超千米井筒原岩应力的数值分析

1、超千米深井不均匀原岩应力场有限元模型研究北京科技大学2015年10月31号汇报人: 周晓敏 教授 国家精品课程网上资源的可用性研究/*汇报提纲汇报提纲12345国家精品课程网上资源的可用性研究/*1 1、引言、引言原岩应力结构载荷公路铁路采矿自重应力构造应力金尼克公式数值计算地下工程界越来越关注传统概念只局限于衬砌界面所受到的作用力本文根据磁西矿区地质构造条件，建立超千米深地层原岩应力有限元模型，研究各岩体层厚、力学性质的差异、断层、倾斜等对原岩应力不均匀性规律的影响，为井筒井壁设计和矿井开采提供参考。件，建立超千米深地层原岩应力有限元模型，研究各岩体层厚国家精品课程网上资源的可用性研究/*2

2、 2、工程背景、工程背景 磁西一号井田位于河北省邯郸市峰峰矿区东部，行政区划隶属磁县和峰峰矿区管辖，其在构造上处于华北断块区，吕梁-太行断块的太行山前断裂带影响范围内。井筒附近存在的两个断层以NNE、NEE向断裂为主，均为正断层，倾角一般60 70，落差70 m80 m。副立井深入二叠系下统山西组。井筒附近的地层产状为：走向为N3050E，倾向SE，倾角为18.6。 本井田内新生界松散及半固结沉积物全部覆盖， 依据副立井检查孔报告，钻孔揭露地层自下而上为二叠系下统下石盒子组P1x，上统上石盒子组共四段P2S1 P2S4、石千峰组二段P2sh1和P2sh2；三叠系下统刘家沟组T11，和新近系Q+

3、R。国家精品课程网上资源的可用性研究/*2 2、工程背景、工程背景图1 副立井广场地层构造剖面图国家精品课程网上资源的可用性研究/*3 3、有限元模拟与分、有限元模拟与分析析建立与地质柱状条件和地质构造一致的平面应变力学有限元模型。模型以副立井为中心，两侧各850m，垂深1600m，几何范围覆盖井筒保护煤柱的范围，-Y为垂深方向，XY平面为地层走向的横切面。图2 磁西原始地应力场有限元分析几何模型倾斜上方倾斜上方倾斜下方倾斜下方国家精品课程网上资源的可用性研究/*3 3、有限元模拟与分、有限元模拟与分析析(1) 以实勘的岩层倾斜、断层为既成条件，而造成该地区构造的原动力已经得到释放；(2) 整

4、体竖向加载自重应力场，与自重加速度相比，水平加速度忽略不计；体积力重力场(3)上边界地表是自由边界，深部1600 m为固定位移的下边界，左右两侧均为约束水平位移滚珠边界，半径范围850 m；(4) 将同一年代岩性归类，岩层倾斜界面和断层线为内部几何边界，但都视为完全弹性接触，同年代地层的物理力学性质采用统计均值，且不考虑各向异性。 建立磁西矿井筒原岩应力场的有限元数值模型时，边界条件和假定如下：国家精品课程网上资源的可用性研究/*3、有限元模拟与分析、有限元模拟与分析在副立井位置和距离副立井350m两个位置设置两条垂直向下勘探线上，可得到垂直应力和水平应力沿着这两条勘探线深度的变化，两个水平应

5、力是不等的，从3-b图可以看出，在断层处三向应力也都是不连续的。图3 不同勘探线随垂深变化的三向地应力(a) 副立井位置(b) 距副立井350 m(穿越2个断层)国家精品课程网上资源的可用性研究/*3、有限元模拟与分析、有限元模拟与分析截取井筒垂深950 m深度的水平线上400m范围内没有断层，水平应力分布是连续光滑的，但由于地层倾向和上覆盖地层密度的变化，导致水平应力和地层的倾斜发生一定关联关系，即倾斜方向的上游水平应力高于下游水平应力；而岩层倾向横剖面内的水平应力高于走向的水平应力。图4 垂深950m水平应力分布图 同一方向上地层的水平应力的梯度达到了约110-3 MPa/m，两个方向的水

6、平应力不均匀系数在1.031.04之间。倾斜上方倾斜上方倾斜下方倾斜下方垂直断层走向：大垂直断层走向：大平行断层走向：小平行断层走向：小国家精品课程网上资源的可用性研究/*3、有限元模拟与分析、有限元模拟与分析 对于垂深1079m和1208m，同一水平若遭遇岩层界面变化或断层，水平应力在岩层交界面和断层位置都发生跳跃。与垂深950 m相比，由硬岩进入软岩硬岩进入软岩后，两向应力的大小关系，出现了反转，说明两向水平应力的大小之比的变化还是较复杂，它不仅与岩层倾角有关，而且与岩体自上而下的剪切模量变化有关。垂直断层走向：小垂直断层走向：小平行断层走向：大平行断层走向：大国家精品课程网上资源的可用性

7、研究/*3、有限元模拟与分析、有限元模拟与分析 影响地层原岩应力不均匀性的因素较多，也较复杂，如地层的倾角、岩层力学性质、各层厚比例等等，考虑单斜构造在煤矿地质中的普遍性，以磁西地层条件为基础，通过数值分析手段，结合正交分析方法，研究一下单斜地层单斜地层的原岩不均匀规律的影响。水平水平倾角倾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改变图5模型中指标层位的3个因素，研究指标层位岩层水平应力在3个因素影响下变化规律。图5 单斜构造下地层水平原岩应力分析模型表2 影响因素水平表国家精品课程网上资源的可用性研

8、究/*3、有限元模拟与分析、有限元模拟与分析不均匀应力系数的影响因素次序模型模型编号编号水平应力梯度水平应力梯度水平应力均值水平应力均值比值比值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 正交分析统计结果表倾角倾角厚度厚度之比之比剪切剪切模量模量三项和三项和K1j3.0463.362.941三项和三项和K2j3.2033.1023.22三项和三项和K3j3.3593.1463.447极差极差Rj0.1040.0860.169表4 水平原岩应力影响因素分析表影响因素次序123两向两向不均匀应力系

10、数是指两垂直方向应力不均匀应力系数是指两垂直方向应力Sx和和Sy之比之比：国家精品课程网上资源的可用性研究/*3、有限元模拟与分析、有限元模拟与分析1）与地层剪切模量的关系32EEE=-0.058-0.03-0.012+1.21=0.932+0.0522水平应力梯度变化规律水平应力梯度变化规律水平应力梯度是指在同一地层，同一标高的原岩水平地应力的大小变化率，表现出与地层倾斜的线性相关性，第一影响因素为岩层倾角，第二影响因素为剪切模量，最后是岩层厚度之比；应力梯度范围一般在10-310-4MPa/m的变化数量级，对一般的设计影响不大。岩体不均匀应力系数与弹性模量之比 成反比关系E地层不均匀应力系

11、数与地层倾角成正比关系回归公式2）与地层地层倾角的关系回归公式国家精品课程网上资源的可用性研究/*垂深位置m井壁结构厚度mm混凝土等级钢筋备注内层外层内层外层-7-140双层+塑夹层600500C50内外缘 环22250纵22250内壁径筋6.5500-140-240双层+塑夹层600500C55内外缘 环22200纵22250内缘环22200内壁径筋6.5500-240-250单层+网喷600+700C55内、中：环22200纵22250外缘 环22200纵22200全厚径筋6.5500-250-255单层600C55内外环筋22200纵22150全厚径筋6.5500-255-610单层60

12、0C40无素混凝土-610-700单层700C45无素混凝土-700-1100单层700C45内环22200纵22250-1100-1200单层800C60内外环向筋环22200纵22250全厚径向筋6.5500-1200-1311单层900C60内外环22200纵22250全厚径向箍筋6.5500表5 磁西井壁结构设计概况项目概况项目概况国家精品课程网上资源的可用性研究/*3、磁西副井监测方案与实施、磁西副井监测方案与实施1 1、监测井壁、监测井壁外缘外缘混凝土环向、纵向及径向应变变化；混凝土环向、纵向及径向应变变化；2 2、监测井壁、监测井壁内缘内缘100mm100mm处混凝土环向和纵向应

13、变变化；处混凝土环向和纵向应变变化；3 3、监测井壁、监测井壁内缘内缘环向和纵向钢筋受力变化；环向和纵向钢筋受力变化；4 4、监测井壁外缘总压力；、监测井壁外缘总压力；5 5、监测井壁外侧水压、监测井壁外侧水压监测内容监测内容监测位置监测位置国家精品课程网上资源的可用性研究/*磁西副井监测方案与实施磁西副井监测方案与实施仪器准备和安装传感器准备传感器准备采集仪防水处理采集仪防水处理压力盒的安装压力盒的安装传感器线路铺设传感器线路铺设基站安装基站安装数据采集数据采集 第一水平在第一水平在20132013年年1 1月月2424日埋设日埋设，2 2月月2424日进行了初测，在日进行了初测，在6 6月

14、月2727日，在井筒施工返回到马头门时日，在井筒施工返回到马头门时，进行第三次数据检测，在，进行第三次数据检测，在7 7月月1212日实现了自动采集功能，至日实现了自动采集功能，至1111月月7 7日之间进行了日之间进行了3 3次集中数据收集。次集中数据收集。第一水平共埋设第一水平共埋设2727个传感器个传感器，正，正常工作的常工作的2626个，有效果的有个，有效果的有2121个个传感器传感器，反应了历时，反应了历时288288天的井筒天的井筒井壁的力学反应特征。井壁的力学反应特征。 第二水平埋设时间是第二水平埋设时间是20132013年年4 4月月1616日日，埋设位置方位和第一水，埋设位置

15、方位和第一水平相同。第二水平埋设了井壁外平相同。第二水平埋设了井壁外缘三向共缘三向共9 9个应变计，内缘的两向个应变计，内缘的两向共共6 6应变计，应变计，2 2向共向共6 6个钢筋计，个钢筋计，3 3个压力盒，东北方向一处井壁内个压力盒，东北方向一处井壁内2 2个温度计，共个温度计，共2626个传感器，正常个传感器，正常工作的工作的2222个，有效果的有个，有效果的有2020个传个传感器数据。感器数据。国家精品课程网上资源的可用性研究/*4 4、实测对比分析、实测对比分析1 1、第一主应变是环向压应变、第一主应变是环向压应变 第二是竖向压应变，第三是径向压应变第二是竖向压应变，第三是径向压应

16、变2 2、三个测点结果表明其井壁外缘受力不均匀性、三个测点结果表明其井壁外缘受力不均匀性3 3、三个测点的监测结果发展变化呈现相似性、三个测点的监测结果发展变化呈现相似性4 4、最大混凝土应变出现在东北方位的环向应变为、最大混凝土应变出现在东北方位的环向应变为1093.31093.3环向应变发展曲线环向应变发展曲线竖向应变发展曲线竖向应变发展曲线径向应变发展曲线径向应变发展曲线环向应变最大为环向应变最大为1093.3竖向竖向 应变最大为应变最大为699.025径向应变最大为径向应变最大为437.96第一水平井壁外缘应变第一水平井壁外缘应变国家精品课程网上资源的可用性研究/*4 4、实测对比分析

17、、实测对比分析1 1、内缘井壁应变来看，虽然最大应变出现在竖向，但整体上环向应变仍、内缘井壁应变来看，虽然最大应变出现在竖向，但整体上环向应变仍然是最大应变，平均值为然是最大应变，平均值为568 u，竖向压应变平均值为，竖向压应变平均值为435 u2 2、内缘井壁同样呈现受力的不均匀性、内缘井壁同样呈现受力的不均匀性3 3、井壁内缘应变的发展规律大致和外缘应变的发展规律相同、井壁内缘应变的发展规律大致和外缘应变的发展规律相同环向应变发展曲线环向应变发展曲线竖向应变发展曲线竖向应变发展曲线环向应变最大为环向应变最大为771.77竖向应变最大为竖向应变最大为910.167第一水平井壁内缘应变第一水

18、平井壁内缘应变国家精品课程网上资源的可用性研究/*4 4、实测对比分析、实测对比分析1 1、钢筋受力发展曲线与内缘混凝土应变发展曲线呈现相似性。、钢筋受力发展曲线与内缘混凝土应变发展曲线呈现相似性。2 2、环向钢筋受压力大于竖向钢筋受的压力，环向钢筋平均受到、环向钢筋受压力大于竖向钢筋受的压力，环向钢筋平均受到41.2KN41.2KN作用力，按作用力，按22mm22mm钢筋的面积分钢筋的面积分摊，压应力为摊，压应力为108.4MPa108.4MPa，而竖向钢筋受到作用力为，而竖向钢筋受到作用力为21.KN21.KN，按，按22mm22mm钢筋的面积分摊得到压应力钢筋的面积分摊得到压应力55.4

19、MPa55.4MPa，前者是后者的，前者是后者的1.961.96倍。比内缘应变环竖之比倍。比内缘应变环竖之比1.571.57略高。略高。环向受力发展曲线环向受力发展曲线竖向受力发展曲线竖向受力发展曲线环向受力最大为环向受力最大为50.83KN竖向受力最大为竖向受力最大为27.32KN第一水平井壁内缘钢筋受力第一水平井壁内缘钢筋受力国家精品课程网上资源的可用性研究/*4 4、实测对比分析、实测对比分析 观测点 项目观测值大小的比例最大值总平均取两近者平均北偏西58东北45东偏南75砼环向微应变1.8812.15-771-568-682钢筋受力kN1.1311.36-51-41-44换算应力/MP

20、a按直径22mm钢筋计算-134-108-116折算 应变-671-540-579表4 井筒垂深1208m井壁实测结果按照混凝土和钢筋变形的协调一致性规律，可将实测钢筋的受力换算成应变，和井壁混凝土应变实测结果相比 ，二者无论数值还是大小分布的方位都一致，应变数 值 误 差 在5%16%之间。最小最大大致表现出原岩应力在倾斜上位（以井筒中心的西北方向）和断层走向（东北）方向偏高现象， 二者总体一致。国家精品课程网上资源的可用性研究/*4 4、实测对比分析、实测对比分析 1)(2PPrthows包神井壁计算公式crccrGG2-11,GG-1）（式中：式中： 为为井筒井筒净净半半径径； 为为混凝

21、土材料强度混凝土材料强度标标准准值值， 与与混凝土混凝土围围岩材料相岩材料相关关的材料系的材料系数数sr 、crcrccrGGGG2-11GG-1、，）（、分分别别为为围围岩岩与衬与衬砌材料的剪切模量，砌材料的剪切模量， 为为井壁井壁衬衬砌的柏松比砌的柏松比。c国家精品课程网上资源的可用性研究/*4 4、实测对比分析、实测对比分析从磁西副立井垂深1208 m的水平应力有限元数值分析来看，井筒附近的水平原岩应力大约在8.378.45 MPa之间。计算结果偏小的原因是井壁是短段掘进后砌上去的，有一定的应力释放。总体数据范围是合理一致的。22c ocoici2oc(2 )12( )1217.889 MPaK rGrrPrr 将副井120