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。
技术实现要素：
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。
其中，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的步骤包括：确定整个地质模型研究范围以及范围内各地层岩石物理力学参数，构造类型、规模、数量以及分布情况；划分地质模型的地层模型截面；其中，对于断层模型，依据各地层厚度建立地层截面；对于褶曲模型，根据褶曲的幅高、区内长度、两翼倾角等参数，选取褶曲各地层边界位置的关键点，用曲线依次连接各地层选定的边界点，形成褶曲地层边界；对于断层和褶曲的组合构造，同褶曲地层模型的建立；添加断层元素，建立地质模型截面；对于断层模型，依据断层的倾角、断距、张开度、落差参数，在地层截面的基础上添加断层，并对地层进行相应的错动；对于褶曲模型，无需再添加断层；对于断层和褶曲组合构造，在褶曲地层截面的基础上同样添加对应的断层，并进行褶曲地层的错动，完成组合构造模型的建立；将建好的各模型截面的图形导入MIDAS软件，生成地层、褶曲、断层相应的封闭面，对封闭面进行实体生成，完成整个对应的含构造的三维地质模型的建立。
其中，在对构造的三维地质模型划分网格并确定边界条件、载荷条件的步骤中，包括步骤：在三维地质模型的构造区域以及层间接触面精细划分网格，其他位置一般划分网格；将三维地质模型底面垂直位移固定，上表面自由，四个侧面法向位移固定作为初始边界条件，以三维地质模型上覆岩层的重力作为初始载荷条件，对应模拟自重应力过程；根据在三维地质模型边界测点的实测应力值大小作为水平应力的载荷条件，三维地质模型底面垂直位移固定，相邻两个侧面法向位移固定，另两个侧面施加对应的地应力实测值，对应模拟构造应力过程。
其中，利用并行计算机对MIDAS模拟软件中的三维地质模型进行反演计算，得到整个地质模型的应力场分布，将每一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，调整边界载荷以使各测点反演值不断逼近实测值，当各测点反演值与实测值二者之间的误差达到10％以内时，反演结果即为最终的结果。
其中，根据计算结果查看不同位置垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线分布图、计算结果曲线图数据，并对整体应力场分布、构造等因素对应力场分布的影响进行分析。
区别于现有技术，本发明的基于三维建模的地应力场反演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。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的逻辑示意图。
图3是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的地质模型的工程尺度的断层建模的建模示意图。
图4是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的地质模型的工程尺度的褶曲建模的建模示意图。
图5是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的地质模型的工程尺度的复杂构造建模的建模示意图。
图6是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的三维地质模型整体垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线图。
图7是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的断层倾斜方向的垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线图。
图8是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的褶曲剖面垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1和图2，图1是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的流程示意图；图2是本发明提供的一种基于三维建模的地应力场反演方法的逻辑示意图。该方法的步骤包括：
S110：选定地质模型的范围，在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。
采样样本数量至少为8个，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。具体的，首先确定垂直方向的方位，再在上面寻找一个近水平的面，确定正北方向N，以N作为X方向，建立X、Y、Z空间坐标系，并分别在XOY平面、XOZ平面和YOZ平面上确定与两轴夹角为45°的方向X45°Y、Y45°Z、Z45°X。然后按照X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X空间六个方向钻取试件，每个方向至少钻取3个，试件尺寸不小于Φ25mm×50mm，试件精磨加工，标准要求符合岩石力学试验标准。
S120：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。
应用伺服压力试验机和声发射设备，根据声发射能量在时间上的分布特征（第一次陡增点）确定每个试件凯塞效应特征点对应的应力值，对相同方向上的K值取平均值，得到、、、、、六个方向的值，根据相应的弹性力学计算公式，求得主应力量值、、及其方向，并最终确定各测点垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小及方向。
S130：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。
工程尺度的断层建模、褶曲建模及复杂构造建模示意图如图3-5所示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的步骤包括：
确定整个地质模型研究范围以及范围内各地层岩石物理力学参数，构造类型、规模、数量以及分布情况；
划分地质模型的地层模型截面；其中，对于断层模型，依据各地层厚度建立地层截面；对于褶曲模型，根据褶曲的幅高、区内长度、两翼倾角等参数，选取褶曲各地层边界位置的关键点，用曲线依次连接各地层选定的边界点，形成褶曲地层边界；对于断层和褶曲的组合构造，同褶曲地层模型的建立。
添加断层元素，建立地质模型截面；对于断层模型，依据断层的倾角、断距、张开度、落差参数，在地层截面的基础上添加断层，并对地层进行相应的错动；对于褶曲模型，无需再添加断层；对于断层和褶曲组合构造，在褶曲地层截面的基础上同样添加对应的断层，并进行褶曲地层的错动，完成组合构造模型的建立；
将建好的各模型截面的图形导入MIDAS软件，生成地层、褶曲、断层相应的封闭面，对封闭面进行实体生成，完成整个对应的含构造的三维地质模型的建立。
在对构造的三维地质模型划分网格并确定边界条件、载荷条件的步骤中，包括步骤：
在三维地质模型的构造区域以及层间接触面精细划分网格，其他位置一般划分网格；
将三维地质模型底面垂直位移固定，上表面自由，四个侧面法向位移固定作为初始边界条件，以三维地质模型上覆岩层的重力作为初始载荷条件，对应模拟自重应力过程；
根据在三维地质模型边界测点的实测应力值大小作为水平应力的载荷条件，三维地质模型底面垂直位移固定，相邻两个侧面法向位移固定，另两个侧面施加对应的地应力实测值，对应模拟构造应力过程。
S140：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。
利用并行计算机对MIDAS模拟软件中的三维地质模型进行反演计算，得到整个地质模型的应力场分布，将每一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，调整边界载荷以使各测点反演值不断逼近实测值，当各测点反演值与实测值二者之间的误差达到10％以内时，反演结果即为最终的结果。
根据计算结果查看不同位置垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线分布图、计算结果曲线图数据，并对整体应力场分布、构造等因素对应力场分布的影响进行分析。具体的，三维地质模型整体、断层倾斜方向及褶曲剖面垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线图如图6-8所示。
区别于现有技术，本发明的基于三维建模的地应力场反演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。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。