[发明专利]一种断层破碎带软岩地应力估算方法

权利要求书

1.一种断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，包括：

步骤1：获得硬岩地区的三个主应力的地应力测试结果，所述三个主应力包括：水平大主应力、水平小主应力及竖直应力；以水平大主应力方向为x轴，水平小主应力方向为y轴，竖直应力方向为z轴建立原始坐标系，以确定所述硬岩地区的原始坐标系的应力矩阵；

步骤2：根据转换矩阵公式确定坐标转换的第一转换矩阵，并根据所述第一转换矩阵及应力分量转换公式，将所述硬岩地区的原始坐标系的应力矩阵转换成所述硬岩地区的大地坐标系的应力矩阵；

步骤3：根据所述转换矩阵公式确定坐标转换的第二转换矩阵，并根据所述第二转换矩阵及所述应力分量转换公式，将所述硬岩地区的大地坐标系的应力矩阵转换成所述硬岩地区的断层坐标系的应力矩阵；再根据广义胡克定律，将所述硬岩地区的断层坐标系的应力矩阵转换成软岩地区的断层坐标系的应力矩阵；

步骤4：通过第三转换矩阵运用所述应力分量转换公式的反运算，将所述软岩地区的断层坐标系的应力矩阵转换成软岩地区的大地坐标系的应力矩阵，所述第三转换矩阵为所述第二转换矩阵的转置矩阵；

步骤5：通过第四转换矩阵运用所述应力分量转换公式的反运算，将所述软岩地区的大地坐标系的应力矩阵转换成软岩地区的隧道坐标系的应力矩阵，所述第四转换矩阵为所述第一转换矩阵的转置矩阵。

2.如权利要求1所述的断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，还包括步骤6：

根据所述第四转换矩阵及所述应力分量转换公式，将所述硬岩地区的大地坐标系的应力矩阵转换成所述硬岩地区的隧道坐标系的应力矩阵。

3.如权利要求1所述的断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，所述断层破碎带软岩地应力估算方法具有假定前提条件，所述假定前提条件为：

平行于xoy面的岩层的水平方向的尺寸比竖直方向的尺寸大；

岩层各向同性；

材料满足弹性假设。

4.如权利要求1所述的断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，

对于同一点在不同坐标系下的所述应力分量转换公式的矩阵表达式为：

[σ']＝[β][σ][β]^T；

其中，[σ′]为新坐标系的应力矩阵，[β]为转换矩阵，[σ]为原坐标系的应力矩阵。

5.如权利要求1所述的断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，

对于同一点在不同坐标系下的转换矩阵公式为：

其中，设x，y，z为原坐标系的坐标轴，x′，y′，z′为新坐标系的坐标轴，lij＝cos(Ai，Bj)，i＝1～3，j＝1～3，A1～A3分别为x′、y′、z′，B1～B3分别为x、y、z，即所述lij为Ai轴与Bj轴夹角的余弦。

6.如权利要求5所述的断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，

设定所述硬岩地区的大地坐标系的最大水平主应力方向为x′轴向北，最小水平主应力方向为y′轴向东，竖直应力为z′轴向下；所述大地坐标系的最大水平主应力的方位角为α；

所述步骤2中的所述第一转换矩阵公式为：

7.如权利要求5所述的断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，

所述硬岩地区的断层坐标系的垂直断层面为z″轴，所述大地坐标系中断层面交水平面的方向设为x″轴，垂直于x″轴和z″轴的方向设为y″轴；设定所述硬岩地区的断层的倾向为α，倾角为β；

则z″轴单位向量方向为(cosαsinβ，sinαsinβ，cosβ)；x″轴单位向量方向为(sinα，-cosα，0)；y″轴单位向量方向为(cosαcosβ，sinαcosβ，-sinβ)；所述大地坐标系x′轴、y′轴、z′轴的单位向量方向分别为(1，0，0)、(0，1，0)、(0，0，1)；

所述步骤3中的所述第二转换矩阵公式为：

8.如权利要求7所述的断层破碎带软岩地应力估算方法，其特征在于，所述广义胡克定律进行解析解的求解公式为：

E′：垂直横观各向同性面的弹性模量；

υ′：垂直横观各向同性面的泊松比；

所述软岩地区的应力为所述硬岩地区的应力为将软岩地区和硬岩地区的应变相等代入所述广义胡克定律可得：

E_w：软岩地区横观各向同性面内的弹性模量；

E′_w:软岩地区垂直横观各向同性面内的弹性模量；

E_s：硬岩地区横观各向同性面内的弹性模量；

E′_s：硬岩地区垂直横观各向同性面内的弹性模量；

υ_w：软岩地区横观各向同性面内的泊松比；

υ′_w：软岩地区垂直横观各向同性面内的泊松比；

υ_s：硬岩地区横观各向同性面内的泊松比；

υ′_s：硬岩地区垂直横观各向同性面内的泊松比。