我國煤礦井下地應力參數數據庫的開發和研究

伊丙鼎

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013）

煤礦井下地應力參數數據庫便是“大數據”時代的產物之一。地應力主要由重力作用和構造運動引起，構造應力場在空間的分布極不均勻，很難用函數形式或者力學公式來表達構造應力場。目前，只能通過實測得到比較準確的地應力值，基于實測數據分析地應力分布規律[1-3]。國外學者最先建立地殼應力數據庫，加拿大學者Arjing和Herget[4]等從1973年開始在CANMET采礦實驗室建立了地應力數據庫，并對數據庫進行隨時更新和補充。美國科學院院士Mary Lou Zoback[5]領銜19個國家科學家，收集了全球范圍內構造應力的測量和研究成果，建立了全球應力數據庫，該數據庫一直在維護和擴展；2008年發布的“世界應力地圖數據庫”（The World Stress Map Database）及基于該數據庫的“世界應力地圖”包含了21 750個數據，近17 000具有高質量。中國地震局搜集了中國大陸及鄰區6類主要地殼應力數據，編制了“中國大陸地殼應力環境基礎數據庫”，該數據庫可隨時補充和更新，地殼應力數據全社會共享[6]。以上學者和團隊均是針對地殼應力建立的數據庫，很少有專門的針對煤礦井下適用的地應力參數數據庫，我國煤礦井下的地應力數據大都分散零星，沒有進行過系統的整理與總結。為此，搜集了我國煤礦井下1 357條地應力資料，參照相應的通用標準格式建立了首套我國煤礦井下地應力參數數據庫[7-11]，以期讓這些寶貴的地應力數據為采礦工程領域的工程實踐、實驗室試驗和計算機數值模擬技術提供基礎參數。

1 數據庫基礎資料來源

目前，國內外現有的地應力測量方法有多種，包括力學方法、地球物理方法及地質方法。但是，應用比較廣泛的現場地應力測量方法是應力解除法與水壓致裂法，尤其在煤礦井下應用。考慮到煤礦井下環境潮濕陰暗，作業空間狹窄，巷道和采場工作面所需測點多而分散，同時井下的條件對測量設備的性能及可靠性提出很高要求，1999年煤炭科學研究總院開采設計研究分院開發與研制出我國煤礦井下第一套小孔徑水壓致裂地應力測量裝置，測試儀器簡單輕便，作業范圍廣，在井下實現了快速、大面積地應力參數測量。目前，煤炭科學研究總院利用該裝置已在全國煤礦井下進行了736余點的地應力測量，測量范圍之廣、數量量之大為全國首創。本文所建立的地應力參數數據庫以煤炭科學研究總院測量得到的地應力數據為基礎，同時還收錄了來源于高校以及科研院所的碩士博士論文和地質力學測試報告、EI文摘收錄的核心期刊，如《地球物理學報》、《巖石力學與工程學報》、《煤炭學報》等重要期刊。收錄的數據既要保證其準確性，又要符合實際工程需要。

數據庫中各類數據所占比例示意圖如圖1。其中，通過應力解除法得到的數據占30%，通過小孔徑水壓致裂法測得的地應力數據占58%，通過地面鉆孔水壓致裂法測得的地應力數據占12%。

圖1 數據庫中各類數據所占比例示意圖Fig.1 Schematic diagram of the proportion of various types of data in the database

1.1 水壓致裂資料

水壓致裂數據以煤炭科學研究總院在全國煤礦井下測得的736條數據為基礎，其中有22個鉆孔進行了分段測試，得到了70條分段測試資料。這些數據均是基于傳統水壓致裂方法的常規平面應力測量，在晉城礦區寺河煤礦進行了2個點的多個交匯鉆孔三維地應力測量。數據庫中收錄的其他研究單位在煤礦中進行的水壓致裂地應力測量數據總共有192條，數據來源包括中國地質科學院、中國礦業大學、北京科技大學、中國科學院等科研院校的測試報告和公開發表的刊物。

1.2 應力解除資料

應力解除資料總共錄入406條數據。其中，所錄入資料的302條數據來源于文獻期刊，包括中國礦業大學、山東科技大學、遼寧工程技術大學、中國科學院、中國地質科學院和北京科技大學等科研機構地質力學研究報告和發表的刊物；其余的104條數據來源于中國知網收錄的碩士和博士論文。數據庫系統所錄入的數據按照測量技術分類，可分為空心包體法、孔壁孔底應變計法；按測量方法也可分為三維應力測量和平面應力測量，其中三維應力測量絕大多數是單個鉆孔的全應力測量。

煤礦井下的地應力受到若干因素的影響，主要包括測點埋深、地質構造、煤巖體強度和剛度、測點巖性等。為了能夠真實的反映實際情況，數據庫以測點埋深、測點的空間位置、測點巖性、鉆孔的幾何參數以及煤巖體的彈性模量和泊松比等為依據，收錄和存儲地應力測量參數。本系統以關系型數據庫Microsoft Access為載體，存儲所收集的數據，其數據庫主要字段見表1。

表1 煤礦井下地應力參數數據庫主要字段Table 1 Main fields of in-situ stress parameter database in coal mine

2 數據庫基礎資料分布統計

2.1埋深

所搜集的煤礦地應力參數埋深分布比較廣，基本覆蓋目前煤礦開采的所有深度，數據庫收錄數據的最小埋深為38.8 m，最大埋深為1 283 m；數據庫中收錄的地應力測點頻數隨埋深統計分布圖如圖2。其中，埋深在200～400 m的地應力參數最多，占數據庫中所有數據的36%；埋深在400～600 m的地應力參數緊隨其后，占數據庫中所有數據的27%；埋深超過1 000 m的地應力參數比較少，總計57個測點，占數據庫中所有數據的4.78%，深部數據主要集中在新汶礦區、兩淮礦區、大屯礦區以及平頂山礦區等；埋深在200 m以內的數據也比較少，只有87個測點，占數據庫中所有數據的6.71%，測點主要集中在蒙陜等淺埋深礦區，這其中包括14個埋深在100 m之內的地應力測點。

圖2 地應力測點頻數隨埋深統計分布圖Fig.2 Statistical distribution of frequency of in-situ stress measuring points with burial depth

2.2 地理區域

數據庫中所收錄的煤礦地應力參數分布范圍廣泛，基本覆蓋了全國范圍內大部分礦區，礦區地理緯度范圍為26.551 201°N～49.245 8°N，地理經度范圍為84.237 378°E～131.344°E，數據庫總共涵蓋了60余個礦區，260余個煤礦。測點超過50個以上的礦區包括潞安礦區、晉城礦區、鄂爾多斯礦區、平頂山礦區、兩淮礦區、汾西礦區、西山礦區、霍州礦區、巨野煤田等，數據庫主要礦區組成結構如圖3。

3 地應力參數數據庫系統的框架和特點

3.1 數據庫系統的設計思想

1）數據庫利用Windows作為開發平臺，以關系型數據庫Microsoft Access為載體存儲所搜集的數據，具有界面友好，操作簡單，查詢快速方便的特點。

2）數據庫系統在提供完備的數據管理的基礎上，能夠根據煤礦井下地應力數據的特點，實現多種條件、不同方式的查詢功能，并且能夠實現簡單有效的地應力數據分析功能。

圖3 數據庫主要礦區組成結構圖Fig.3 Structure chart of main mining areas in database

3）數據庫以實現社會資源共享為基本原則，系統軟件界面友好，操作簡單，既適合于采礦工程相關專業的技術人員，又適用于其他領域的研究人員。

3.2 數據庫系統的框架

為便于對數據庫系統的使用和維護，系統采用模塊化程序設計方法，數據庫系統的框架及功能模塊如圖4，主要包括安全管理、數據檢索查詢、數據輸出、分區地應力分布圖和輔助模塊5大模塊，每個功能模塊內又分立若干個小模塊。

圖4 數據庫系統的框架及功能模塊Fig.4 Framework and function module of database system for in-situ stresses in underground coal mines

各功能模塊的具體功能如下：

1）系統安全管理模塊。該模塊主要提供用戶登錄界面，實現科研人員瀏覽、查詢以及查看數據分析的功能。同時，管理員可以對數據庫中的地應力參數進行管理，主要包括錄入、刪除和更新數據庫中的數據。

2）數據檢索查詢模塊。由于煤礦井下的地應力受到若干因素的影響，包括測點埋深、地質構造、煤巖體強度和剛度、測點巖性等。該模塊主要針對不同用戶的需要，提供了多種條件、不同方式的查詢檢索功能，如根據測量方法、埋深、測點位置、測點巖性等條件進行查詢。

3）輸出模塊。該模塊主要不僅實現所查詢的數據導出成為Excel表格功能，方便科研人員的應用；同時對于查詢的區域直接形成地應力分布圖，并且進行輸出和打印。

4）分區地圖模塊。該模塊存儲了中國大陸和典型礦區的地應力分布圖，能夠方便科研人員針對不同地域和礦區更加直觀的進行了解和分析。

5）輔助模塊。該模塊主要包括地應力數據庫的簡要介紹和使用方法的說明，有利于用戶更加快速的了解數據庫系統的使用流程。

后期考慮增加數據智能分析處理模塊，該模塊主要是對于地應力原始數據的預處理，以及不同參數的統計和分析（主應力比值、平均應力側壓比、最大剪應力等幾組重要的地應力特征參數）、數據的線性-非線性擬合等。

4 地應力數據庫的展示

1）“中國煤礦應力環境數據庫”主界面?！爸袊旱V應力環境數據庫”界面首頁如圖5。界面首頁包括地應力分布圖、地應力簡介以及“中國大陸地殼應力環境基礎數據庫”和“World Stress Map”網站的相關鏈接；在橫欄可以對地應力查詢和分區地圖以及“中國煤礦應力環境數據庫”研發單位介紹等幾個功能界面進行切換。

圖5“中國煤礦應力環境數據庫”的界面Fig.5 Interface of“China Coal Mine Stress Environment Database”

2）“中國煤礦應力環境數據庫”查詢界面?！爸袊旱V應力環境數據庫”查詢界面如圖6。界面主要包括礦區、礦名、測量方法和埋深范圍等幾個條件查詢方式，在礦區下拉框中含有60余個礦區，在礦名下拉框中含有260余個煤礦，埋深范圍可以實現任意埋深區間內地應力數據的查詢；查詢界面中還包含了地圖和數據輸出模塊，可以將查詢定位范圍內的地應力分布圖和該區域內的地應力數據資料進行下載和保存，方便對于地應力場分布的規律分析。

圖6“中國煤礦應力環境數據庫”查詢界面Fig.6 Query interface of“China Coal Mine Stress Environment Database”

3）典型礦區地應力分布圖。中國煤礦礦區地應力分布圖如圖7，典型礦區地應力分布圖如圖8。地圖顯示測點主要集中在山西、陜西、河南、山東、內蒙、安徽和河北等幾個省份，該地區內集中了數據庫中90%的數據。同時，在新疆地區大部分煤礦和遼寧、吉林和黑龍江東北地區部分煤礦以及四川、貴州和重慶等西南地區部分煤礦中也有一些地應力測點分布。

圖7 中國煤礦礦區地應力分布圖Fig.7 In-situ stress distribution map of coal mining areas in China

5結語

圖8 典型礦區地應力分布圖Fig.8 In-situ stress distribution map of typical mining area

煤礦井下地應力參數是礦井開拓設計和開采設計的重要依據和基礎資料。所建立的煤礦井下地應力參數數據庫總共錄入1 357條資料，數據資料覆蓋全國各地煤礦，其中水壓致裂地應力測量資料總共錄入951條，應力解除地應力測量資料總共錄入406條?；诖?，建立了我國煤礦井下第一套地應力數據庫系統，即“中國應力環境數據庫”。系統中的地應力參數可以為地下工程方面的實驗室試驗、數值模擬以及現場實踐提供基礎參數；該系統的建立也將極大的推動采礦工程數字化的進程，讓以前工程實踐所積累的寶貴基礎參數重新煥發活力。

“中國應力環境數據庫”實現了多種方式的地應力數據查詢以及不同方式的地應力數據輸出，極大地方便了煤礦工作者對于地應力數據的應用。

備注：本文所寫的“中國煤礦”所在地理區域是指中國大陸地區，不含中國臺灣地區。