（1）为解决多层交互、倾角多变等煤系地层的计算建模、参数选取等问题，根据岩层交互规律、岩性特征，通过对复杂地层进行地质概化，建立与实际岩层基本一致的计算模型，进行数值试验，得到了用于数值计算的多层岩体等效力学参数。
（2）为了提高具有复杂地质条件的煤系地层初始地应力场反演精度，提出了基于FLAC3D横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的地应力反演方法。该反演方法得到的结果与采用各向同性模型的反演结果相比较，其结果更符合测量值。
作 者
余大军1,杨张杰1,郭运华2,杨永刚1,王 波1
2单 位
1.安徽省煤炭科学研究院 矿山支护中心；2.武汉理工大学 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室
3研究背景
岩体初始应力场是岩石工程数值模拟计算与工程稳定性分析的必要条件,也是岩石工程设计与施工的重要依据。地应力是煤矿开采等地下工程围岩变形与破坏的根本驱动力,因此应力场研究是岩石力学与采矿工程中最基本、最重要的工作之一。在地应力研究初期,基本上将地应力简单地处理为求解侧压力系数,复杂地质条件下误差较大,根本不适合实际使用。
近年来,地应力反演方法也应用于煤矿领域,取得了一定的成效。对于煤层岩体,有其特殊的层状结构,特别是多层构造的煤系地层其力学性质在垂直和平行于岩层走向的两个方向上,差异很大,具有横观各向同性弹性体典型的特征。因此对于初始地应力场的反演,可以将这种深部层状构造煤岩体假设为横观各向同性弹性体进行研究。
笔者近几年在淮南矿区,接触到了诸多典型的层状结构煤层,含煤地层一般是沉积岩,除煤层外,地层中含有多层岩石夹层,其最常见的岩性有泥岩和砂岩,其厚度从几厘米至几米,几十米不等,复杂结构含煤地层中夹层数一般多达几十层,而且岩层一般具有一定倾角,倾角随着岩层变化,岩层的力学性质在方向上也不相同,有的甚至显著不同,这样的层状结构增加了求取力学参数和进行数值模拟的难度。因此,对具有典型横观各向同性岩体的应力场研究很有现实意义。
4摘 要 大多数初始地应力场的反演均将对象岩体简化为各向同性弹性体,但是对于具有层状构造、倾角多变、力学性质方向差异较大的含煤地层,这样简化就会导致反演结果误差很大,同时这种多层交互岩体在计算建模、参数取值等过程中也存在难度。为了提高具有复杂地质条件的煤系地层初始地应力场反演精度,提出了基于FLAC3D横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的地应力反演方法。同时为解决多层交互、倾角多变等煤系地层的计算建模、参数选取等问题,根据岩层交互规律、岩性特征,通过对复杂地层进行地质概化,建立与实际岩层基本一致的计算模型,进行数值试验,得到了用于数值计算的多层岩体等效力学参数。根据数值试验结果,建立了局部区域的横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的计算模型,利用偏最小二乘回归方法拟合地应力场并将地应力场精确加载至计算模型并实现力的平衡,最终完成初始地应力场的加载。结果表明,采用建立数值模型来计算各层岩体的等效力学参数的方法优化了建模过程,提高了数值计算效率。对比两种方法反演结果,采用横观各向同性模型进行计算更能体现具有层状构造的煤系地层力学性质的方向差异性,能有效提高局部区域的地应力拟合精度,其地应力反演结果更符合实测值。
5部分图片
边界应力分解组合示意
潘一东矿区范围示意
潘一东矿区地质概化分区
层状岩体等效模型
加载试验应力应变曲线
岩层yz平面剖面
-850m水平标高平面最大主应力等值线
-850m水平标高平面最大主应力倾角云图
-850m水平标高平面最大主应力方位角云图
6作者简介
研究方向
煤矿井巷支护技术，大型岩土工程数值模拟，地下洞室群稳定性分析
主要成果
致力于煤矿井巷支护技术研究，获得多项专利，开发了煤矿新型无损注浆锚杆和新型无损注浆锚索成套技术，为煤矿井巷锚注一体化施工及岩煤巷快速掘进提供了全新的技术方案；在岩土工程数值模拟方面，提出针对煤矿特殊地质条件的数值模拟方案。
余大军,杨张杰,郭运华,等.基于FLAC3D横观各向同性模型的煤矿井田初始地应力场反演方法[J].煤炭学报,2020,45(10):3427-3434.
责任编辑：郭晓炜 编辑整理：郭晓炜 审核：常 琛
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