超千米井筒原巖應(yīng)力的數(shù)值分析

1、超千米深井不均勻原巖應(yīng)力場有限元模型研究北京科技大學(xué)2015年10月31號匯報(bào)人: 周曉敏 教授 國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱引言工程背景有限元模擬與分析實(shí)測對比分析結(jié)論12345國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*1 1、引言、引言原巖應(yīng)力結(jié)構(gòu)載荷公路鐵路采礦自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力金尼克公式數(shù)值計(jì)算地下工程界越來越關(guān)注傳統(tǒng)概念只局限于襯砌界面所受到的作用力本文根據(jù)磁西礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件，建立超千米深地層原巖應(yīng)力有限元模型，研究各巖體層厚、力學(xué)性質(zhì)的差異、斷層、傾斜等對原巖應(yīng)力不均勻性規(guī)律的影響，為井筒井壁設(shè)計(jì)和礦井開采提供參考。件，建立超千米深地層原巖應(yīng)力有限元模型，研究各巖

2、體層厚國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*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(qū)東部，行政區(qū)劃隸屬磁縣和峰峰礦區(qū)管轄，其在構(gòu)造上處于華北斷塊區(qū)，呂梁-太行斷塊的太行山前斷裂帶影響范圍內(nèi)。井筒附近存在的兩個(gè)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(tǒng)山西組。井筒附近的地層產(chǎn)狀為：走向?yàn)镹3050E，傾向SE，傾角為18.6。 本井田內(nèi)新生界松散及半固結(jié)沉積物全部覆蓋， 依據(jù)副立井檢查孔報(bào)告，鉆孔揭露地層自下而上為二疊系下統(tǒng)下石盒子組P1x，上統(tǒng)上石盒子組共四段P2S1 P2S4、石千峰組二段P2sh1和P2s

3、h2；三疊系下統(tǒng)劉家溝組T11，和新近系Q+R。國家精品課程網(wǎng)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(gòu)造剖面圖國家精品課程網(wǎng)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(zhì)柱狀條件和地質(zhì)構(gòu)造一致的平面應(yīng)變力學(xué)有限元模型。模型以副立井為中心，兩側(cè)各850m，垂深1600m，幾何范圍覆蓋井筒保護(hù)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(yīng)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(wǎng)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(shí)勘的巖層傾斜、斷層為既成條件，而造

4、成該地區(qū)構(gòu)造的原動力已經(jīng)得到釋放；(2) 整體豎向加載自重應(yīng)力場，與自重加速度相比，水平加速度忽略不計(jì)；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(cè)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(nèi)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(xué)性質(zhì)采用統(tǒng)計(jì)均值，且不考慮各向異性。 建立磁西礦井筒原巖應(yīng)力場的有限元數(shù)值模型時(shí)，邊界條件和假定如下：國家精品課程網(wǎng)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(gè)位置設(shè)置兩條垂直向下勘探線上，可得到垂直應(yīng)力和水

5、平應(yīng)力沿著這兩條勘探線深度的變化，兩個(gè)水平應(yīng)力是不等的，從3-b圖可以看出，在斷層處三向應(yīng)力也都是不連續(xù)的。圖3 不同勘探線隨垂深變化的三向地應(yīng)力(a) 副立井位置(b) 距副立井350 m(穿越2個(gè)斷層)國家精品課程網(wǎng)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(nèi)沒有斷層，水平應(yīng)力分布是連續(xù)光滑的，但由于地層傾向和上覆蓋地層密度的變化，導(dǎo)致水平應(yīng)力和地層的傾斜發(fā)生一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，即傾斜方向的上游水平應(yīng)力高于下游水平應(yīng)力；而巖層傾向橫剖面內(nèi)的水平應(yīng)力高于走向的水平應(yīng)力。圖4 垂深950m水平應(yīng)力分布圖 同一方向上地層的水平應(yīng)力的梯度

6、達(dá)到了約110-3 MPa/m，兩個(gè)方向的水平應(yīng)力不均勻系數(shù)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(wǎng)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(yīng)力在巖層交界面和斷層位置都發(fā)生跳躍。與垂深950 m相比，由硬巖進(jìn)入軟巖硬巖進(jìn)入軟巖后，兩向應(yīng)力的大小關(guān)系，出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，說明兩向水平應(yīng)力的大小之比的變化還是較復(fù)雜，它不僅與巖層傾角有關(guān)，而且與巖體自上而下的剪切模量變化有關(guān)。垂直斷層走向：小垂直斷層走向：小平行斷層走向：大

7、平行斷層走向：大國家精品課程網(wǎng)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 影響地層原巖應(yīng)力不均勻性的因素較多，也較復(fù)雜，如地層的傾角、巖層力學(xué)性質(zhì)、各層厚比例等等，考慮單斜構(gòu)造在煤礦地質(zhì)中的普遍性，以磁西地層條件為基礎(chǔ)，通過數(shù)值分析手段，結(jié)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(guī)律的影響。水平水平傾角傾角厚度厚度之比之比剪切剪切模量模量/Pa1101:43.60E+102202:42.52E+103303:41.44E+10 按照表2改變圖5模型中指標(biāo)層位的3個(gè)因素，研究指標(biāo)層位巖層水平應(yīng)力在3個(gè)因素影響下變化規(guī)律。圖5 單斜構(gòu)造下地層水平原巖應(yīng)力分析模型表2

8、影響因素水平表國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*3、有限元模擬與分析、有限元模擬與分析不均勻應(yīng)力系數(shù)的影響因素次序模型模型編號編號水平應(yīng)力梯度水平應(yīng)力梯度水平應(yīng)力均值水平應(yīng)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

9、.02E-035.9566.7371.131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(tǒng)計(jì)結(jié)果表傾角傾角厚度厚度之之比比剪切剪切模量模量三三項(xiàng)和項(xiàng)和K1j3.0463.362.941三項(xiàng)和三項(xiàng)和K2j3.2033.1023.22三項(xiàng)和三項(xiàng)和K3j3.3593.1463.447極差極差Rj0.1040.0860.169表4 水平原巖應(yīng)力影響因素

10、分析表影響因素次序剪切模量傾角厚度之比123兩向兩向不均勻應(yīng)力系數(shù)是指兩垂直方向應(yīng)力不均勻應(yīng)力系數(shù)是指兩垂直方向應(yīng)力Sx和和Sy之比之比：國家精品課程網(wǎng)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(guān)系32EEE=-0.058-0.03-0.012+1.21=0.932+0.0522水平應(yīng)力梯度變化規(guī)律水平應(yīng)力梯度變化規(guī)律水平應(yīng)力梯度是指在同一地層，同一標(biāo)高的原巖水平地應(yīng)力的大小變化率，表現(xiàn)出與地層傾斜的線性相關(guān)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(yīng)力梯度范圍一般在10-310-4MPa/m的變化數(shù)量級，對一般的設(shè)計(jì)影響不大

11、。巖體不均勻應(yīng)力系數(shù)與彈性模量之比 成反比關(guān)系E地層不均勻應(yīng)力系數(shù)與地層傾角成正比關(guān)系回歸公式2）與地層地層傾角的關(guān)系回歸公式國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*垂深位置m井壁結(jié)構(gòu)厚度mm混凝土等級鋼筋備注內(nèi)層外層內(nèi)層外層-7-140雙層+塑夾層600500C50內(nèi)外緣 環(huán)22250縱22250內(nèi)壁徑筋6.5500-140-240雙層+塑夾層600500C55內(nèi)外緣 環(huán)22200縱22250內(nèi)緣環(huán)22200內(nèi)壁徑筋6.5500-240-250單層+網(wǎng)噴600+700C55內(nèi)、中：環(huán)22200縱22250外緣 環(huán)22200縱22200全厚徑筋6.5500-250-255單層600C55內(nèi)外環(huán)筋2

12、2200縱22150全厚徑筋6.5500-255-610單層600C40無素混凝土-610-700單層700C45無素混凝土-700-1100單層700C45內(nèi)環(huán)22200縱22250-1100-1200單層800C60內(nèi)外環(huán)向筋環(huán)22200縱22250全厚徑向筋6.5500-1200-1311單層900C60內(nèi)外環(huán)22200縱22250全厚徑向箍筋6.5500表5 磁西井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況項(xiàng)目概況項(xiàng)目概況國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*3、磁西副井監(jiān)測方案與實(shí)施、磁西副井監(jiān)測方案與實(shí)施1 1、監(jiān)測井壁、監(jiān)測井壁外緣外緣混凝土環(huán)向、縱向及徑向應(yīng)變變化；混凝土環(huán)向、縱向及徑向應(yīng)變變化；2 2、監(jiān)

13、測井壁、監(jiān)測井壁內(nèi)緣內(nèi)緣100mm100mm處混凝土環(huán)向和縱向應(yīng)變變化；處混凝土環(huán)向和縱向應(yīng)變變化；3 3、監(jiān)測井壁、監(jiān)測井壁內(nèi)緣內(nèi)緣環(huán)向和縱向鋼筋受力變化；環(huán)向和縱向鋼筋受力變化；4 4、監(jiān)測井壁外緣總壓力；、監(jiān)測井壁外緣總壓力；5 5、監(jiān)測井壁外側(cè)水壓、監(jiān)測井壁外側(cè)水壓監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測位置監(jiān)測位置國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*磁西副井監(jiān)測方案與實(shí)施磁西副井監(jiān)測方案與實(shí)施儀器準(zhǔn)備和安裝傳感器準(zhǔn)備傳感器準(zhǔn)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(shè)傳感器線路鋪設(shè)基站安裝基站安裝數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 第一水平在第一水平在20132013年年1 1月月2424日埋設(shè)日

14、埋設(shè)，2 2月月2424日進(jìn)行了初測，在日進(jìn)行了初測，在6 6月月2727日，在井筒施工返回到馬頭門時(shí)日，在井筒施工返回到馬頭門時(shí)，進(jìn)行第三次數(shù)據(jù)檢測，在，進(jìn)行第三次數(shù)據(jù)檢測，在7 7月月1212日實(shí)現(xiàn)了自動采集功能，至日實(shí)現(xiàn)了自動采集功能，至1111月月7 7日之間進(jìn)行了日之間進(jìn)行了3 3次集中數(shù)據(jù)收集。次集中數(shù)據(jù)收集。第一水平共埋設(shè)第一水平共埋設(shè)2727個(gè)傳感器個(gè)傳感器，正，正常工作的常工作的2626個(gè)，有效果的有個(gè)，有效果的有2121個(gè)個(gè)傳感器傳感器，反應(yīng)了歷時(shí)，反應(yīng)了歷時(shí)288288天的井筒天的井筒井壁的力學(xué)反應(yīng)特征。井壁的力學(xué)反應(yīng)特征。 第二水平埋設(shè)時(shí)間是第二水平埋設(shè)時(shí)間是20132

15、013年年4 4月月1616日日，埋設(shè)位置方位和第一水，埋設(shè)位置方位和第一水平相同。第二水平埋設(shè)了井壁外平相同。第二水平埋設(shè)了井壁外緣三向共緣三向共9 9個(gè)應(yīng)變計(jì)，內(nèi)緣的兩向個(gè)應(yīng)變計(jì)，內(nèi)緣的兩向共共6 6應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)，2 2向共向共6 6個(gè)鋼筋計(jì)，個(gè)鋼筋計(jì)，3 3個(gè)壓力盒，東北方向一處井壁內(nèi)個(gè)壓力盒，東北方向一處井壁內(nèi)2 2個(gè)溫度計(jì)，共個(gè)溫度計(jì)，共2626個(gè)傳感器，正常個(gè)傳感器，正常工作的工作的2222個(gè)，有效果的有個(gè)，有效果的有2020個(gè)傳個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。感器數(shù)據(jù)。國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*4 4、實(shí)測對比分析、實(shí)測對比分析1 1、第一主應(yīng)變是環(huán)向壓應(yīng)變、第一主應(yīng)變是環(huán)向壓應(yīng)變 第

16、二是豎向壓應(yīng)變，第三是徑向壓應(yīng)變第二是豎向壓應(yīng)變，第三是徑向壓應(yīng)變2 2、三個(gè)測點(diǎn)結(jié)果表明其井壁外緣受力不均勻性、三個(gè)測點(diǎn)結(jié)果表明其井壁外緣受力不均勻性3 3、三個(gè)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果發(fā)展變化呈現(xiàn)相似性、三個(gè)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果發(fā)展變化呈現(xiàn)相似性4 4、最大混凝土應(yīng)變出現(xiàn)在東北方位的環(huán)向應(yīng)變?yōu)?、最大混凝土?yīng)變出現(xiàn)在東北方位的環(huán)向應(yīng)變?yōu)?093.31093.3環(huán)向應(yīng)變發(fā)展曲線環(huán)向應(yīng)變發(fā)展曲線豎向應(yīng)變發(fā)展曲線豎向應(yīng)變發(fā)展曲線徑向應(yīng)變發(fā)展曲線徑向應(yīng)變發(fā)展曲線環(huán)向應(yīng)變最大為環(huán)向應(yīng)變最大為1093.3豎向豎向 應(yīng)變最大為應(yīng)變最大為699.025徑向應(yīng)變最大為徑向應(yīng)變最大為437.96第一水平井壁外緣應(yīng)變第一水平井壁

17、外緣應(yīng)變國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*4 4、實(shí)測對比分析、實(shí)測對比分析1 1、內(nèi)緣井壁應(yīng)變來看，雖然最大應(yīng)變出現(xiàn)在豎向，但整體上環(huán)向應(yīng)變?nèi)?、?nèi)緣井壁應(yīng)變來看，雖然最大應(yīng)變出現(xiàn)在豎向，但整體上環(huán)向應(yīng)變?nèi)匀皇亲畲髴?yīng)變，平均值為然是最大應(yīng)變，平均值為568 u，豎向壓應(yīng)變平均值為，豎向壓應(yīng)變平均值為435 u2 2、內(nèi)緣井壁同樣呈現(xiàn)受力的不均勻性、內(nèi)緣井壁同樣呈現(xiàn)受力的不均勻性3 3、井壁內(nèi)緣應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律大致和外緣應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律相同、井壁內(nèi)緣應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律大致和外緣應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律相同環(huán)向應(yīng)變發(fā)展曲線環(huán)向應(yīng)變發(fā)展曲線豎向應(yīng)變發(fā)展曲線豎向應(yīng)變發(fā)展曲線環(huán)向應(yīng)變最大為環(huán)向應(yīng)變最大為771.77豎向

18、應(yīng)變最大為豎向應(yīng)變最大為910.167第一水平井壁內(nèi)緣應(yīng)變第一水平井壁內(nèi)緣應(yīng)變國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*4 4、實(shí)測對比分析、實(shí)測對比分析1 1、鋼筋受力發(fā)展曲線與內(nèi)緣混凝土應(yīng)變發(fā)展曲線呈現(xiàn)相似性。、鋼筋受力發(fā)展曲線與內(nèi)緣混凝土應(yīng)變發(fā)展曲線呈現(xiàn)相似性。2 2、環(huán)向鋼筋受壓力大于豎向鋼筋受的壓力，環(huán)向鋼筋平均受到、環(huán)向鋼筋受壓力大于豎向鋼筋受的壓力，環(huán)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?jǐn)偅瑝簯?yīng)力為攤，壓應(yīng)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22mm

19、22mm鋼筋的面積分?jǐn)偟玫綁簯?yīng)力鋼筋的面積分?jǐn)偟玫綁簯?yīng)力55.4MPa55.4MPa，前者是后者的，前者是后者的1.961.96倍。比內(nèi)緣應(yīng)變環(huán)豎之比倍。比內(nèi)緣應(yīng)變環(huán)豎之比1.571.57略高。略高。環(huán)向受力發(fā)展曲線環(huán)向受力發(fā)展曲線豎向受力發(fā)展曲線豎向受力發(fā)展曲線環(huán)向受力最大為環(huán)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(nèi)緣鋼筋受力第一水平井壁內(nèi)緣鋼筋受力國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*4 4、實(shí)測對比分析、實(shí)測對比分析 觀測點(diǎn) 項(xiàng)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(huán)向微應(yīng)變1.8812.15-771-568-68

20、2鋼筋受力kN1.1311.36-51-41-44換算應(yīng)力/MPa按直徑22mm鋼筋計(jì)算-134-108-116折算 應(yīng)變-671-540-579表4 井筒垂深1208m井壁實(shí)測結(jié)果按照混凝土和鋼筋變形的協(xié)調(diào)一致性規(guī)律，可將實(shí)測鋼筋的受力換算成應(yīng)變，和井壁混凝土應(yīng)變實(shí)測結(jié)果相比 ，二者無論數(shù)值還是大小分布的方位都一致，應(yīng)變數(shù) 值 誤 差 在5%16%之間。最小最大大致表現(xiàn)出原巖應(yīng)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(xiàn)象， 二者總體一致。國家精品課程網(wǎng)上資源的可用性研究/*4 4、實(shí)測對比分析、實(shí)測對比分析 1)(2PPrthows包神井壁計(jì)算公式crccrGG2-11

21、,GG-1）（式中：式中： 為為井筒井筒凈凈半半徑徑； 為為混凝土材料強(qiáng)度混凝土材料強(qiáng)度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值值， 與與混凝土混凝土圍圍巖材料相巖材料相關(guān)關(guān)的材料系的材料系數(shù)數(shù)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(wǎng)上資源的可用性研究/*4 4、實(shí)測對比分析、實(shí)測對比分析從磁西副立井垂深1208 m的水平應(yīng)力有限元數(shù)值分析來看，井筒附近的水平原巖應(yīng)力大約在8.378.45 MPa之間。計(jì)算結(jié)果偏小的原因是井壁是短段掘進(jìn)后砌上去的，有一定的應(yīng)力釋放?？傮w數(shù)據(jù)范圍是合理一致的。22c ocoici2oc(2 )12( )1217.889 MPaK rGrrPrr 將副井1208 m