基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析.pdf

引用格式：朱明德，王照亚，张月征，等，2023.基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析 J.地质力学学报，29（3）：430441.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232911Citation:ZHUMD，WANGZY，ZHANGYZ，etal.，2023.In-situstressmeasurementandinversionanalysisofthedeepshaftprojectareainSanshanIslandbasedonhydraulicfracturingmethodJ.JournalofGeomechanics，29（3）：430441.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232911基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析朱明德1,2，王照亚3，张月征4,5，李文光3，侯奎奎1,2，纪洪广4,5，尹延天1,2，付桢4,5，郝英杰1,2ZHUMingde1,2，WANGZhaoya3，ZHANGYuezheng4,5，LIWenguang3，HOUKuikui1,2，JIHongguang4,5，YINYantian1,2，FUZhen4,5，HAOYingjie1,21.山东黄金集团有限公司深井开采实验室，山东莱州261400；2.山东省深海深地金属矿智能开采重点实验室，山东莱州261400；3.山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东莱州261400；4.北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京100083；5.矿山深井建设技术国家工程研究中心，北京1000131.Deep Mining Laboratory of Shandong Gold Group Co Ltd,Laizhou 261400,Shandong,China;2.Shandong Key Laboratory of Deep-sea and Deep-earth Metallic Mineral Intelligent Mining,Laizhou 261400,Shandong,China;3.Sanshandao Gold Mine of Shandong Gold Mining Industry Co.,Ltd.,Laizhou 261400,Shandong,China;4.Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;5.National Engineering Research Center of Deep Shaft Construction,Beijing 100013,ChinaIn-situ stress measurement and inversion analysis of the deep shaft project area in Sanshan Islandbased on hydraulic fracturing methodAbstract:Theproposed2000-meter-deepauxiliaryshaftattheXilingmine,SanshanIsland,ShandongProvince,isanultra-deepshaftconstructionproject.Revealingthecharacteristicsofthein-situstressfieldintheshaftconstructionareaisoneofthenecessaryprerequisitesforthedesignandconstructionoftheshaft.Wemeasuredthein-situstressinthedeepshaftbyhydraulicfracturingmethodtoadepthof1899.00mandinvertedthe2017.56-meter-deepin-situstressfieldintheshaftconstructionareabynumericalsimulation.Theresultsshowthatthemaximumhorizontalprincipalstress(SH)rangesfrom23.16to70.86MPa,andtheminimumhorizontalprincipalstress(Sh)from15.24to47.06MPainthedepthrangefrom357.76to1899.00mintheboreholetestedbyhydraulicfracturing;theprincipalstressincreasesnearlylinearlywithdepth,andthemeasuredmaximumhorizontalprincipalstressdirectionsinthemeasuredboreholesareNW55.5,NW60.4,andNW58.4,respectively.Horizontalstressmainlydominatesthestressfieldintheshaftengineeringarea,theverticalstress(Sv)below1200.00mistheintermediatestress,andtheaveragevalueoftheratioofSHtoSvis1.53.Thein-situ stress field distribution pattern in the well-construction area with depth and stratigraphic changes is obtained byinversion analysis of FLAC 3D software.The inversion results are basically consistent with the measured values.Itprovidesthefundamentalscientificbasisforshaftwalldesignandengineeringriskassessmentofshaftprojects.Keywords:deepshaft；deepstrata；hydraulicfracturing；In-situstressmeasurement；in-situstressinversion摘 要：山东省三山岛西岭矿区拟建 2000m 深副井，属于超深井建设工程。揭示建井工程区地应力场特基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2021ZD36）ThisresearchisfinanciallysupportedbytheShandongProvincialNaturalScienceFoundation（GrantZR2021ZD36）第一作者：朱明德（1988），男，硕士，主要从事岩石力学与地应力测量等相关工作。E-mail：zhumingdesd-通讯作者：王照亚（1969），男，高级工程师，主要从事岩石力学基础理论与岩土工程相关工作。E-mail：wangzhaoyasd-收稿日期：20230228；修回日期：20230425；责任编辑：范二平第29卷第3期地质力学学报Vol.29No.32023年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun.2023征是开展竖井设计、建设施工的必要先决条件之一，研究中采用水压致裂法开展了深部竖井地应力现场测量工作，测量深度达到 1899.00m，通过数值仿真模拟方法反演了竖井工程区 2017.56m 深的地应力场。结果表明：在水压致裂测试的钻孔 357.761899.00m 深度范围内，最大水平主应力（SH）为 23.1670.86MPa，最小水平主应力（Sh）为 15.2447.06MPa；主应力随深度近于线性增加，地应力测量孔实测最大水平主应力方向分别为 NW55.5、NW60.4、NW58.4，为近北西方向；竖井工程区应力场主要以水平应力为主导，1200.00m 以下铅直主应力（Sv）为中间应力，SH与 Sv之比平均值为 1.53；通过 FLAC3D 软件的反演分析获得了建井工程区内地应力场随深度、地层变化的分布规律，测试点的反演结果与实测值基本一致。近 2000m 超深地层地应力状态及其分布规律，为竖井工程的井筒井壁设计和工程风险评估提供了基础科学依据。关键词：深竖井；深部地层；水压致裂法；地应力测量；地应力反演中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：10066616（2023）03043012DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.202329110引言地应力是引起地壳结构、岩石圈变形的原始动力（AmadeiandStephansson，1997；盖海龙等，2021；贾晨，2021；李剑伟和何勇，2021），是造成深部工程围岩片帮、岩爆和大变形等动力灾害的主要原因，是分析深竖井工程建设施工、长期服役面临工程风险的基础数据之一（蔡美峰，1993，2001；蔡美峰等，1999）。地应力场的形成过程和现存状态是地层中岩体开挖后产生变形的根本力学因素，准确获取深部地层中地应力信息是进行深部巷道围岩稳定性分析与支护设计的前提条件（尹健民等，2014；王成虎等，2020；张浩等，2020;尚晓光等，2021;李彬等，2022；孟文等，2022）。与浅部相比，深部地层中地应力更大，温度更高，围岩体赋存条件更为复杂。目前，水压致裂法是国际上最广泛使用的地应力测试方法之一（GaleandBlackwood，1978；朱焕春和陶振宇，1994；陈群策等，1998；Montoneetal.，1999；何满潮，2004；蔡美峰等，2006；赵德安等，2007），随着地下工程的逐渐加深，地应力的测量工作尤为重要，难度也在不断增大（苏恺之，1985；王连捷和潘立宙，1991；王 思 敬，2009；孟 秋 等，2021）。彭 华 等（2011）应用深孔水压致裂地应力测量技术对赵楼煤矿 1000m 的工程勘察孔开展地应力测量工作，获得了赵楼煤矿矿区的应力状态。吴满路等（2008）对金川二矿 1000m 中段进行了系统的地应力测量，探明了深部应力的具体分布特征及其变化规律。秦向辉等（2020）利用新型水压致裂测量系统开展现场试验，系统地研究了水压致裂测量系统柔度的影响作用，并提出了准确获取关闭压力的新方法“关闭试验法”，该方法可提高测量的准确性，并通过该方法取得了良好的试验成果。张春山等（2016）在长白山不同地点进行了原地地应力测量，获得了长白山地区的地应力状态。通过水压致裂地应力测量技术的不断发展和实践，其已在国内深部矿山（1000m）得到广泛应用。山东省三山岛金矿为满足深部矿产资源的开发利用，拟在西岭矿区建设深度达 2000m 的竖井作为矿区副井，属于超深竖井工程。由于深部地层应力、地质条件的复杂性，不确定性因素和未知因素更多、更复杂，工程条件显著变化，给建井工程带来的风险也大大提高。该矿多年的开采与研究经验表明，深部地层处在高应力、强压缩状态下，岩石硬度大、储能水平高。深竖井井壁和硐室结构材料在高应力的作用下，容易产生强烈的岩石动力灾害；且随着深度增加，地应力线性增加，达到一定深度时，因受围岩的约束作用，整个深部地层岩体均处于强压缩应力状态，一旦外界条件发生变化，岩体自身的应力就会将岩石压碎，能量急剧释放，对深部井巷工程造成破坏，给掘进、支护等施工工艺带来严峻挑战。目前中国金属矿竖井深度普遍在 1000m 以浅，而三山岛西岭矿区副井拟建深度达 2000m。文中改进了水压致裂装置，通过增加保护套筒来收集地应力测试过程中的细碎砂石，从而起到保护封隔器的作用，使之更适用于深孔测试（张月征等，2019），利用 2017.56m 工程勘察孔开展了水压致裂法原位地应力实测研究，采用大型数值软件反演分析建井区域地层应力场的分布规律及其影响因素，以期获取建井区域 15002000m 内的应力场分布规律，为竖井工程的施工设计与风险评估提供地应力数据。第3期朱明德，等：基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析4311水压致裂原位地应力测量 1.1矿区工程地质概况三山岛金矿位于山东省胶东半岛北部，处于古老的基底变质变形岩系、多期多成因的岩浆活动和以北东向断裂为主的构造格架中，在区域构造上位于沂沐断裂带东侧，矿区地质受控于区域性的东西向构造体系和北北东向的新华夏系构造体系（图 1）。矿床工业矿体主要赋存在三山岛仓上断裂带中，岩性以黄铁矿绢英岩化花岗碎裂岩、绢英岩化碎裂岩及绢英黄铁矿化碎裂岩为主，矿床顶板和底板岩性为绢英岩化花岗岩、绢英岩化碎裂岩、黄铁矿绢英岩化花岗碎裂岩等，岩石比较坚硬，工程地质条件良好。矿床工程地质条件取决于岩石构造发育程度，区内断裂构造较发育，断裂带内局部岩石较破碎，蚀变较强烈，裂隙较发育，稳定性相对较差。Q第四系平原区；MJ牟平即墨构造混杂带；JD胶东侵入岩变质区；JB胶北隆起；JL胶莱塌陷区；JN胶南隆起区图1西岭副井工程地质勘察图Fig.1EngineeringgeologicalmapoftheXilingauxiliaryshaftQQuaternary plain;MJMupingJimo tectonic hybrid zone;JDJiaodong intrusive metamorphic zone;JBJiaobei uplift zone;JLJiaolaisubsidencezone;JNJiaonanupliftzone 1.2测量方法在不具备井下开拓空间的条件下，在深部钻孔中采用水压致裂法进行地应力测试是最为直接的方法。水压致裂原位地应力测量是以弹性力学为基础，在测量地点须遵从 3 个假设：岩石是线弹性和各向同性的；岩石是完整的；岩层中有一个主应力分量的方向与孔轴平行。测试过程中判读临界破裂压力（Pb）、裂隙重张压力（Pr）、瞬时闭合压力（Ps），从而计算获得岩层原始应力水平和抗拉强度，水压致裂过程中对应的 3 种压力如图 2 所示。测量设备采用 SY-2010 型单回路地应力测量系统（图 3）。在开展原位地应力测量之前首先进行测段，而测段的地层须完整性良好，并保证足够的测试密度，经详细分析现场地质资料、岩芯状况，在357.001899.00m范围内布置了 23 个满足要求的测段，其 间 隔 平 均 为 5060m；并 对 其 中 3 个 点（509.35m、1097.50m、1512.50m）开展了印模定向试验，现场测试中的印模过程如图 4 所示。T/min01234567123456789123PbPsPs4516Pr8791准备施压阶段；2施压阶段；3压裂阶段；4泄压阶段；5裂纹闭合阶段；6重新施压阶段；7裂隙重新张开阶段；8重新泄压阶段；9裂纹闭合阶段图2测量典型压裂过程曲线Fig.2Curvesofatypicalfracturingprocess1 preparation for pressure application;2 pressure application;3fracturing;4pressurerelief;5fractureclosure;6re-applicationofpressure;7fracturere-opening;8re-reliefofpressure;9fractureclosure井架钻机钻杆上封隔器下封隔器压裂段钻孔高压管道传感器流量计压力表压力泵控制器图3单回路水压致裂地应力测量系统Fig.3Schematicdiagramofthenewsingle-loophydrofracturein-situstressmeasurementsystem432地质力学学报https:/2023在计算最大水平主应力时，需要岩层的孔隙压力值。在水压致裂法地应力测量过程中，通常以测段所处地下水位的静水压力（PH）代替岩层的孔隙压力（P0）。压裂参数中破裂压力（Pb）、重张压力（Pr）、瞬时闭合压力（Ps）均为测段部位的实际量值，PH是测段中心的静水压力。压裂曲线中的 Pb 地 面、Pr 地面、Ps 地面值均为地面记录值，三者之间的关系见公式（1）（3）：Pb=Pb地面+PH（1）Pr=Pr地面+PH（2）Ps=Ps地面+PH（3）静水压力、最小水平主应力、最大水平主应力求解过程见公式（4）（6）（彭华等，2011）：PH=wH（4）Sh=Ps（5）SH=3PsPbP0（6）ShSHwH式中：最小水平主应力，最大水平主应力，水的容重，测点到孔口距离。2水压致裂地应力测量结果与分析 2.1地应力测量结果部分典型测段的压力记录曲线如图 5 所示，压力记录曲线较为标准，破裂压力峰值确切、明显，各个循环重复测量的规律性很强，各个循环测得的压裂参数具有良好的一致性，可用于计算求解各测段的应力状态。通过对各个测段的压力记录曲线整理、分析与判别，确定了各测段的破裂压力（Pb）、裂缝重张压力（Pr）、裂缝瞬时闭合压力（Ps）、岩层的孔隙压力图4测量系统的印模装置Fig.4Impressiondevicesformeasurmentsystem4035302520151005压力/MPa22:2022:5023:2023:5024:2024:5025:2025:5026:20时间（mm:ss）（a）测量段(1220.40 m)的压力记录曲线35302520151005压力/MPa37:4838:1838:4839:1840:1841:3842:4843:1844:1839:4840:4841:4842:4843:48时间（mm:ss）（b）测量段(1350.00 m)的压力记录曲线35302520151005压力/MPa50:2450:5451:5452:5453:5454:5455:5456:5457:2451:2452:2453:2454:2455:2456:24时间（mm:ss）（c）测量段(1473.18 m)的压力记录曲线35302520151005压力/MPa06:2906:5907:2907:5908:5909:5910:5911:5914:2908:2909:2910:2911:2912:5913:2914:5912:29时间（mm:ss）（d）测量段(1594.60 m)的压力记录曲线35302520151005压力/MPa01:5802:5803:2804:2805:2806:2807:2808:2802:2803:5804:5805:5806:5807:5808:58时间（mm:ss）（e）测量段(1792.70 m)的压力记录曲线353030302520151005压力/MPa18:5019:2019:5020:5021:5022:5023:5025:5020:2021:2022:2023:2024:20时间（mm:ss）（f）测量段(1899.00 m)的压力记录曲线图5水压致裂典型压力曲线Fig.5Typicalcurvesofhydraulicfracturingpressure第3期朱明德，等：基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析433（P0）以及测段岩石的原地抗拉强度（T）。根据上述测得的各压力参数及相应公式，得到最大、最小水平主压力值（SH、Sh）及铅直主应力值（Sv），23 个测段的水压致裂测量结果如表 1 所示。其中，铅直主应力值是根据水压致裂理论，按照上覆岩层的厚度计算得到的，计算中土层和岩石的平均容重取 2.7g/cm3。表1三山岛金矿西岭矿区副井勘察孔水压致裂原地应力测量结果Table1Resultsofhydraulicfracturingin-situstressmeasurementsintheboreholeoftheauxiliaryshaftattheXilingdeposit,Sanshandaogoldmine测段深度/m压裂参数/MPa主应力值/MPa破裂方位PbPrPsPoTSHShSv357.7620.0215.5411.733.514.4823.1615.249.47431.0924.5715.7811.854.228.7923.9916.0811.41509.3525.1520.2913.444.994.8625.0218.4313.48NW55.5608.2625.1618.8214.355.966.3430.2020.3116.39665.3324.3421.3914.756.522.9529.3721.2717.60881.7030.2223.0916.298.647.1434.4224.9323.33957.1025.8622.5416.579.383.3336.5625.9525.321010.5023.0619.1916.489.903.8740.1426.3827.231097.5030.4325.7220.1910.764.7145.6230.9529.04NW60.41166.4134.8425.9420.5011.438.9046.9931.9330.861220.4034.4025.3120.4411.969.0947.9632.4032.291275.8032.7923.6319.5212.509.1647.4332.0234.381350.0029.3021.8418.6213.237.4747.2531.8535.721408.0028.0223.3619.3213.804.6648.4033.1237.261473.1831.9324.0920.5914.447.8552.1235.0338.981512.5031.0124.9820.7514.826.0452.1135.5840.02NW58.41594.6031.8226.5922.1215.635.2355.4037.7542.191643.6338.9829.4324.7016.119.5560.7940.8144.301689.5037.8328.3124.4616.569.5261.6341.0244.701756.8034.8930.6526.3917.224.2465.7243.6046.481792.7032.6927.7024.8317.574.9964.3742.4047.431839.0037.3528.7325.4318.028.6265.5843.4549.561899.0042.4733.1028.4518.619.3770.8647.0650.25 2.2地应力测量结果分析基于实测数据计算获得的 3 个主应力方向的结果显示，在深度 357.001899.00m 范围内最大水平主应力（SH）为 23.1670.86MPa，最小水平主应力（Sh）为 15.2447.06MPa，铅直主应力（Sv）为 9.4750.25MPa，基于 23 个测段的 SH、Sh和 Sv绘制了主应力随深度的变化规律（图 6a），并拟合出测点各主应力线性回归方程（7）（9）：SH=9.26+0.031D（7）Sh=7.56+0.020D（8）Sv=0.00+0.027D（9）式中：D钻孔深度（向下为正），m。地壳浅层变形和内部构造活动、断裂滑动失稳和地下工程开挖等对地应力状态具有重要影响，地应力大小是地下工程设计的基本参数，直接影响工程岩体的力学行为。通过对比国内金矿地应力水平，该 区 最 大 水 平 主 应 力 与 深 度 的 关 系 系 数 为0.031，低于国内平均值 0.0401，而最小水平主应力与深度的关系系数为 0.020，与国内平均值 0.0209 相近（李鹏和苗胜军，2017；李书强等，2017）。但就工程活 动 的 深 度 而 言，主 流 的 矿 井 和 开 采 深 度 都 在1500m 以浅范围，2000m 深竖井的水压致裂法原位地 应 力 测 量 中 深 部 最 大 水 平 主 应 力 竟 达 到 了70MPa 以上，按照一般硐室开挖形成的最大围岩应力是最大水平主应力的 2 倍估算，140MPa 的应力将达到大部分岩石的抗压强度极限，此处的工程开挖必然引发片帮、冒顶和岩爆、突水等一系列工程434地质力学学报https:/2023灾害问题。SHSh SvSH Sv ShSH Sh SvSH SvSh从主应力值随深度的变化趋势来看，勘探区应力场主要以水平应力为主导，1200.00m 以下铅直主应力（Sv）为中间应力，这一结果与山东地区现今地应力场特征基本相似，山东地区应力状态主要为型和型（李鹏等，2017）。对比浅部与深部地应力状态，在 1000.00m 以浅，地应力状态为，最小水平主应力为中间主应力，而在 1000.00m 以深，地应力状态逐渐转变为，铅直主应力为中间主应力。图 6b 中显示，最大水平主应力（SH）与铅直主应力（Sv）比值随着深度的增加整体呈反比例函数形式逐渐减小，且逐渐向1.30 逼近，这说明随着深度的增加，最大水平主应力值逐渐接近于铅直主应力值。通过与山东地区对比，测区内最大水平主应力（SH）与铅直主应力（Sv）比值为 1.302.45，平均为 1.53，较为接近山东地区的平均值 1.46（李鹏等，2017），符合山东地区地应力分布规律。地应力场各主应力方向多与该地区构造分布和现今构造活动有关，受半岛地区板块运动影响，断裂构造多为北东走向，因此该地区的最大水平主应力方向总体上应与之垂直，矿区内胶东断块在燕山构造运动中形成较多断裂，普遍发生左旋平移，并伴随中酸性岩浆岩侵入，不同方向和规模的断裂十分发育，其中尤以北东、北北东向最为发育，北西向次之（侯奎奎等，2022）。此次印模定向测试中西岭金矿地应力测量孔实测最大水平主应力方向平均为 NW58.1，为近北西向，与滨海金属矿区地应力规律（矿区最大水平主应力方向为北西西向；侯奎奎等，2022）结果相符，基本与该地区断裂构造方向垂直。3竖井工程区地应力场反演与分析从实测数据可见，一方面由于测量误差的存在，另一方面地层结构作为一个非均质体，与断层伴生形成的局部断裂构造、富水地层和封闭空间超孔隙水压等因素，都会造成地应力实际测值的变化曲线趋势和实际存在偏差，例如，局部显著的斜率变化。同时，由于地层的复杂性，范围更大的建井工程区应力场特征对计算井筒变形、开展进一步的工程风险分析更为重要，研究中常基于实测点数据采用数值仿真方法反演区域应力场随空间的变化规律。根据建井开挖扰动的影响范围，模型尺度以井筒为中心，宽度为 100m、长度为 100m、深度为2017.56m，并 在 模 型 中 建 立 直 径 为 7m，深 度 为2017.56m 的井筒。3.1地质模型建立物理力学参数在确定建模尺度后，根据地层中岩性、岩体质量和构造分布随深度的变化，对主要地层进行分组。模型从上到下共计 12 个工程岩组：基岩风化带岩组（028.93m，厚度 28.93m）；二长花岗岩岩组（28.93935.66m，厚度 906.73m）；钾化花岗岩岩组（935.661001.10m，厚度 65.44m）；二长花岗岩岩组（1001.101051.07m，厚度 49.97m）；绢英岩化花岗岩岩组（1051.071064.37m，厚度 13.30m）；二长花岗岩岩组（1064.371651.76m，厚度 587.39m）；绢英岩化花岗岩岩组（1651.761674.36m，厚度 22.60m）；400200600800100012001400160018002000深度/m10203040506070主应力/MPa最大水平主应力最小水平主应力铅直主应力400200600800100012001400160018002000深度/m1.41.21.61.82.02.22.42.6最大水平主应力与铅直主应力比值R2=0.93（a）主应力随深度变化（b）最大主应力与铅直力比值随深度变化图6西岭金矿钻孔主应力值随深度变化图与应力关系图Fig.6VariationofprincipalstresseswithdepthandstressdiagramintheXilinggolddeposit(a)Variationofprincipalstresseswithdepth;(b)Ratioofmaximumprincipalstresstoverticalstress第3期朱明德，等：基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析435二长花岗岩岩组（1674.361722.96m，厚度 48.60m）；绢英岩化花岗质碎裂岩岩组（1722.961756.76m，厚度 33.80m）；二长花岗岩岩组（1756.761973.76m，厚度 217.00m）；煌斑岩岩组（1973.761983.66m，厚度 9.90m）；云 英 岩 岩 组（1983.662017.56m，厚 度33.90m）。根据岩石力学实验结果，计算选取的岩石力学参数见表 2。表2岩石物理力学实验结果统计表Table2Statisticsofthephysicalandmechanicalmeasurementsofrocks采样深度/m岩性工程岩组抗拉强度t/MPa抗剪强度（直剪）弹性模量E50/103MPa泊松比50黏聚力C/MPa内摩擦角/（）4.7316.93裂隙较发育，岩芯以碎块、块状为主，部分碎屑状基岩风化带岩组1.84023.3000.233.9804.1443.6019.7000.302.30031.6000.1838.0055.00裂隙较发育，岩芯以柱状为主，少量碎块二长花岗岩岩组6.42710.4359.403.7480.11340.00400.004.9145.9830.02525.00580.004.49313.0042.837.6890.27760.00800.006.04910.8158.075.3020.40935.001000.00裂隙发育，岩芯以柱状、块状、碎块居多，局部小段呈碎屑状钾化花岗岩岩组5.3504.3953.115.5000.051000.001050.00裂隙密集，岩芯以块状、碎块为主二长花岗岩岩组5.4627.8244.214.7630.211050.001064.00裂隙发育，岩芯以块状为主，局部碎块状绢英岩化花岗岩岩组6.1517.8955.863.9580.241140.001170.00裂隙密集，岩芯以块状为主，局部碎块状二长花岗岩岩组5.8273.6144.582.7460.051300.001400.005.3056.2645.171.8370.121650.001700.00裂隙密集，岩芯以块状、碎块为主绢英岩化花岗岩岩组3.2516.0036.435.1650.271722.961728.16裂隙密集，岩芯以块状、碎块为主二长花岗岩岩组3.3805.1753.5021.8000.204.56020.5000.114.82026.1000.091728.661740.46裂隙密集，岩芯以块状、碎块为主绢英岩化花岗质碎裂岩岩组3.9407.3554.3036.2000.144.99038.8000.125.83046.3000.051740.461756.767.30010.5453.3043.5000.096.68057.3000.136.53042.3000.061800.001870.00裂隙密集，岩芯以块状、碎块为主二长花岗岩岩组7.36012.2053.4050.5000.108.31047.9000.099.13048.8000.031960.001980.007.16011.4754.4059.8000.078.81045.4000.126.71047.4000.041974.001983.00裂隙发育，岩芯以块状、碎块为主，线裂隙率为10条/米左右煌斑岩岩组7.54014.7058.3085.7000.0312.00092.2000.099.48095.2000.101990.002000.00裂隙发育，岩芯以块状、碎块为主云英岩岩组7.5809.5453.6052.5000.115.70063.8000.126.16053.9000.132000.002015.002.5302.7045.209.3200.452.17011.0000.342.9407.9500.24436地质力学学报https:/2023 3.2模型建立仿真计算软件选用FLAC3D，建立了100m100m2017.56m 的地质模型（图 7），由于此次模拟分析范围较大，如果网格划分不合理则给后期计算带来困难，甚至出现不收敛的情况。为了在保证计算精度的同时降低计算量，岩体网格按 10m 划分，井筒围岩则进行了加密，整体网格布置由内向外逐渐稀疏。采用三角形加四边形混合网格进行划分，划分后共生成节点 221645，划分单元数为 331499（图 7）。3.3计算结果分析根据地应力实测结果以及主应力随深度的线性变化关系（公式（7）（9），在 X 方向施加最大水平主应力（SH），在 Y 方向施加最小水平主应力（Sh），在 Z 方向施加上覆地层重力大小的铅直主应力，同时 施 加 X、Y、Z 方 向 的 固 定 约 束 条 件，在 FLAC3D 中进行模拟，得到了最大和最小水平主应力云图（图8，图 9）、铅直方向主应力云图（图 10），进而反演获得整个计算域的初始地应力场随空间的分布规律。0100 m2017.56 m最大水平主应力/Pa1.2647E+071.5000E+071.7500E+072.0000E+072.5000E+072.7500E+073.0000E+073.2500E+073.5000E+074.0000E+074.5000E+075.0000E+075.5000E+076.0000E+076.5000E+077.0000E+077.5000E+077.5107E+07图8最大水平主应力云图Fig.8Cloudofmaximumhorizontalprincipalstress通过数值分析，获得了 2017.56m 以浅的应力场分布规律，随着深度的增加，最大水平主应力、最小水平主应力和铅直主应力值整体上均呈现增大趋势（图 8图 10；图中负号表示地层受压），数值分析得到 1899.00m 处最大水平主应力计算值约为 73.32MPa，通过水压致裂现场试验测得 1899.00m 处最大水平主应力值为 70.86MPa；数值分析得到最小水平主应力值在 1899.00m 处约为 50.00MPa，现场水压致裂实测最小水平主应力值在 1899.00m 处为 47.060100 m2017.56 mZYX二长花岗岩岩组(e)煌斑岩岩组云英岩岩组二长花岗岩岩组(c)绢英岩化花岗岩岩组二长花岗岩岩组(d)绢英岩化花岗质碎裂岩岩组二长花岗岩岩组(a)钾化花岗岩岩组二长花岗岩岩组(b)绢英岩化花岗岩岩组基岩风化带岩组图7地质模型图和网格细节图Fig.7Geologicalmodelmapandgriddetails第3期朱明德，等：基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析437MPa；数值分析得到铅直主应力值在 1899.00m 处约为 52.30MPa，现场水压致裂实测铅直主应力值在1899.00m 处为 50.25MPa。通过对比部分实测值和反演值（图 11），在 1250.001600.00m 深度区间内，最大水平主应力实测值与反演值相差 2.89MPa，最小水平主应力实测值与反演值相差 6.92MPa，铅直主应力实测值与反演值相差 2.30MPa，两者结果存在一定误差，分析其主要原因为：一是模型建立时，地层划分不能完全反映原始地层的真实分布