朱仙庄煤矿南翼地应力原位测试及其最优化反分析_刘钦节.pdf

第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2015-06-05 基金项目 国家自然科学基金项目（51374011）；中国博士后基金资助项目（2013M531494）；安徽理工大学青年教师基金（QN201430） Foundation itemNational Natural Science Foundation of China（51374011）；China Postdoctoral Science Foundation （2013M531494）；Young Teachers Program of Anhui University of Science Technology（QN201430） 作者简介 刘钦节（1980-），男，山东临沂人，博士，讲师. 从事岩石力学与采矿工程等方面的教学研究工作. E-mailliuqinjie 引用格式 刘钦节，杨科，史厚桃，等. 朱仙庄煤矿南翼地应力原位测试及其最优化反分析［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）30-34. LIU Qinjie， YANG Ke，SHI Houtao，et al. In-situ test and optimized back analysis of geo-stress in Zhuxianzhuang coal mine［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（4）30-34. 文章编号 1001-1986（2016）04-0030-05 朱仙庄煤矿南翼地应力原位测试及其最优化反分析 刘钦节 1，杨 科1，史厚桃2，陶 睿1 （1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001； 2. 淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿，安徽 宿州 234000） 摘要 地应力在软岩或深部煤矿设计、施工与安全生产中具有重要作用。采用空心包体应变计法 对朱仙庄煤矿南翼 II、III 水平进行了地应力原位测试，获得了该矿地应力大小及主要方位；以 此作为约束条件， 基于多目标约束的最优化方法利用 ANSYS 软件建立了朱仙庄煤矿南翼地应力 最优化反分析模型，反演得出了最优边界条件，并用数值分析了该区域地应力分布特征和变化 规律。结果表明朱仙庄煤矿南翼地应力以水平构造应力为主，且具有明显的方向性，最大主 应力值变化范围是 20～25 MPa，方位则分布在 N 60E 和 N 75E 之间，其水平地应力非均匀系 数为 1.1～1.8。 关 键 词朱仙庄煤矿；地应力；原位测试；最优化反分析 中图分类号TD311 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.006 In-situ test and optimized back analysis of geo-stress in Zhuxianzhuang coal mine LIU Qinjie1， YANG Ke1， SHI Houtao2， TAO Rui1 （1. School of Mining and Safety Engineering， Anhui University of Science Technology， Huainan 232001， China； 2. Zhuxianzhuang Coal Mine， Huaibei Mining Co.， Ltd.， Suzhou 234000， China） Abstract Geo-stress plays an important role in the design and production of deep or soft rock coal mine. Four in-situ tests have been carried out by hollow inclusion strain gauge ， the magnitudes and the directions of geo-stress in the south limb of Zhuxianzhuang coal mine were obtained. Taking them as the constraint conditions，the optimization based on multi-objects used ANSYS to establish the optimized back analysis model， the optimized boundary conditions were obtained through inversion， and the distribution characteristics and the variation of geo-stress have been numerically analyzed. The results show that the geo-stress in Zhuxianzhuang coal mine is dominated by the horizontal tectonic stress， its magnitude ranges from 20 MPa to 25 MPa， and its direction mainly lies in N60E and N75E， while its non-uni coefficient is between 1.1 to 1.8. Key words Zhuxianzhuang coal mine； geo-stress； in-situ test； optimized back analysis. 地应力是地质岩体受工程扰动前存在于地壳 中的初始应力，是引起矿山、水利水电、土木建筑 等各类地下开挖工程变形和破坏的根本作用力［1］。 地下煤岩体的采出必定会导致煤系内原始应力的 重新分布， 引起采场及巷道围岩运动、 变形及破坏。 因此， 地应力的大小和方向对于合理确定煤层开采 顺序、部署巷道、优化井巷断面及其支护参数等都 具有重要意义。浅部煤炭资源开采时，地应力对巷 道围岩变形与支护的影响尚不明显， 可以根据经验 或工程类比法进行相关支护设计。 但随着煤矿开采 以每年 15～25 m 速度加深并逐步进入深部开采后， 巷道及采场原岩应力水平不断升高， 围岩应力分布 及矿压显现异常， 由此引起的诸多巷道围岩失稳问 题便日益突出， 给矿井安全生产带带来了严重的威 ChaoXing 第 4 期 刘钦节等 朱仙庄煤矿南翼地应力原位测试及其最优化反分析 31 胁［2-4］。淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿自从进 入 II 水平以来，巷道变形严重、维修频繁，经常性 改棚、卧底、巷道断面缩小，难以满足安全行车的 需要，风管、水管、电缆等吊挂困难，给“一通三 防”、巷道维修和机电运输管理等造成极大困难， 已成为制约工作面准备及安全生产的主要因素。 因 此， 十分有必要通过深入开展原岩应力测量及预测 分析工作，掌握矿区地应力分布特征及变化规律， 为研究巷道变形和破坏机理及其它工程活动提供 原始资料。本文在大量室内、现场实验测试的基础 上，通过理论推导、计算机数值模拟等技术建立有 限元模型， 借鉴多目标约束的最优化反分析技术对 朱仙庄煤矿南翼进行地应力最优化反分析， 获得了 朱仙庄煤矿主要地应力的分布规律， 为该矿的后续 设计、施工及维护等提供重要参考。 1 朱仙庄煤矿地质概况 朱仙庄煤矿位于安徽省宿州市东南 13 km 淮北 埇平原中部的宿州市桥区朱仙庄镇境内，南北走向 长 9 km，东西倾向宽 1.5 ～5.8 km，面积 21.55 km2， 煤层条件复杂，地应力高［5］。构造上，该矿井位于 宿县矿区宿东向斜北段，地处宿北断裂、光武-固镇 断裂、丰县-涡阳断裂、固镇-长丰断裂围成的断块 内，徐宿弧形构造的前缘，西寺坡逆断层和东三铺 逆断层所夹持的断块之间，矿井东翼受东西向压应 力的影响，局部倒转，矿井西翼平缓，一般倾角为 15～25，具有一级平缓褶曲。区内东西向大断裂和 北东向大断裂纵横交错，形成了许多近网状的断块 构造，以高倾斜度斜切正断层为主，各采区内中小 断层和小褶曲发育（图 1）。 图 1 朱仙庄煤矿地质构造图 Fig.1 Geological structure of Zhuxianzhuang coal mine 2 空心包体法测量地应力技术简介 空心包体应变计法是国际岩石力学学会（SRM）推 荐的地应力测量方法，具有操作简便、精度高且可以 一次测量测点处三维应力大小和方向等优点［6］。本质 上，空心包体法属于应力解除法中的一种，其区别 于普通孔壁应变解除法的最大优点是增大了应变花 与孔壁的接触面积，克服了孔壁存在微小缺陷时应 变花粘贴不牢，测试数据不准的缺点。该方法主要 通过取心钻头将待测岩体附近一段岩柱从周围岩体 施加给它的应力场内隔离开来，使其产生弹性恢复 引起应变响应，同时利用应变传感器将待测岩体应 变的变化过程记录下来，然后利用由均质弹性岩石 力学本构关系建立的力学计算模型［3］，进行计算分 析可得出地应力的六个分量，从而通过坐标变换得 到三个主应力的大小和方向。 本次试验测量过程中采用的空心包体应变计为 中国科学院地质力学研究所研制的 KX-81 型空心包 体三轴地应力计。其主要思路是将普通孔壁应力解 除法中独立的应变花集成并镶嵌到环氧树脂制成的 壁厚为 3 mm 的空心圆筒上，外径为 36 mm，内径 30 mm；在中部直径 35 mm 处沿同一圆周每 120嵌 埋一组电阻应变花， 每组应变花由四支应变片组成， 相互间隔 45，共计有 12 支应变片［7］。同时，为了 有效克服温度变化引起的测量误差，在应变计的中 心部位粘贴了两支温度补偿应变片。 3 朱仙庄煤矿地应力现场实测 3.1 测量方法及试验关键 考虑到国内外原岩应力测试技术进展情况［8-9］ 和矿区构造特征及实际生产条件，选用空心包体应 变计法对朱仙庄煤矿南翼 II、III 水平实施了 4 个测 点的地应力原位测试工作，试验位置及测孔施工技 术参数如表 1 所示。 表 1 地应力测点及钻孔技术参数 Table1 Sites and technical parameters for geo-stress measurement 钻孔 测点号 埋深 /m 位置 孔深/m 方位/（） 倾角/（） 1号 568.5II855岩机巷 12.8 57 3 2号 701.3II 水平底大巷 12.5 58 5 3号 702.6II 水平轨道大巷 11.3 59 5 4号 822.4III 水平副暗斜井 12.6 20 4 ChaoXing 32 煤田地质与勘探 第 44 卷 测试过程中，为了克服深部地质结构复杂、钻 孔成型困难、 应变计难以准确安装到位等技术难题。 首先， 利用 YTJ-20 型岩层探测记录仪对测试孔进行 预先探测，仔细分析测孔内部岩层的产状、裂隙发 育、工程围岩松动变形情况及其影响范围，合理布 置应变计位置。然后，在岩层探测记录仪的帮助下 实现应变计的可视化安装和测试。 3.2 测试数据分析 根据现场测试过程中获得的各组应变计数值， 绘制各测点的应力解除曲线（图 2）。 图 2 1号测孔应力解除曲线 Fig.2 Curves of stress relief in measurement hole No. 1 由图 2 分析得出， 用取心钻头套取岩心实施应力 解除过程大致可以分为三个阶段a. 无扰动影响区 解除开始至解除距离大约 10～15 cm 距离阶段，应变 曲线平缓， 表明钻头尚未推进至应变片的位置； b. 弹 性应变释放区 当套取钻头行进至 15～25 cm 范围时， 各应变片的应变值随解除距离的增加迅速增大；c. 应变稳定区 随着解除距离的继续增大， 应变值又趋 于平缓， 标志着应力解除过程的结束。 通过理论分析 可知， 图 2 所示曲线大致符合应力解除法测试地应力 的一般规律， 表明实验过程控制较好， 测试结果比较 可靠。其余测孔的应力解除曲线也呈现出类似规律， 限于篇幅，此处未给出。 3.3 地应力原位测试结果 在套有空心包体应变计的完整岩心进行均匀围 压测定试验的基础上，综合分析标准试件（由该矿测 点附近四个取心孔中的 77.8 m 岩心加工而成）的岩 石力学参数测试结果，获得了应力计算所需的物理 力学参数。借鉴文献［3］中的理论公式进行计算分 析，可获得朱仙庄煤矿南翼 II、III 水平各测点地应 力的大小、方位及其倾角（表 2）。 表 2 朱仙庄煤矿地应力大小和方位及倾角 Table2 Magnitudes， direction and dips of geo-stress in Zhuxianzhuang coal mine 主应力 测点 埋深 /m 主应力 大小 /MPa 方位角 /（） 倾角 /（） 方位 示意图 1 σ 18.08 70.4 22.6 2 σ14.77 100.9 68.7 1号568.5 3 σ 10.24 157.3 13.4 南 西东 铅 垂 1 σ 2 σ 3 σ 北 1 σ 22.96 68.7 23.0 2 σ15.63 108.6 75.1 2号701.3 3 σ 11.14 176.9 17.1 南 西东 铅 垂 1 σ 2 σ 3 σ 北 1 σ 22.01 60.9 25.4 2 σ16.69 86.5 73.5 3号702.6 3 σ 12.56 145.2 21.1 北 南 西东 铅 垂 1 σ 2 σ 3 σ 1 σ 24.63 67.9 8.5 2 σ19.35 108.5 81.8 4号822.4 3 σ 15.28 169.5 19.3 北 南 西东 铅 垂 1 σ 2 σ 3 σ 4 朱仙庄煤矿南翼地应力优化反分析 煤矿地应力场本身非常复杂，加之各煤系的物 性参数、本构关系、边界条件等都无法准确确定， 目前仅靠理论方法对矿井地应力的状态进行定量计 算和准确分析仍十分困难。因此，数值模拟成为地 应力场研究的必要手段。在有限实测地应力信息的 基础上， 制定一系列符合实际地质情况的演算标准， 参照有限个已知测点的应力实测大小与方向进行多 种方案的计算分析，使地应力场的数值计算结果尽 可能与实测地应力值相接近，即为矿井地应力场最 优化反分析。 以朱仙庄煤矿南翼 II 水平地质构造为研究对 象， 借鉴并完善了文献［10-11］中的理论方法和模型， 利用国际通用有限元分析软件 ANSYS 建立朱仙庄 煤矿南翼地应力最优化反分析模型（图 3）。 模拟过程 中综合考虑了研究矿区在勘探及生产过程中所揭示 的主要断层、褶曲等地质构造，并在实测地应力位 置预设监测点，作为最优化反分析的约束条件。 根据研究区内地应力实测结果、震源机制解释 和断层错动方式等因素综合考虑构造应力来源，将 主动力边界取为荷载边界，被动力边界取为约束边 界（图 3）。通过岩心的实验室测试，获得模型中的岩 石物理力学参数。 断层构造采用断裂带的处理方法， 并根据其规模采用适当降低其力学参数的方式进行 模拟分析， 研究过程中选取的模型参数如表 3 所示。 ChaoXing 第 4 期 刘钦节等 朱仙庄煤矿南翼地应力原位测试及其最优化反分析 33 图 3 数值模型及其加载示意图 Fig.3 Schematic diagram of numerical model and its loading 表 3 数值模型中的岩石力学参数 Table3 Rock mechanics parameters of the numerical model 序号 模型材料 弹性模量 /GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩擦 角/（） 1 底板 11.600.25 6.23 34.0 2 断裂带（落差＜30 m） 9.860.27 5.29 28.9 3 断裂带（落差＜100 m） 8.70 0.30 4.67 25.5 4 断裂带（落差＞100 m） 6.96 0.33 3.74 20.4 根据朱仙庄矿现有实测信息，以该矿井研究对 象的边界荷载（图 3 所示 12 个载荷值）为优化变量， 并选定 4 个实测点处的地应力大小和方位为最优化 状态约束条件，选定下式所示的最优化反分析目标 函数 2 0 3 __ 02 __1_1_ 0 11 _ min（） n jiji jiD iii ij ji fPPDD σσ σ ■■ ■■ - ■■ ■■- ■■ ■■ ■■■■ ■■ ∑ ∑ （1） 式中 n 为实测地应力钻孔数量； _ji P、 _D i P分别为 约束设计变量和状态变量的权重因子； _ji σ、 0 _ji σ分 别为第i个测孔第j个主应力的模拟值和实测值， MPa，其中12 3j ， ，分别对应某个钻孔的最大、中间 和最小主应力； 1_i D、 0 1_i D分别为第i个测孔最大 主应力的方位角，（）。 通过多种方案几十万次的正、反分析，使模 拟结果最大程度地向实测地应力大小和方向逼 近，最终获得了能够最优拟合实测点地应力的边 界荷载（表 4）。在此荷载条件下 4 个测点应力的模 拟值与实测值对比情况如图 4。由图中可以看出， 在现有实测孔附近，最大、最小主应力数值模拟 结果误差皆小于 15％，最大主应力方位角的实测 值与模拟值间的差值小于 7o，能够满足工程实际 需要，可以较好的反映出模型所在区域矿井地应 力场的分布规律。 表 4 研究矿区最优边界荷载 Table4 Optimum boundary loads of study coal mine 荷载/MPa P1 P2 P3 P4 P5 P6 11.0910.26 26.33 22.40 17.18 10.25 荷载/MPa P7 P8 T1 T2 T3 T4 15.7419.88 -0.85 1.48 -0.26 1.45 图 4 各测点处模拟应力值与实测值对比图 Fig.4 Comparison of simulated and measured stress values in the measuring sites 5 朱仙庄煤矿南翼地应力分布规律 将表 4 中的边界荷载施加到有限元数值模型中， 并进行正向计算分析， 即可获得研究矿区的地应力分 布规律。图 5 为该矿区最大主应力值及其方位分布 图， 由图中可以看出， 朱仙庄煤矿南翼最大主应力从 西部、南部向东部、北部逐渐增大，其主要变化范围 为 20～25 MPa， 最大主应力方位则主要分布在 N60E 和 N75E 之间，与矿井附近其他矿区显示的远场地 应力基本一致。 最大主应力的数值与埋深具有一定相 关性但并不成正比例关系。 断层、 褶曲等地质构造对 矿井地应力场的分布具有明显影响。 图 5 最大主应力大小及方位分布图 Fig.5 Distribution of magnitudes and direction of the maximum principal stress ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第 44 卷 为了有效描述朱仙庄煤矿南翼水平方向应力 的各向异性特征，文中定义最大水平主应力与最 小水平主应力之间的比值为水平应力非均匀系 数，并将其绘制成等值线分布图（图 6）。由图中可 以看出，该矿 II、III 水平地应力总体上表现出较 强的各向异性，且非均匀系数为 1.1～1.8，平均 1.45， 其值越大说明井巷工程所处位置的应力各向 异性越明显，在工程实践中往往更容易导致工程 硐室、巷道的大变形及破坏，需要在生产过程中 引起足够重视。 图 6 水平应力非均匀系数等值线分布图 Fig.6 Non-uni coefficient distribution of the horizontal stress 6 结 论 a. 利用空心包体应变计法对朱仙庄煤矿南翼 II、 III 两个水平共 4 个位置进行了地应力原位测试， 获得了朱仙庄煤矿地应力的大小及其方位，即该 矿最大主应力以构造应力为主，而且呈现近水平向 （最大主应力的倾角平均为 19.89）， 且其方位大致介 于 N60.9E 和 N70.4E 之间。 b. 以实测地应力为约束条件，利用多目标约束 的最优化方法反演获得了矿井南翼地应力的最优边 界荷载， 并在此基础上进行矿井地应力场数值分析。 结果表明数值模拟值中的应力大小相对误差皆小 于 15％，最大主应力方位偏差皆小于 7，能够满足 采矿工程生产实践的需求。 c. 朱仙庄煤矿南翼最大主应力主要变化范围 为 20～25 MPa， 方位则主要分布在 N 60E 和 N 75E 之间，且非均匀系数平均为 1.45，表现出明显的方 向性。因此，在矿井回采及其巷道布置时，必须充 分考虑到地应力方向对矿井生产的指导作用。 参考文献 ［1］ 康红普. 煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用 ［M］. 北京科学出版社，201316-33. ［2］ 戴永浩，陈卫忠，刘泉声，等．深部高地应力巷道断面优化 研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2004， 23（增刊 2） 4960-4965. DAI Yonghao， CHEN Weizhong， LIU Quansheng， et al． Optimi- zation study on cross section of deep mine tunnel under high in stu stress［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineer- ing，2004，23（S2）4960-4965. ［3］ GE X R，HOU M X. Principle of in-situ 3D rock stress meas- urement with borehole wall stress relief and its prelimi- nary applications to determination of in-situ rock stress orienta- tion and magnitude in Jinping hydropower station［J］. Science China Technology Science，2012，55939-949. ［4］ 郑书兵. 寺河煤矿三维地应力场分布和巷道布置优化［J］. 煤 炭学报，2010，35（5）717-722. ZHENG Shubing. 3D geostress field distribution and roadway layout optimization in Sihe mine［J］. Journal of China Coal Soci- ety，2010，35（5）717-722. ［5］ 常聚才， 谢广祥， 陈贵. 轻放采场围岩压力分布及矿压显现规 律［J］. 采矿与安全工程学报，2007，24（4）457-460. CHANG Jucai，XIE Guangxiang，CHEN Gui. Distribution of surrounding rock stress and strata behaviors of light-supported fully mechanized top-coal caving face［J］. Journal of Mining Safety Engineering，2007，24（4）457-460. ［6］ 刘少伟， 樊克松， 尚鹏翔. 空心包体应变计温度补偿元件的设 计及应用［J］. 煤田地质与勘探，2014，42（6）105-109. LIU Shaowei，FAN Kesong，SHANG Pengxiang. Design and application of temperature compensating element of hollow in- clusion stress gauge［J］. Coal Geology Exploration，2014， 42（6）105-109. ［7］ 王连国，陆银龙，杨新华，等. 霍州矿区地应力分布规律实测 研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2010， 29（增刊 1） 2768-2774. WANG Lianguo，LU Yinlong，YANG Xinhua，et al. Study of distribution characteristics of in-situ stresses for Huozhou mining area［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2010，29（S1）2768-2774. ［8］ 景锋，盛谦，张勇慧，等. 我国原位地应力测量与地应力场分 析研究进展［J］. 岩土力学，2011，32（增刊 2）51-58. JING Feng， SHENG Qian， ZHANG Yonghui， et al. Study advance on in-site geostress measurement and analysis of initial geostress field in China［J］. Rock and Soil Mechanics，2011，32（S2）51-58. ［9］ CAI Meifeng，PENG Hua. Advance of in-situ stress measure- ment in China［J］. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2011，3 （4）373-384. ［10］ 刘钦节. 低渗油藏储层裂缝的参数反分析优化方法研究［D］. 东营中国石油大学，2009. ［11］ LIU Qinjie，HUA Xinzhu， YANG Ke. Numerical research on coal mine ground stress field based on multi-objective optimiza- tion ［C］//Proceedings of the eighth international confer- ence on bio-inspired computingtheories and applications. Springer-Verlag Berlin，Heidelberg，2013793-800. （责任编辑 范章群） ChaoXing