1、超千米深井不均勻原巖應力場有限元模型研究北京科技大學2015年10月31號匯報人: 周曉敏 教授 國家精品課程網上資源的可用性研究/*匯報提綱匯報提綱12345國家精品課程網上資源的可用性研究/*1 1、引言、引言原巖應力結構載荷公路鐵路采礦自重應力構造應力金尼克公式數值計算地下工程界越來越關注傳統概念只局限于襯砌界面所受到的作用力本文根據磁西礦區地質構造條件，建立超千米深地層原巖應力有限元模型，研究各巖體層厚、力學性質的差異、斷層、傾斜等對原巖應力不均勻性規律的影響，為井筒井壁設計和礦井開采提供參考。件，建立超千米深地層原巖應力有限元模型，研究各巖體層厚國家精品課程網上資源的可用性研究/*2

2、 2、工程背景、工程背景 磁西一號井田位于河北省邯鄲市峰峰礦區東部，行政區劃隸屬磁縣和峰峰礦區管轄，其在構造上處于華北斷塊區，呂梁-太行斷塊的太行山前斷裂帶影響范圍內。井筒附近存在的兩個斷層以NNE、NEE向斷裂為主，均為正斷層，傾角一般60 70，落差70 m80 m。副立井深入二疊系下統山西組。井筒附近的地層產狀為：走向為N3050E，傾向SE，傾角為18.6。 本井田內新生界松散及半固結沉積物全部覆蓋， 依據副立井檢查孔報告，鉆孔揭露地層自下而上為二疊系下統下石盒子組P1x，上統上石盒子組共四段P2S1 P2S4、石千峰組二段P2sh1和P2sh2；三疊系下統劉家溝組T11，和新近系Q+

3、R。國家精品課程網上資源的可用性研究/*2 2、工程背景、工程背景圖1 副立井廣場地層構造剖面圖國家精品課程網上資源的可用性研究/*3 3、有限元模擬與分、有限元模擬與分析析建立與地質柱狀條件和地質構造一致的平面應變力學有限元模型。模型以副立井為中心，兩側各850m，垂深1600m，幾何范圍覆蓋井筒保護煤柱的范圍，-Y為垂深方向，XY平面為地層走向的橫切面。圖2 磁西原始地應力場有限元分析幾何模型傾斜上方傾斜上方傾斜下方傾斜下方國家精品課程網上資源的可用性研究/*3 3、有限元模擬與分、有限元模擬與分析析(1) 以實勘的巖層傾斜、斷層為既成條件，而造成該地區構造的原動力已經得到釋放；(2) 整

4、體豎向加載自重應力場，與自重加速度相比，水平加速度忽略不計；體積力重力場(3)上邊界地表是自由邊界，深部1600 m為固定位移的下邊界，左右兩側均為約束水平位移滾珠邊界，半徑范圍850 m；(4) 將同一年代巖性歸類，巖層傾斜界面和斷層線為內部幾何邊界，但都視為完全彈性接觸，同年代地層的物理力學性質采用統計均值，且不考慮各向異性。 建立磁西礦井筒原巖應力場的有限元數值模型時，邊界條件和假定如下：國家精品課程網上資源的可用性研究/*3、有限元模擬與分析、有限元模擬與分析在副立井位置和距離副立井350m兩個位置設置兩條垂直向下勘探線上，可得到垂直應力和水平應力沿著這兩條勘探線深度的變化，兩個水平應

5、力是不等的，從3-b圖可以看出，在斷層處三向應力也都是不連續的。圖3 不同勘探線隨垂深變化的三向地應力(a) 副立井位置(b) 距副立井350 m(穿越2個斷層)國家精品課程網上資源的可用性研究/*3、有限元模擬與分析、有限元模擬與分析截取井筒垂深950 m深度的水平線上400m范圍內沒有斷層，水平應力分布是連續光滑的，但由于地層傾向和上覆蓋地層密度的變化，導致水平應力和地層的傾斜發生一定關聯關系，即傾斜方向的上游水平應力高于下游水平應力；而巖層傾向橫剖面內的水平應力高于走向的水平應力。圖4 垂深950m水平應力分布圖 同一方向上地層的水平應力的梯度達到了約110-3 MPa/m，兩個方向的水

6、平應力不均勻系數在1.031.04之間。傾斜上方傾斜上方傾斜下方傾斜下方垂直斷層走向：大垂直斷層走向：大平行斷層走向：小平行斷層走向：小國家精品課程網上資源的可用性研究/*3、有限元模擬與分析、有限元模擬與分析 對于垂深1079m和1208m，同一水平若遭遇巖層界面變化或斷層，水平應力在巖層交界面和斷層位置都發生跳躍。與垂深950 m相比，由硬巖進入軟巖硬巖進入軟巖后，兩向應力的大小關系，出現了反轉，說明兩向水平應力的大小之比的變化還是較復雜，它不僅與巖層傾角有關，而且與巖體自上而下的剪切模量變化有關。垂直斷層走向：小垂直斷層走向：小平行斷層走向：大平行斷層走向：大國家精品課程網上資源的可用性

7、研究/*3、有限元模擬與分析、有限元模擬與分析 影響地層原巖應力不均勻性的因素較多，也較復雜，如地層的傾角、巖層力學性質、各層厚比例等等，考慮單斜構造在煤礦地質中的普遍性，以磁西地層條件為基礎，通過數值分析手段，結合正交分析方法，研究一下單斜地層單斜地層的原巖不均勻規律的影響。水平水平傾角傾角厚度之比厚度之比剪切模量剪切模量/Pa1101:43.60E+102202:42.52E+103303:41.44E+10 按照表2改變圖5模型中指標層位的3個因素，研究指標層位巖層水平應力在3個因素影響下變化規律。圖5 單斜構造下地層水平原巖應力分析模型表2 影響因素水平表國家精品課程網上資源的可用性研

8、究/*3、有限元模擬與分析、有限元模擬與分析不均勻應力系數的影響因素次序模型模型編號編號水平應力梯度水平應力梯度水平應力均值水平應力均值比值比值Sx方向Sz方向Sx方向Sz方向Sx/Sy(-MPa/m)(-MPa/m)(-MPa)(-MPa)模型模型16.67E-042.92E-044.8684.8470.996模型模型26.76E-043.54E-045.7775.8991.021模型模型37.01E-044.91E-046.887.0791.029模型模型41.81E-037.14E-045.3225.7331.077模型模型51.93E-031.02E-035.9566.7371.131

9、模型模型61.16E-034.87E-045.2765.250.995模型模型71.61E-031.03E-035.57 5.78 1.052模型模型81.39E-034.46E-045.5965.3180.95模型模型92.36E-031.05E-035.4416.1071.122表3 正交分析統計結果表傾角傾角厚度厚度之比之比剪切剪切模量模量三項和三項和K1j3.0463.362.941三項和三項和K2j3.2033.1023.22三項和三項和K3j3.3593.1463.447極差極差Rj0.1040.0860.169表4 水平原巖應力影響因素分析表影響因素次序123兩向兩向不均勻應力系

10、數是指兩垂直方向應力不均勻應力系數是指兩垂直方向應力Sx和和Sy之比之比：國家精品課程網上資源的可用性研究/*3、有限元模擬與分析、有限元模擬與分析1）與地層剪切模量的關系32EEE=-0.058-0.03-0.012+1.21=0.932+0.0522水平應力梯度變化規律水平應力梯度變化規律水平應力梯度是指在同一地層，同一標高的原巖水平地應力的大小變化率，表現出與地層傾斜的線性相關性，第一影響因素為巖層傾角，第二影響因素為剪切模量，最后是巖層厚度之比；應力梯度范圍一般在10-310-4MPa/m的變化數量級，對一般的設計影響不大。巖體不均勻應力系數與彈性模量之比 成反比關系E地層不均勻應力系

11、數與地層傾角成正比關系回歸公式2）與地層地層傾角的關系回歸公式國家精品課程網上資源的可用性研究/*垂深位置m井壁結構厚度mm混凝土等級鋼筋備注內層外層內層外層-7-140雙層+塑夾層600500C50內外緣 環22250縱22250內壁徑筋6.5500-140-240雙層+塑夾層600500C55內外緣 環22200縱22250內緣環22200內壁徑筋6.5500-240-250單層+網噴600+700C55內、中：環22200縱22250外緣 環22200縱22200全厚徑筋6.5500-250-255單層600C55內外環筋22200縱22150全厚徑筋6.5500-255-610單層60

12、0C40無素混凝土-610-700單層700C45無素混凝土-700-1100單層700C45內環22200縱22250-1100-1200單層800C60內外環向筋環22200縱22250全厚徑向筋6.5500-1200-1311單層900C60內外環22200縱22250全厚徑向箍筋6.5500表5 磁西井壁結構設計概況項目概況項目概況國家精品課程網上資源的可用性研究/*3、磁西副井監測方案與實施、磁西副井監測方案與實施1 1、監測井壁、監測井壁外緣外緣混凝土環向、縱向及徑向應變變化；混凝土環向、縱向及徑向應變變化；2 2、監測井壁、監測井壁內緣內緣100mm100mm處混凝土環向和縱向應

13、變變化；處混凝土環向和縱向應變變化；3 3、監測井壁、監測井壁內緣內緣環向和縱向鋼筋受力變化；環向和縱向鋼筋受力變化；4 4、監測井壁外緣總壓力；、監測井壁外緣總壓力；5 5、監測井壁外側水壓、監測井壁外側水壓監測內容監測內容監測位置監測位置國家精品課程網上資源的可用性研究/*磁西副井監測方案與實施磁西副井監測方案與實施儀器準備和安裝傳感器準備傳感器準備采集儀防水處理采集儀防水處理壓力盒的安裝壓力盒的安裝傳感器線路鋪設傳感器線路鋪設基站安裝基站安裝數據采集數據采集 第一水平在第一水平在20132013年年1 1月月2424日埋設日埋設，2 2月月2424日進行了初測，在日進行了初測，在6 6月

14、月2727日，在井筒施工返回到馬頭門時日，在井筒施工返回到馬頭門時，進行第三次數據檢測，在，進行第三次數據檢測，在7 7月月1212日實現了自動采集功能，至日實現了自動采集功能，至1111月月7 7日之間進行了日之間進行了3 3次集中數據收集。次集中數據收集。第一水平共埋設第一水平共埋設2727個傳感器個傳感器，正，正常工作的常工作的2626個，有效果的有個，有效果的有2121個個傳感器傳感器，反應了歷時，反應了歷時288288天的井筒天的井筒井壁的力學反應特征。井壁的力學反應特征。 第二水平埋設時間是第二水平埋設時間是20132013年年4 4月月1616日日，埋設位置方位和第一水，埋設位置

15、方位和第一水平相同。第二水平埋設了井壁外平相同。第二水平埋設了井壁外緣三向共緣三向共9 9個應變計，內緣的兩向個應變計，內緣的兩向共共6 6應變計，應變計，2 2向共向共6 6個鋼筋計，個鋼筋計，3 3個壓力盒，東北方向一處井壁內個壓力盒，東北方向一處井壁內2 2個溫度計，共個溫度計，共2626個傳感器，正常個傳感器，正常工作的工作的2222個，有效果的有個，有效果的有2020個傳個傳感器數據。感器數據。國家精品課程網上資源的可用性研究/*4 4、實測對比分析、實測對比分析1 1、第一主應變是環向壓應變、第一主應變是環向壓應變 第二是豎向壓應變，第三是徑向壓應變第二是豎向壓應變，第三是徑向壓應

16、變2 2、三個測點結果表明其井壁外緣受力不均勻性、三個測點結果表明其井壁外緣受力不均勻性3 3、三個測點的監測結果發展變化呈現相似性、三個測點的監測結果發展變化呈現相似性4 4、最大混凝土應變出現在東北方位的環向應變為、最大混凝土應變出現在東北方位的環向應變為1093.31093.3環向應變發展曲線環向應變發展曲線豎向應變發展曲線豎向應變發展曲線徑向應變發展曲線徑向應變發展曲線環向應變最大為環向應變最大為1093.3豎向豎向 應變最大為應變最大為699.025徑向應變最大為徑向應變最大為437.96第一水平井壁外緣應變第一水平井壁外緣應變國家精品課程網上資源的可用性研究/*4 4、實測對比分析

17、、實測對比分析1 1、內緣井壁應變來看，雖然最大應變出現在豎向，但整體上環向應變仍、內緣井壁應變來看，雖然最大應變出現在豎向，但整體上環向應變仍然是最大應變，平均值為然是最大應變，平均值為568 u，豎向壓應變平均值為，豎向壓應變平均值為435 u2 2、內緣井壁同樣呈現受力的不均勻性、內緣井壁同樣呈現受力的不均勻性3 3、井壁內緣應變的發展規律大致和外緣應變的發展規律相同、井壁內緣應變的發展規律大致和外緣應變的發展規律相同環向應變發展曲線環向應變發展曲線豎向應變發展曲線豎向應變發展曲線環向應變最大為環向應變最大為771.77豎向應變最大為豎向應變最大為910.167第一水平井壁內緣應變第一水

18、平井壁內緣應變國家精品課程網上資源的可用性研究/*4 4、實測對比分析、實測對比分析1 1、鋼筋受力發展曲線與內緣混凝土應變發展曲線呈現相似性。、鋼筋受力發展曲線與內緣混凝土應變發展曲線呈現相似性。2 2、環向鋼筋受壓力大于豎向鋼筋受的壓力，環向鋼筋平均受到、環向鋼筋受壓力大于豎向鋼筋受的壓力，環向鋼筋平均受到41.2KN41.2KN作用力，按作用力，按22mm22mm鋼筋的面積分鋼筋的面積分攤，壓應力為攤，壓應力為108.4MPa108.4MPa，而豎向鋼筋受到作用力為，而豎向鋼筋受到作用力為21.KN21.KN，按，按22mm22mm鋼筋的面積分攤得到壓應力鋼筋的面積分攤得到壓應力55.4

19、MPa55.4MPa，前者是后者的，前者是后者的1.961.96倍。比內緣應變環豎之比倍。比內緣應變環豎之比1.571.57略高。略高。環向受力發展曲線環向受力發展曲線豎向受力發展曲線豎向受力發展曲線環向受力最大為環向受力最大為50.83KN豎向受力最大為豎向受力最大為27.32KN第一水平井壁內緣鋼筋受力第一水平井壁內緣鋼筋受力國家精品課程網上資源的可用性研究/*4 4、實測對比分析、實測對比分析 觀測點 項目觀測值大小的比例最大值總平均取兩近者平均北偏西58東北45東偏南75砼環向微應變1.8812.15-771-568-682鋼筋受力kN1.1311.36-51-41-44換算應力/MP

20、a按直徑22mm鋼筋計算-134-108-116折算 應變-671-540-579表4 井筒垂深1208m井壁實測結果按照混凝土和鋼筋變形的協調一致性規律，可將實測鋼筋的受力換算成應變，和井壁混凝土應變實測結果相比 ，二者無論數值還是大小分布的方位都一致，應變數 值 誤 差 在5%16%之間。最小最大大致表現出原巖應力在傾斜上位（以井筒中心的西北方向）和斷層走向（東北）方向偏高現象， 二者總體一致。國家精品課程網上資源的可用性研究/*4 4、實測對比分析、實測對比分析 1)(2PPrthows包神井壁計算公式crccrGG2-11,GG-1）（式中：式中： 為為井筒井筒凈凈半半徑徑； 為為混凝

21、土材料強度混凝土材料強度標標準準值值， 與與混凝土混凝土圍圍巖材料相巖材料相關關的材料系的材料系數數sr 、crcrccrGGGG2-11GG-1、，）（、分分別別為為圍圍巖巖與襯與襯砌材料的剪切模量，砌材料的剪切模量， 為為井壁井壁襯襯砌的柏松比砌的柏松比。c國家精品課程網上資源的可用性研究/*4 4、實測對比分析、實測對比分析從磁西副立井垂深1208 m的水平應力有限元數值分析來看，井筒附近的水平原巖應力大約在8.378.45 MPa之間。計算結果偏小的原因是井壁是短段掘進后砌上去的，有一定的應力釋放。總體數據范圍是合理一致的。22c ocoici2oc(2 )12( )1217.889 MPaK rGrrPrr 將副井120