅垂方向的出砂半径大于水平方向的出砂半径,即铅垂方向更容易出砂,当垂向主应力较大时则相反;随着井斜方位角变化出砂半径呈周期性变化,在原始水平最大主应力σH大于垂向主应力σv的情况下,井斜方位角为0°和180°时,水平方向出砂半径较大,更容易出砂;井斜方位角为90°和270°时,铅垂方向更容易出砂;由于岩石力学参数及地应力的非均质性分布,水平井出砂半径沿着井身轨迹方向也表现出明显的非均质性.     

褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响

为探讨褶皱构造区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响,采用FLAC2D数值模拟程序,研究了褶皱构造形成过程中的应力分布规律和工作面开采导致的局部应力场变化规律.结果表明,褶皱形成后,褶皱核部的最大水平应力比翼部大,翼部的最大水平应力比背斜处大,褶皱构造区具有初始地应力场分布的非均匀性;与仰采推进相比较,从背斜往向斜的方向俯采推进时,煤岩体内应力集中程度更高,褶皱区具有开采后局部地应力场变化的方向性.褶皱向斜部分是水平应力集中区,采掘时冲击危险性较高,而翼部、背斜处的冲击危险性次之;褶皱区工作面最有利的推进方向应是自向斜起往背斜方向推进.     

阳江抽水蓄能电站地应力场回归分析

采用基于三维有限元正演分析、应力实测资料及将岩体自重和构造应力作为地应力的主要构成因素的多元线性回归方法,对阳江抽水蓄能电站的地应力场进行回归分析.通过拟合实测地应力资料获得对应于地应力构成因素的回归系数,进一步获得了整个工程区特别是重要工程部位的岩体应力分布.回归结果表明:工程部位岩体属中等应力水平,最大水平主应力方位随埋深的增加由EW方向至NWW方向偏转.文章最后揭示了工程局部应力场与区域应力场构造的关系.     

深部矿井三维地应力特征及其对巷道稳定性的影响

地应力是影响矿山地下工程围岩稳定性的重要因素之一.为了解狮子山矿区应力状态及分布规律,应用空心包体三轴应变计,采用套孔应力解除法对矿区开展了三维地应力实测.通过实测获得该矿区深部4个中段4个测点的三维应力状态.对实测数据系统分析,获得了矿区地应力场的分布特征,验证了狮子山矿区地应力场以水平构造应力为主导,最大水平主应力的走向为NNW-SSE向,最大、最小及中间主应力随深度基本呈线性增长关系.基于深部三维地应力实测结果和工程地质条件,采用FLAC3D软件分析了巷道轴向与最大主应力方向不同情况下巷道围岩的破坏情况.研究成果为狮子山矿区深部开拓工程和采场的合理布置提供了可靠的依据,对矿山后续安全高效生产具有重要的指导意义.     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值及围岩所承受偏压的程度。为量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标,以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的应力椭圆特征随洞室轴线方位变化的方式,获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行案例分析,结果表明:当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;但一般情况下,很难使开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征,因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

广义Hoek Brown破坏准则平面应变问题的滑移线场理论

根据弹塑性力学平面应变问题的特点,推导广义Hoek-Brown破坏准则平面应变问题应力分量的双参数表达式。代入静力平衡微分方程,得到双曲型一阶拟线性偏微分方程组。运用行列式方法,在适当的变量代换后,获得应力偏微分方程组的特征方向和特征上的微分关系。特征方向表明塑性区中的共轭斜交剪切滑移面形成两族非正交滑移线,其共轭角随极限应力状态和Hoek—Brown岩体材料物性参数而变化。由于对称初始应力场条件下圆形硐室理想弹塑性围岩塑性区内最大主应力方向为环向,而滑移线切线方向与最大主应力方向的夹角是最小主应力（径向应力）的函数,结合圆形硐室理想弹塑性围岩的应力分布的分析解,获得滑移线的极坐标曲线所满足的微分方程,进而得到其极坐标曲线方程。     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值以及围岩应力所承受偏压的程度。为了量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的Mohr应力圆特征随洞室轴线方位变化的方式获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;同时,通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行了案例分析,研究结果表明,当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;然而,开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优是困难的。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征;因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

沁水南部柿庄南区块3号煤层现今地应力特征及其与渗透率的关系研究

为了研究沁水盆地柿庄南区块3号煤层地应力特征,揭示地应力对渗透率的影响规律,根据研究区3号煤层形成后的古构造应力场特征,划分出煤层褶皱不同部位叠加区,采用水压致裂法和声波测井互相印证法计算出煤储层地应力,应用实测和地质强度指标(geological strength index,GSI)相结合的方法得出煤储层渗透率,对煤层现今地应力与埋深的关系进行回归分析,查明了地应力随埋深的变化特征,在此基础上总结了地应力对煤储层渗透率的影响规律。结果表明:研究区煤层地应力随埋深增加呈线性增大;在700 m以浅地区,σVσHσh,现今地应力状态为大地静力场; 700～900 m,σH≈σV≈σh,为准静水压力场; 900 m以深,σHσVσh,最大水平主应力起主导作用,具有大地动力场特征。对于同一构造部位,煤储层地应力与埋深相关性较好,呈负指数关系;不考虑多期构造叠加时,应力差与渗透率关系不明显,考虑构造分期后,同一叠加区其应力差与渗透率符合指数关系。     

水平主应力对锚杆锚固区力学特征影响规律研究

针对不同水平主应力条件下巷道锚固支护围岩效果不理想的问题,本文采用数值模拟、理论分析和现场试验综合研究方法,研究表明:最大水平主应力方向与巷道轴向夹角在0°～30°时,巷道锚固区围岩应力缓和,当夹角大于30°时,随着夹角增大,最大水平主应力向顶底板转移,顶、底板高应力区范围和应力集中程度显著增大。锚杆自由段轴力相等,锚固段轴力呈负指数衰减,整体分布曲线呈"乀"字状。顶部锚杆轴力与夹角呈正相关,夹角在0°～30°、70°～90°范围顶板锚杆轴力增大趋势平缓,夹角在30°～60°范围增大趋势显著;帮部锚杆轴力与夹角呈负相关。随着最大水平主应力与巷道轴线夹角的增大,巷道断面锚杆轴力分布曲线依次向"凹"、"口"、"凸"状演化。     

锦屏一级水电站左岸边坡高地应力区卸荷松弛特征及其控制措施

岩体开挖卸荷松弛效应对边坡的稳定性影响巨大,如何控制岩体卸荷松弛程度非常重要。以锦屏一级水电站左岸高边坡为研究对象,区域3维地应力场反分析结果表明:工程区域内地应力水平较高,水平构造应力较大,河床处的最大主应力达到40～50 MPa。施工期声波波速及钻孔变模的测试数据表明:边坡高地应力区的岩体卸荷松弛现象非常明显,岩体卸荷松弛深度随着地应力的增大而增大。边坡高地应力区开展的先挖后锚和先锚后挖的两种岩体卸荷松弛控制试验表明:先锚后挖能够有效地改善岩体的应力释放,同时能够较好地控制岩体的变形。     

四川省大凉山腹地当前地应力状态分析

在四川省大凉山腹地深度分别为190.15 m和364.10 m的两个钻孔中进行水压致裂地应力测量,以获得当前浅部地壳应力的状态.测量结果表明,在测试段深度内,实测最大水平主应力最高值为14.68MPa,与该区域内已有近似深度地应力测量结果(20 MPa)相比,此次测值有所降低;3个主应力之间的关系为:最大水平主应力最小水平主应力垂直应力,表明大凉山地区地壳浅部构造应力场以水平应力为主导;最大水平主应力方向为北西至北西西向,与区域活动构造的性质和震源机制解得出的主压应力方向基本符合;最后,利用库伦摩擦滑动准则,讨论了当断层摩擦因数μ为0.6~1.0时,测区内主要断裂在该应力状态下的稳定性,认为测区内现今最大水平主应力值暂时没有达到使区域逆断层发生瞬间摩擦滑动的临界值.     

π平面上冻结黏土破坏函数适用性试验研究

为了研究冻土在π平面上的强度特征,利用冻土空心圆柱仪对冻结黏土开展了-6.0℃条件下4个平均主应力p(1.0,3.0,4.5和10.0MPa)和5个应力Lode角θσ(-30.0°,-16.1°,0°,16.1°和30.0°)的定向剪切试验.结果表明:定向剪切路径下冻结黏土的应力-应变曲线均呈现应变硬化特征;随着中主应力系数b值的增加,轴向强度逐渐降低;随着平均主应力p值的增大,中主应力系数b值对广义剪应力-剪应变曲线的影响逐渐减弱;在平均主应力p值较小时,中主应力系数b值的变化对破坏应力比的影响较大,而在平均主应力p值较大时,这一影响则较小;在相同中主应力系数b值下,破坏应力比随着平均主应力的增大而减小.随着平均主应力的增加,π平面上冻结黏土的破坏曲线形状从光滑外凸三角形渐变为圆形,非线性广义强度理论能较好描述这种演化规律.     

考虑主应力偏转的采动诱发断层活化机理研究

为探讨采动诱发应力场偏转活化断层机理,采用库仑破裂应力增量为断层单元活化判据,引入损伤因子评价断层面活化滑移破坏程度,模拟分析了主应力偏转对不同倾角断层面上应力分布及断层滑移量的影响.研究表明:采动诱发主应力偏转使得沿断层面剪应力增加,而垂直于断层的正应力又受开采卸压和应力偏转影响而减小;断层倾角越大,断层面上剪应力增量对主应力偏转响应越明显;逆断层下盘工作面向断层方向回采时,断层面附近区域底板主应力最先发生偏转,顶板处主应力偏转滞后于煤层和底板,然而顶板中主应力偏转量最大.不同断层倾角断层损伤因子随主应力偏转角变化呈倒"S"型变化.对于倾角分别为15°,30°,45°和60°断层,当最大主应力偏转至垂直断层时,断层面库仑破裂应力和损伤因子均最小;而偏转至平行断层时,断层库仑破裂应力和损伤因子最大,损伤因子最大值约为最小值的8.5~9.2倍.     

丹江口库区初始地应力场的反演

根据丹江口库区的地质构造,考虑断裂破碎带和岩石力学参数随埋深变化,建立计算模型,反演分析了库区的初始地应力场,结果表明:1)库区地应力的临界深度在1km埋深附近;2)水平方向两个主应力,在埋深750m范围内X轴方向为主压应力,随埋深由13MPa增至23MPa,Y轴方向为主拉应力,随埋深由12MPa减至0,埋深750m以下两个坐标轴方向均为主压应力且随埋深增加;3)两个水平主应力差在埋深10km范围内随埋深基本呈线性增加,大约10km深处急剧减小,20km以外基本消失,岩体处于静水压力状态.     

页岩油储层现今地应力场与裂缝有效性评价——以鄂尔多斯盆地延长组长7油层组为例

鄂尔多斯盆地是我国重要的非常规油气产区,其内延长组长7储层页岩油富集,勘探开发潜力巨大.查明延长组长7储层现今地应力特征,并分析在其作用下的天然裂缝有效性,对鄂尔多斯盆地页岩油勘探开发极为必要.本文综合利用多种方法分析延长组长7页岩油储层现今地应力状态及其影响下的裂缝有效性,认为延长组长7页岩油储层现今地应力场以正断机制为主,其内天然裂缝的有效性受地应力影响显著,裂缝开启压力与埋藏深度、裂缝产状以及现今地应力方向和大小等因素密切相关.研究结果表明:长7页岩油储层现今地应力方向呈现ENE-WSW—NE-SW的优势方位;现今地应力大小随埋藏深度的增加而增大,二者具有明显的线性关系.垂向主应力(S_v)、水平最大(S_(Hmax))和最小主应力(S_(hmin))之间遵循S_vS_(Hmax)S_(hmin)的规律.在现今地应力状态下,鄂尔多斯盆地延长组长7页岩油储层内的天然裂缝均为无效裂缝,随着流体注入,与现今水平最大主应力方向夹角较小、倾角较大的天然裂缝率先成为有效裂缝,其临界压力增值为14.1～36.5 MPa.延长组长7页岩油储层内天然裂缝的开启压力介于29.7～77.2 MPa,平均值为49.9 MPa.