CN107037502A - 一种基于flac 3d数值模拟的地应力场反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法，包括：依据实际工程地质条件，选取测点进行地应力测试；根据区域构造发育情况，建立合适的数值模型；根据测点地应力测试结果，定义模型边界条件；对数值模型进行运算处理，输出模型应力云图；根据地应力测点位置，结合模型应力云图，对区域地应力进行分析。本发明依据测点地应力实测结果，利用FLAC 3D数值模拟软件建立地应力场反演模型，之后对模型加载，满足其生成的应力场和测点应力状态基本一致，从而反演整个工作面地应力场的分布特征，更能直观合理的反映实际地应力场，且操作简单，易于实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭地质工程领域的地应力场反演方法，具体涉及一种基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法。
背景技术
地应力是指天然岩土体未受任何扰动的应力，目前对地应力的实测方法主要有数理统计法、灰色理论法、人工智能法等，这些方法大多基于实测地应力值的基础上进行的计算方法，不能直观反映实际的地应力场分布特征。本发明基于这个原因，依据测点实际地应力值，利用FLAC 3D数值模拟建立合理的地应力场反演模型，更能直观反映实际地应力场分布特征。
发明内容
1.本发明的目的
鉴于此，本发明针对煤炭地质工程领域地应力场反演方法的不足，提供一种更能直观反映实际地应力场分布特征的地应力场反演方法。
2.本发明的技术方案
为实现上述目的，本发明一种基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法，该方法包括：步骤A，依据实际工程地质条件，选取测点进行地应力测试；步骤B，根据区域构造发育情况，建立合适的数值模型；步骤C，根据测点地应力测试结果，定义模型边界条件；步骤D，对数值模型进行运算处理，输出模型应力云图；步骤E，根据地应力测点位置，结合模型应力云图，对区域地应力场进行分析。
本发明依据测点地应力实测结果，利用FLAC 3D数值模拟软件建立地应力场反演模型，之后对模型加载，满足其生成的应力场和测点应力状态基本一致，反演整个工作面地应力场的分布特征，更能直观合理的反映实际地应力场，且操作简单，易于实际应用。
附图说明
此处用来说明的附图是为了对本发明的进一步解释和说明，为本申请的一部分，但并不能限定本发明。
图1为本发明基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法流程图。
图2为本发明实例某矿11113工作面地应力场反演地质模型。
图3A、3B及图3C分别为本发明实例模型初始应力反演云图、剖面Z方向应力反演云图及剖面X方向应力反演云图。
具体实施方案
下面结合附图及本发明所应用的实例，对本发明进行进一步说明。
图1为本发明基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤A，依据实际工程地质条件，选取测点进行地应力测试；
步骤B，根据区域构造发育情况，建立合适的数值模型；
步骤C，根据测点地应力测试结果，定义模型边界条件；
步骤D，对数值模型进行运算处理，输出模型应力云图；
步骤E，根据地应力测点位置，结合模型应力云图，对区域地应力场进行分析。
以下结合具体实例，对上述每一步骤进行解释说明。
步骤A，依据实际工程地质条件，选取测点进行地应力测试。
利用声发射(AE)法测试地应力，对定向试件进行单轴压缩，同时接收其声发射信号。根据凯塞效应，当作用力达到某一临界值时，声发射活动会突然增多，此临界应力值即为岩芯试件先前所受的应力，本发明实例中的试验采取的岩样是从钻孔中采取具有明显层面的岩芯样，因此可以知道采样处岩层层面走向，具体操作步骤是：
①现场取定向岩芯；
②按一定工艺要求在室内加工声发射试样；
③在选定参数下对试样加载并记录AE率，分别绘出AE事件率—时间曲线和应力—时间曲线；
④以K点和响应曲线斜率陡增点的选值决定各试样的正应力，而后由各方向的正应力计算主应力大小和方向。
⑤数据整理
按照以上所示方法整理试验数据来判断取样方向上的正应力值，测试结果为12.9MPa，然后根据下文的公式来计算各测点的主应力值及方向。
因为取样时，各岩样的夹角为45°，可采用以下公式计算最大、最小主应力的大小和方向：
式中：分别是平行、垂直和45°方向的正应力；σ1为平面最大主应力；σ3为平面最小主应力。并且规定应力以压为正；φ角以由主应力σ1逆时针转到方向为正。各测点的应力值见表1。
表1各测点的应力大小和方向
步骤B，根据区域构造发育情况，建立合适的数值模型。本发明实例中，根据测点地应力实测结果及岩层物理参数，运用FLAC 3D数值模拟建立地应力场反演地质模型。具体：
计算模型是某矿11113工作面的地质剖面图和地质平面图经过适当简化确定而成。11113工作面为东翼A组煤采区首采面，位于3煤层第一阶段，回采上限位于3煤层80m防水煤柱和风氧化带露头之间。该面设计走向长度870.0m，倾向长度108m，据资料分析，本区段煤岩层为一单斜构造，地层倾向北东，地层倾角变化较大在∠6～26°平均16°。在下顺槽拨门位置发育DF9-1正断层，该断层落差10m，断层倾向N，倾角为70°。拟模型介质类型共分9种，其中包括砂岩组、泥岩组、煤层、断层带等。
根据某矿区11113工作面地质资料，结合断层带附近工程地质条件特征，选取-650m水平为背景，断层带厚度据揭露显示取值3m，以3煤层为特征煤层，嵌入地质模型，煤厚5m。
设计模型几何尺寸为长300m、宽200m、高120m，共分为7200000个单元格，煤岩层近似水平，初始地应力12.46Mpa，侧压系数取0.25，主要以构造应力为主。本发明实例所建的地应力场反演地质模型，如图2所示。
步骤C，根据测点地应力测试结果，定义模型边界条件。本发明实例中，在吸取前人的经验条件下，初步将边界条件定义为混合边界条件，具体如下：
(1)位移边界
①将模型底部定义为固定支承，限制节点在X和Z两个方向的运动(X、Z均为水平方向)；②将模型左侧定义为滚支承，限制节点在X方向的运动。
(2)应力边界
①在模型顶部施加向下的垂向应力；②在模型X、Y方向施加边界应力。
以3煤层底板等高线图为底图，而待拟合的点位于等高线-490与-400水平上，将地应力拟合点位置投放其中，模拟仅以-490水平地应力测试结果为例。
步骤D，对数值模型进行运算处理，输出模型应力云图。本发明实例中，通过不断调整边界荷载的大小值，并计算到最终结果能满足在两个测点的模拟值与实测值最为接近。在此应力作用下模型计算至基本平衡，应力不再作大的调整时结束运算。此时通过输入FLAC命令语句输出模型初始体力分布图，作切片得出最大、小主应力图、X、Z方向应力云图，来综合分析模型受力特征。输出结果见图3A-3C。
步骤E，根据地应力测点位置，结合模型应力云图，对区域地应力场进行分析。
由图3A、图3B、图3C可知，通过模型模拟、输出图件分析可知：Z方向与X方向的应力分布较为均一，在断层带附近有所变化，但整体上呈现等幅变化趋势；最大与最小主应力变化从图件显示为正常地应力分布；主应力迹线图及其细化图上体现出了模型受力作用下内部主应力的变化大小与方向性，图中所示“L”型显示了所在单元的主应力的大小和方向，其中较长的线段表示最大主应力，较小线段的表示最小主应力，并且其值与长度成正比，直观反应了整体或局部的应力状态。
本发明依据测点地应力实测结果，利用FLAC 3D数值模拟软件建立地应力场反演模型，之后对模型加载，满足其生成的应力场和测点应力状态基本一致，反演整个工作面地应力场的分布特征，更能直观合理的反映实际地应力场，且操作简单，易于实际应用。
以上所述具体实例，对本发明的目的，过程和有益效果进行详细说明，并不用于限定本发明的限定范围，凡在本发明的精神原则之内，所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种研究一种基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法，其特征在于，该方法包括：
步骤A，依据实际工程地质条件，选取测点进行地应力测试；
步骤B，根据区域构造发育情况，建立合适的数值模型；
步骤C，根据测点地应力测试结果，定义模型边界条件；
步骤D，对数值模型进行运算处理，输出模型应力云图；
步骤E，根据地应力测点位置，结合模型应力云图，对区域地应力进行分析。
2.如权利要求1所述的基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法，其特征在于，步骤B中，根据区域构造发育情况，建立合适的数值模型。
3.如权利要求1所述的基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法，其特征在于，步骤C中，根据测点地应力测试结果，定义模型边界条件。具体如下：
(1)位移边界
①将模型底部定义为固定支承，限制节点在X和Z两个方向的运动(X、Z均为水平方向)；②将模型左侧定义为滚支承，限制节点在X方向的运动。
(2)应力边界
①在模型顶部施加向下的垂向应力；②在模型X、Y方向施加边界应力。
4.如权利要求1所述的基于FLAC 3D数值模拟的地应力场反演方法，其特征在于，步骤D中，对数值模型进行运算处理，输出模型应力云图。通过不断调整边界荷载的大小值，并计算到最终结果能满足在两个测点的模拟值与实测值最为接近。在此应力作用下模型计算至基本平衡，应力不再作大的调整时结束运算。此时通过输入FLAC命令语句输出模型初始体力分布图，作切片得出最大、小主应力图、X、Z方向应力云图，来综合分析模型受力特征。
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|---|---|---|---|---|
| CN108645552A (zh) * | 2018-05-28 | 2018-10-12 | 中国地质大学（北京） | 一种基于双应力***的地应力测量方法 |
| CN110162882A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-08-23 | 山东东山新驿煤矿有限公司 | 一种煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法 |
| CN111881612A (zh) * | 2020-08-05 | 2020-11-03 | 武汉市政工程设计研究院有限责任公司 | 一种正应力和剪应力不同权重二维应力场反演方法及*** |
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