新立煤礦地應力分布規律分析

【摘?要】煤礦井下地質條件復雜多變，實地測量只能獲得局部地應力情況，有限的測量數據無法準確反映大范圍井田應力場情況，難以滿足礦井工程設計和施工的需要。鑒于此，在充分考慮現場工程地質條件的基礎上，利用有限的地應力測量成果，采用科學的反演方法得到較為準確的井田地應力場具有重要的理論價值及工程實踐意義。地應力場反演方法眾多，其中多元線性回歸分析方法，能夠反映地形地質條件和巖體的結構形態，是目前工程中比較成熟且精確的地應力反演方法。目前，七臺河礦區進行了地應力測試，對七臺河礦區進行地應力反演，確定各個煤礦及煤層的地應力場。

【關鍵詞】地應力場;flac3D數值模擬

三維地應力場反演數值模型范圍的選取，需要考慮實測點位置、模擬精度、地質資料是否齊全等多方面因素。一般來說，選取范圍在保證實測點在內的前提下應盡量縮小，這樣將會提高模擬結果的準確性，但過小的范圍無法滿足指導現場工程的要求，實際意義不大。因此，模型選取范圍要大小適宜，既能充分保證地應力場模擬結果的準確性，又能對現場工程實踐具有很好的指導意義。計算域的確定應遵循以下2個原則：（1）幾何范圍應包括工程需要的區域，且易適當增大，減少計算域邊界條件對所求區域的影響;（2）邊界處幾何約束條件須易于確定。根據煤層及巷道的布置及初始地應力測點的位置，本次模擬選取包含了大部分巷道及采區的區域。

1地應力分量的轉換

由于各測點在大地坐標系中坐標數值較大，不利于建立模型和計算，因此采用笛卡爾相對坐標系，因為本次反演需每個測點的6個應力分量，而工程地質資料，只給了三個主應力、在水平面投影與正北向的夾角α和主應力的仰角β，故還需轉換。

在地應力場回歸分析中，以計算坐標系xyz中坐標應力分量為基本對象，而地應力實測值是按主應力平面方位和傾角給出的，首先計算實測主應力與坐標軸之間的方向余弦：

式中：Li、Mi、Ni分別為σi對x、y、z軸的方向余弦，βi為σi與水平面之間的夾角，αix為σi與x軸正向x之間的夾角。

根據每組實測主應力量值及方向余弦，由下式將主應力轉換成計算坐標應力：

將表1-1中各測點的地應力轉化為本次有限元計算坐標系下的應力分量，轉換結果如圖1-2所示。

2多元回歸方法

多元回歸方法是建立在彈性力學疊加原理基礎上，由于天然應力狀態下，可假設巖體處于平衡狀態且無持續的塑性變形增加，將地質體所受的復雜地應力分解為幾種簡單的邊界應力形式，通過在邊界施加單位荷載獲得內部單元的基本初始應力，然后將基本初始應力當做自變量，實測地應力當做因變量進行逐步回歸分析求解回歸系數。

影響初始地應力場的因素很復雜，其中涉及地形、巖性、地質、地溫及地下水等。以往大量研究表明，自重與地質構造作用是主要因素，其他因素可忽略不計。將巖體自重與地質構造運動作為待回歸的基本影響因素。本文確定6種因素作為回歸巖體初始地應力場的基本影響因素：

（1）自重應力狀態;

（2）平行y軸水平擠壓構造應力;

（3）垂直y軸線水平擠壓構造應力;

（4）水平面內的均勻剪切變形構造運動（本文計算坐標系的xy平面）;

（5）xz平面內的豎向均勻剪切變形構造運動（計算坐標系內）;

（6）yz平面內的豎向均勻剪切變形構造運動（計算坐標系內）。

3模型的建立

由于本次模擬分析范圍較大，包含七臺河礦區，如果網格劃分不合理則給后期計算帶來困難，甚至不能進行計算。為了在保證計算精度的同時降低計算量，采用漸變網格的方式劃分，在地應力實測點部化先建立硬點，然后在此基礎上建立面與體，而后進行劃分。劃分完成后共生成節點739626個，劃分單元數為715000個。

4巖體本構模型

為滿足多元線性回歸的線性可疊加原理及客觀實際，故反演計算過程中采用了摩爾庫倫模型，用于模擬構造各種荷載對區域地應力的共同作用。

5數值計算及結果

根據反演思想及步驟，編寫子應力場計算文件，將模型文件和計算文件導入FLAC3D軟件進行計算，如用第一個子應力場導入

FLAC3D生成始應為場，提取測點單元6個應力分量，按相同程序將6個子應力場分別導入后，提取各測點6個應力分量，并進行線性疊加，與實測值組成回歸方程，應用SPSS軟件求解回歸系數，得出均質各向同性條件下對應的地應為回歸方程。將最終得到的回歸方程寫入嵌入FLAC3D計算程序，實現單元應力的計算。

6地應力反演效果評價

測點實測地應力與回歸應力

方程得出的計算應力的對比關系數據。無論是應力值還是應力方向上，計算值與實際值的相對誤差基本保持在10%以內。可見計算結果與實際結果有較高的擬合度，整體看反演結果比較理想。

由以上獲得的自重應力和構造應力作用下的應力場和回歸系數，按照公式計算整個計算區域內各點的回歸應力值，形成反演應力場。

7結論

（1）采用有限差分數值分析方法，對新立煤礦進行了三維地應力場反演，得到了該區域的初始地應力場及應力分布特征，開采區域內構造引起的應力集中程度為4.5%。

（2）根據綜合指數法評價結果，三水平91#煤層綜合指數法計算結果為Wt=0.43，沖擊危險等級為弱沖擊危險。

由于地質、開采因素等指數均基于礦方提供的資料，并根據已生產區域的實際情況取值，其取值會隨著開采過程動態變化，所以在后期開采過程中需進一步優化各地質、開采因素取值，進行動態評價。

作者簡介：

金慶才，男，1971年12月出生，1994年7日畢業于黑龍江礦業學院采礦工程專業，現任黑龍江龍煤七臺河礦業有限責任公司新立煤礦總工程師。

（作者單位：黑龍江龍煤七臺河礦業有限責任公司新立煤礦）