新立煤矿地应力分布规律分析

【摘 要】煤矿井下地质条件复杂多变，实地测量只能获得局部地应力情况，有限的测量数据无法准确反映大范围井田应力场情况，难以满足矿井工程设计和施工的需要。鉴于此，在充分考虑现场工程地质条件的基础上，利用有限的地应力测量成果，采用科学的反演方法得到较为准确的井田地应力场具有重要的理论价值及工程实践意义。地应力场反演方法众多，其中多元线性回归分析方法，能够反映地形地质条件和岩体的结构形态，是目前工程中比较成熟且精确的地应力反演方法。目前，七台河矿区进行了地应力测试，对七台河矿区进行地应力反演，确定各个煤矿及煤层的地应力场。

【关键词】地应力场;flac3D数值模拟

三维地应力场反演数值模型范围的选取，需要考虑实测点位置、模拟精度、地质资料是否齐全等多方面因素。一般来说，选取范围在保证实测点在内的前提下应尽量缩小，这样将会提高模拟结果的准确性，但过小的范围无法满足指导现场工程的要求，实际意义不大。因此，模型选取范围要大小适宜，既能充分保证地应力场模拟结果的准确性，又能对现场工程实践具有很好的指导意义。计算域的确定应遵循以下2个原则：（1）几何范围应包括工程需要的区域，且易适当增大，减少计算域边界条件对所求区域的影响;（2）边界处几何约束条件须易于确定。根据煤层及巷道的布置及初始地应力测点的位置，本次模拟选取包含了大部分巷道及采区的区域。

1地应力分量的转换

由于各测点在大地坐标系中坐标数值较大，不利于建立模型和计算，因此采用笛卡尔相对坐标系，因为本次反演需每个测点的6个应力分量，而工程地质资料，只给了三个主应力、在水平面投影与正北向的夹角α和主应力的仰角β，故还需转换。

在地应力场回归分析中，以计算坐标系xyz中坐标应力分量为基本对象，而地应力实测值是按主应力平面方位和倾角给出的，首先计算实测主应力与坐标轴之间的方向余弦：

式中：Li、Mi、Ni分别为σi对x、y、z轴的方向余弦，βi为σi与水平面之间的夹角，αix为σi与x轴正向x之间的夹角。

根据每组实测主应力量值及方向余弦，由下式将主应力转换成计算坐标应力：

将表1-1中各测点的地应力转化为本次有限元计算坐标系下的应力分量，转换结果如图1-2所示。

2多元回归方法

多元回归方法是建立在弹性力学叠加原理基础上，由于天然应力状态下，可假设岩体处于平衡状态且无持续的塑性变形增加，将地质体所受的复杂地应力分解为几种简单的边界应力形式，通过在边界施加单位荷载获得内部单元的基本初始应力，然后将基本初始应力当做自变量，实测地应力当做因变量进行逐步回归分析求解回归系数。

影响初始地应力场的因素很复杂，其中涉及地形、岩性、地质、地温及地下水等。以往大量研究表明，自重与地质构造作用是主要因素，其他因素可忽略不计。将岩体自重与地质构造运动作为待回归的基本影响因素。本文确定6种因素作为回归岩体初始地应力场的基本影响因素：

（1）自重应力状态;

（2）平行y轴水平挤压构造应力;

（3）垂直y轴线水平挤压构造应力;

（4）水平面内的均匀剪切变形构造运动（本文计算坐标系的xy平面）;

（5）xz平面内的竖向均匀剪切变形构造运动（计算坐标系内）;

（6）yz平面内的竖向均匀剪切变形构造运动（计算坐标系内）。

3模型的建立

由于本次模拟分析范围较大，包含七台河矿区，如果网格划分不合理则给后期计算带来困难，甚至不能进行计算。为了在保证计算精度的同时降低计算量，采用渐变网格的方式划分，在地应力实测点部化先建立硬点，然后在此基础上建立面与体，而后进行划分。划分完成后共生成节点739626个，划分单元数为715000个。

4岩体本构模型

为满足多元线性回归的线性可叠加原理及客观实际，故反演计算过程中采用了摩尔库伦模型，用于模拟构造各种荷载对区域地应力的共同作用。

5数值计算及结果

根据反演思想及步骤，编写子应力场计算文件，将模型文件和计算文件导入FLAC3D软件进行计算，如用第一个子应力场导入

FLAC3D生成始应为场，提取测点单元6个应力分量，按相同程序将6个子应力场分别导入后，提取各测点6个应力分量，并进行线性叠加，与实测值组成回归方程，应用SPSS软件求解回归系数，得出均质各向同性条件下对应的地应为回归方程。将最终得到的回归方程写入嵌入FLAC3D计算程序，实现单元应力的计算。

6地应力反演效果评价

测点实测地应力与回归应力

方程得出的计算应力的对比关系数据。无论是应力值还是应力方向上，计算值与实际值的相对误差基本保持在10%以内。可见计算结果与实际结果有较高的拟合度，整体看反演结果比较理想。

由以上获得的自重应力和构造应力作用下的应力场和回归系数，按照公式计算整个计算区域内各点的回归应力值，形成反演应力场。

7结论

（1）采用有限差分数值分析方法，对新立煤矿进行了三维地应力场反演，得到了该区域的初始地应力场及应力分布特征，开采区域内构造引起的应力集中程度为4.5%。

（2）根据综合指数法评价结果，三水平91#煤层综合指数法计算结果为Wt=0.43，冲击危险等级为弱冲击危险。

由于地质、开采因素等指數均基于矿方提供的资料，并根据已生产区域的实际情况取值，其取值会随着开采过程动态变化，所以在后期开采过程中需进一步优化各地质、开采因素取值，进行动态评价。

作者简介：

金庆才，男，1971年12月出生，1994年7日毕业于黑龙江矿业学院采矿工程专业，现任黑龙江龙煤七台河矿业有限责任公司新立煤矿总工程师。

（作者单位：黑龙江龙煤七台河矿业有限责任公司新立煤矿）