[发明专利]一种基于三维建模的地应力场反演方法

说明书

本发明公开了一种基于三维建模的地应力场反演方法，该方法只需要在工程现场进行取样工作即可，有效减轻了现场工作量，可以实现多个测点取样，实现地应力多测点精细测量；可建立工程大尺度含单一或复杂构造的三维数值模型，通过并行计算对反演研究区域的地应力分布特征进行反演；可得到直观、可视化的整体地应力分布情况，有效提取并查看模型不同水平、不同倾斜面、不同构造处的垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力值及方向等信息。

技术领域

本发明涉及地质勘测领域，特别是涉及一种基于三维建模的地应力场反演方法。

背景技术

地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，含构造的地应力场往往更加复杂多变。长期以来的实践表明，地应力是引起隧道、煤矿巷道围岩、支护结构变形和破坏以及矿井动力现象的根本作用力。当井巷开挖后，初始应力场和变形场受到开挖扰动的影响而重新分配，造成围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏，而当井巷处于地质构造的影响范围内时，构造对应力场的影响对巷道失稳破坏则尤为明显。目前地应力现场测试方法有水压致裂法、应力解除法、钻孔崩落法等，实验室测试有声发射法、岩石微裂隙闭合变形临界应力法等，但现场岩体应力测试是一项费时费力、耗费财力的复杂工作，一定程度上限制了现场岩体应力测试的推广应用，同时实测值只能代表测点附近一定范围内的应力情况，有限的测点并不能反映区域整体的应力场。在此情况下寻找能直观有效的反应地下工程整体地应力特征的方法非常有必要，通过三维数值模拟软件进行含构造地应力反演是其中一种有效的途径，但目前现场实测地应力普遍测点较少，同时利用三维数值模拟软件对地应力进行反演时，所建立的三维模型为了平衡计算速度与计算精度，往往尺寸较小，难以达到工程大尺度，实际计算效果与精度会受到局限，同时，方便、快捷的建立含构造的三维数值模型以及地应力场进行有效的反演也是一个难题。

发明内容

本发明主为解决现有问题的不足之处而提供一种基于三维建模的地应力场反演方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于三维建模的地应力场反演方法，该方法的步骤包括：选定地质模型的范围，在所述地质模型区域边界以及内部的各岩层布置多个测点，对每一测点分别进行采样，并标记采样样品的原始方位，将每一采样样品置于空间直角坐标系中，沿坐标系内指定方向在采样样品上钻取；应用伺服压力试验机和声发射设备，对每一钻取的试样进行物理力学性质的测试与声发射采集，计算各个测点对应的垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小和方向；其中，物理力学性质的测试至少得到试样的抗压强度、弹性模量和泊松比参数；根据地质模型的地质报告，建立地质模型工程尺度的断层、褶曲以及二者组合构造的三维地质模型，对构造的三维地址模型划分网格并确定边界条件、载荷条件；对三维地质模型进行反演计算，得到整个地质模型区域的应力场分布，将地质模型的多个测点与反演模拟结果对应点的计算应力大小与方向进行比较，利用边界荷载反分析法验证地应力反演效果，得到应力反演结果。

其中，在沿坐标系内指定方向在采样样品上钻取的步骤中，钻取试样的方向为沿X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X空间六个方向，每一方向钻取的试件数量至少为3个。

其中，采样样本数量至少为8个，体积不小于300mm³，试件体积大于等于Φ25mm×50mm，对每一精磨加工以符合岩石力学试验标准。