CN104007249A - 一种岩体应力状态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体应力状态分析方法，包括：断裂构造划分：依据地质动力区划方法，以绘图法为主，结合航卫片判读、地面及井下考察，划分井田Ⅰ-Ⅴ级断裂；地质构造模型建立：以Ⅴ级断裂作为井田地质构造模型，建立岩体应力状态计算模型；构造应力区划分：根据应力区划分准则，划分井田高应力区、低应力区和应力梯度区。本发明基于建立的地质构造模型，根据一定数量的地质钻孔测点资料，确定岩性分布特征，进行岩石及断裂参数赋值，将已知点提供的地应力数据作为边界及加载条件，进行相应的理论或数值分析、反演、回算和模拟，揭示区域构造和岩体应力状态间内在关系，能够对几km²或几十km²井田进行区域应力场计算，经过长期实际应用，效果良好。

Description

一种岩体应力状态分析方法

技术领域

本发明属于地质动力研究领域，尤其涉及一种岩体应力状态分析方法。

背景技术

地应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏，产生矿井压力显现的根本作用力，准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。个别测点的应力测量结果并不能全面反映矿区地应力场的特性，通常用数值模拟方法进行应力分析，进而研究弹性应变能的密度及煤岩的破坏条件，进行区域应力场的分析研究。目前国内外在区域构造应力场和岩体应力状态区域研究方面的主要难点是建立地质构造模型的方法。多数研究采用地质、地震界已经确定的断裂来建立区域构造模型。这里存在两点问题，第一，对于一个区域，其所建立的构造模型是不完整的，有的甚至相差很远；第二，断裂构造，尤其是活动断裂对区域岩体应力状态的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体应力状态分析方法，旨在解决目前国内外在区域构造应力场和岩体应力状态区域研究方面存在的对于一个区域，其所建立的构造模型是不完整的，有的甚至相差很远，断裂构造，尤其是活动断裂对区域岩体应力状态的影响的问题。

本发明是这样实现的，一种岩体应力状态分析方法，该岩体应力状态分析方法包括以下步骤：

步骤一，断裂构造划分：依据地质动力区划方法，以绘图法为主，结合航卫片判读、地面及井下考察，划分井田Ⅰ-Ⅴ级断裂；

步骤二，地质构造模型建立：以Ⅴ级断裂作为井田地质构造模型，建立岩体应力状态计算模型；

步骤三，构造应力区划分：在地质构造模型的基础上，选取计算参数，进行反演计算，划分不同等级构造应力区。

效果汇总

本发明的岩体应力状态分析方法，基于建立的地质构造模型，根据一定数量的测点资料控制的基础上，确定岩性分布特征，进行岩石及断裂参数赋值，将已知点提供的地应力数据作为边界加载条件，进行相应的理论或数值分析、反演、回算和模拟，揭示区域构造和岩体应力状态间的内在关系，***能够对几km²或几十km²的井田进行区域应力场计算，经过长期的实际应用，效果良好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的岩体应力状态分析方法流程图；

图2是本发明实施例提供的同忻井田最大主应力等值线图；

图3是本发明实施例提供的同忻井田3-5#煤层顶板应力区划分图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面以大同同忻煤矿为实施例对本发明的工作原理做进一步详细说明：

如图1所示，本发明是这样实现的，一种岩体应力状态分析方法，该岩体应力状态分析方法包括以下步骤：

S101：断裂构造划分，依据地质动力区划方法，以绘图法为主，结合航卫片判读、地面及井下考察，划分井田Ⅰ-Ⅴ级断裂；

S102：地质构造模型建立，以Ⅴ级断裂作为井田地质构造模型，建立岩体应力状态计算模型；

S103：构造应力区划分，在地质构造模型的基础上，选取计算参数，进行反演计算，划分不同等级构造应力区。

步骤一，断裂构造划分：依据地质动力区划方法，以绘图法为主，结合航卫片判读、地面及井下考察，划分井田Ⅰ-Ⅴ级构造的具体实现方法为：

地质动力区划工作遵循从总体到局部的原则，查明地壳的活动构造，以解决工程实际问题为目标，针对人类工程活动所引发的地质动力现象开展研究工作。首先在板块构造研究的基础上，进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级区划工作。每级区划所用比例尺逐渐增大，即研究范围在逐渐缩小。Ⅰ级区划工作是建立板块构造与工程所在的大区域构造活动之间的联系，下一级别的区划工作都是建立与上一级别区划研究的联系，并进一步细化研究内容和缩小研究范围，Ⅴ级区划工作尺度与井田范围相对应。用地质动力区划方法查明地壳的断块构造是根据由一般到个别的原则。即在大比例尺图上查明构造活动的“轮廓”，从小比例尺区划图中抽象出个别构造特征。这样做能够查明区域构造发展的一般规律。地质动力区划断块所用地图比例尺见表1。

表1  地质动力区划断块划分比例范围

以同忻井田为例，利用地质动力区划方法在研究区域内共划出Ⅰ级活动断裂15条，与已知的资料对比，在地形中不仅显现出许多熟知的断裂，而且有新的正在形成的断裂。例如Ⅰ-3断裂与乌拉山山前断裂、Ⅰ-10断裂与六棱山山前断裂、Ⅰ-12断裂与太行山山前断裂等都有密切联系。在Ⅰ级断块区划成果上，在研究区域内共划出Ⅱ级活动断裂15条，其中Ⅱ-2断裂与和林格尔断裂、Ⅱ-5断裂与清水河—偏关断裂、Ⅱ-7断裂与口泉断裂等都具有密切联系。同理，下一级的区划工作都是在上一级区划成果基础上进行的，在研究区域内共划出Ⅲ级活动断裂14条，Ⅳ级断裂17条，Ⅴ级断裂21条。在这些断裂中，NE、NW向断裂以及EW向断裂构成了井田的构造格局。

在室内完成了断块构造的划分后，通过野外调查对内业工作进行实际检查和补充。野外调查主要有两个目的：一是修正不准确信息。在内业工作的条件下，根据地形图现有的信息进行活动断裂划分，会产生不确定性，因为地形图提供的信息既有天然地貌的信息，也包含了部分人类活动的结果。因此，通过野外考查，判定其是否为人工地貌，如为人工地貌，则不能够参与断块的划分，剔除这些高程点，然后调整断块划分。二是补充与判定断裂的活动信息。活动断裂在地貌上并不会显示出完整的、规则的形态，而是往往在某些地段表现出一定的片断特征。通过对这些地貌片断的调查，来确定活动断裂的空间形态和活动特征。

地质动力区划野外调查的内容包括地貌高程点检查、断裂地貌片断调查、水系分析、河流阶地变形、河流纵剖面调查、洪积扇调查、河流袭夺和改道、建筑物的调查、断裂构造的地球物理探测等。根据大同矿区的区划成果，确定了需要重点调查的活动断裂及重点调查的地貌片段。从考察结果来看，区划所确定的Ⅲ级、Ⅳ级断裂带在地貌上表现出较多的片断特征，它们具有较强的活动性。尤其是Ⅲ级断裂在地貌局部地带特征非常明显，如Ⅲ-6断裂(口泉断裂)、Ⅲ-5断裂与Ⅲ-4断裂交汇部位等。部分Ⅴ级断裂由于在井田内受到人类工程活动的扰动，地貌形态遭受破坏，难以观察到明显的地貌特征。大同矿区地质构造活动导致局部区域地面出现了裂隙，宽度0.1m～0.9m，延展长度22m～24m。构造活动影响严重区域的岩层呈现出直立、倒转的现象。野外考察结果表明，依据地形图划分的Ⅰ～Ⅴ级断裂是准确的，部分断裂都表现出一定的地貌特征，而且一些地面或是岩层形态也间接的反映了大同矿区地质构造活动的强烈程度。

步骤二，地质构造模型建立：以Ⅴ级断裂作为井田地质构造模型，建立岩体应力状态计算模型；

地质构造形式划分是在构造块体划分的基础上进行的，通过这一工作建立区域地质构造模型。研究中利用板块构造学的观点和理论研究局部区域地质构造，遵循从一般到个别的原则，查清矿区及其邻近区域的各级断块结构，建立适合于进行采矿工程实际应用的地质构造模型，为井田应力场的研究奠定基础。

步骤三，构造应力区划分：在地质构造模型的基础上，选取计算参数，进行计算，划分构造应力区。

1 模型建立及参数选取；

根据建立的地质构造模型，利用“岩体应力分析***”进行有限网格剖分、断裂与岩性赋值和应力条件加载。

2 构造应力区划分标准；

构造应力区的划分可采用作图法进行。作图法是一种单因素法，主要是根据数值计算得出的矿区应力等值线图划分岩体应力区，以活动断裂的组合形式进行修定。首先要按矿区岩体应力分布情况和应力值大小确定划分准则，高应力区可用应力集中系数和影响范围两个参数表示。因此，可采用应力集中系数法来划分岩体应力区，应力集中系数Ｋ等于区域岩体应力值(σ₁)与垂直应力(γH)的比值。

$K=\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{\γH}}$

一般情况下，当K＞1.2时，与之对应的最大主应力等值线所圈定的范围即为高应力区；当K＜0.8时，与之对应的最大主应力等值线所圈定的范围即为低应力区；高应力梯度区位于这两个区域之间。各应力区影响范围可在图上直接量取。

一、模型建立及参数定义：

(1)计算模型

利用已建立的地质构造模型进行井田范围内的应力计算。模型长15km，宽11km，面积165km²，模型共划分了16761个节点，33000个单元。

(2)介质参数

计算区域内，在一定的应力或位移的边界条件下，所形成的应力场在大小和方向上的分布与区域内岩体的力学性质及分布状况有关。因而正确地确定计算区域内岩体参数及边界条件对计算结果有重要的影响。岩体力学参数的选取主要是通过现场岩石取样，室内力学参数测试，并参考相同岩性的试验数据，得出大致范围(表2)。同忻煤矿3-5#煤层顶板岩性由中粒砂岩、粗粒砂岩、细砾岩、高岭岩和泥岩等多种岩石构成，其分布依据井田钻孔数据确定。断裂带的力学参数这样选取，Ⅰ～Ⅱ级断裂带的弹性模量取正常岩体参数的1/10，其它Ⅲ～Ⅴ级断裂带取1/5。根据断裂级别大小和计算上的要求，取Ⅰ级断裂宽1000m，Ⅱ级断裂宽500m，Ⅲ级断裂宽200m，Ⅳ级断裂宽100m，Ⅴ级断裂宽50m。

表2  岩体力学参数

岩性	弹性模量/MPa	泊松比
			砂岩	44706	0.24
泥岩	18350	0.31
			砾岩	32420	0.26

(3)加载方式

矿区和井田地应力场研究表明，同忻煤矿地应力场属于水平应力场，地应力是以水平压应力为主导。在应力数值上，取地应力二号钻孔测量结果，最大主应力值为19.58MPa，方位角为245.92°，倾角为1.36°。以上述地应力量值和方位作为边界加载方式。

二、岩体应力状态计算结果

应用“岩体应力状态分析方法”软件，按前面选取的力学参数及边界载荷，计算了同忻煤矿3-5#煤层顶板应力场。用计算得到的应力数据，可以以应力等值线图的形式展示应力的变化情况。同忻煤矿3-5#煤层顶板的水平最大主应力等值线如图2。

三、同忻井田构造应力区划分

在岩体应力数值计算的基础上，将同忻井田3-5#煤层顶板构造应力区划分如下(图3)。具体描述如下：

(1)高应力区：分5个区域，具体如下：

①被Ⅲ-5、Ⅴ-2、Ⅴ-3断裂所围限。水平最大主应力值为22MPa～30MPa，涉及井田西部，影响范围3.01km²；

②位于井田北部，Ⅴ-6断裂附近，水平最大主应力值在23MPa～26MPa之间变化。影响范围约0.3km²；

③位于Ⅴ-2、Ⅲ-5断裂附近。位于井田中上部，水平最大主应力值在22MPa～29MPa之间变化，影响范围约0.59km²；

④位于Ⅳ-12、Ⅲ-5断裂附近，位于井田中下部，水平最大主应力值为25MPa～27MPa，影响范围0.51km²；

⑤位于井田东部，Ⅴ-11断裂从其中穿过，水平最大主应力值在24MPa～27MPa之间变化。影响范围约2.47km²。

(2)低应力区：共4个区域，具体如下：

①位于Ⅴ-2、Ⅴ-3断裂附近。水平最大主应力值在9MPa～15MPa之间变化。涉及井田西部，影响范围约3.89km²；

②位于Ⅴ-2、Ⅳ-12断裂附近，Ⅲ-5断裂从其中穿过，水平最大主应力值在10MPa～14MPa之间变化。涉及井田中部，影响范围约1.67km²；

③位于Ⅴ-9、Ⅳ-12、Ⅲ-5断裂附近，Ⅴ-11、Ⅴ-10断裂从其中穿过，水平最大主应力值在12MPa～15MPa之间变化。涉及井田东部，影响范围约3.19km²；

④位于Ⅳ-10、Ⅳ-6、Ⅲ-5、Ⅳ-7、Ⅴ-8断裂交汇处附近，Ⅳ-6断裂从其中穿过，水平最大主应力值在10MPa～15MPa之间变化。涉及井田东北部，影响范围约0.34km²。

(3)应力梯度区：共3个区域，具体如下：

①位于井田西部，应力值在16MPa～21MPa之间变化，影响范围在西部上侧靠近Ⅴ－2活动断裂约0.5km2，西部下侧约0.5km²；

②位于井田中部，应力值在17MPa～20MPa之间变化，影响范围在中部上侧和有Ⅲ-5断裂穿过其中的中部都约为0.27km²，中部下由Ⅳ-12断裂穿过影响范围约0.18km²；

③位于井田东部，应力值在18MPa～21MPa之间变化，影响范围在东部上侧约为0.32km²，东部下侧约为0.33km²。两者都由Ⅴ－11断裂穿过。

本发明的岩体应力状态分析方法，基于建立的地质构造模型，根据一定数量的地质钻孔测点资料，确定岩性分布特征，进行岩石及断裂参数赋值，将已知点提供的地应力数据作为边界及加载条件，进行相应的理论或数值分析、反演、回算和模拟，揭示区域构造和岩体应力状态间的内在关系，***能够对几km²或几十km²的井田进行区域应力场计算，经过长期的实际应用，效果良好。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种岩体应力状态分析方法，其特征在于，该岩体应力状态分析方法包括以下步骤：

步骤一，断裂构造划分：依据地质动力区划方法，以绘图法为主，结合航卫片判读、地面及井下考察，划分井田Ⅰ-Ⅴ级断裂；

步骤二，地质构造模型建立：以Ⅴ级断裂作为井田地质构造模型，建立岩体应力状态计算模型；

步骤三，构造应力区划分：在地质构造模型的基础上，选取计算参数，进行反演计算，划分不同等级构造应力区。

2.如权利要求1所述的岩体应力状态分析方法，其特征在于，步骤一，断裂构造划分：依据地质动力区划方法，以绘图法为主，结合航卫片判读、地面及井下考察，划分井田Ⅰ-Ⅴ级断裂的具体实现方法为：

地质动力区划工作遵循从总体到局部的原则，查明地壳的活动构造，以解决工程实际问题为目标，针对人类工程活动所引发的地质动力现象开展研究工作；首先在板块构造研究的基础上，进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级区划工作；每级区划所用比例尺逐渐增大，即研究范围在逐渐缩小；Ⅰ级区划工作是建立板块构造与工程所在的大区域构造活动之间的联系，下一级别的区划工作都是建立与上一级别区划研究的联系，并进一步细化和缩小范围，Ⅴ级区划工作尺度与井田范围相对应；利用地质动力区划方法查明地壳的断块构造是根据由一般到个别的原则，即在大比例尺图上查明构造活动的“轮廓”，从小比例尺区划图中抽象出个别构造特征。

3.如权利要求1所述的岩体应力状态分析方法，其特征在于，步骤二，地质构造模型建立：以Ⅴ级断裂作为井田地质构造模型，建立岩体应力状态计算模型的具体实现方法为：

地质构造形式划分是在构造块体划分的基础上进行的，通过这一工作建立区域地质构造模型；利用板块构造学的观点和理论对局部区域地质构造，遵循从一般到个别的原则，查清矿区及邻近区域的各级断块结构，建立适合于进行采矿工程实际应用的地质构造模型，为井田应力场的研究奠定基础。

4.如权利要求1所述的岩体应力状态分析方法，其特征在于，步骤三，构造应力区划分：在地质构造模型的基础上，选取计算参数，进行反演计算，划分不同等级构造应力区的实现方法为：

首先，模型建立及参数选取；

根据建立的地质构造模型，利用“岩体应力分析***”进行有限网格剖分、断裂与岩性赋值和应力条件加载；

其次，构造应力区划分标准；

构造应力区的划分可采用作图法进行；作图法是一种单因素法，主要是根据数值计算得出的矿区应力等值线图划分岩体应力区，以活动断裂的组合形式进行修定；首先要按矿区岩体应力分布情况和应力值大小确定划分准则，高应力区可用应力集中系数和影响范围两个参数表示；因此，可采用应力集中系数法来划分岩体应力区，应力集中系数Ｋ等于区域岩体应力值(σ₁)与垂直应力(γH)的比值；

$K=\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{\γH}}$

当K＞1.2时，与之对应的最大主应力等值线所圈定的范围即为高应力区；当K＜0.8时，与之对应的最大主应力等值线所圈定的范围即为低应力区；高应力梯度区位于这两个区域之间；各应力区影响范围可在图上直接量取。