煤矿井下地应力数据库及地应力影响因素研究

摘要

本文搜集了我国煤矿井下1357条地应力资料，其中包括406条应力解除资料和951条水压致裂资料，地应力资料以小孔径水压致裂地应力数据为基础。在此基础上编制了“中国煤矿应力环境数据库”。基于数据库中煤矿井下实测地应力数据，采用理论分析、数理统计和数值模拟等研究方法对我国煤矿井下地应力的分布规律和主要影响因素展开了细致的研究;选取典型矿区，对煤矿井下地应力场反演进行了初步探索。通过本文的研究，取得了如下成果:(1)基于搜集的煤矿井下地应力数据，编制了“中国煤矿应力环境数据库”，对于煤矿井下地应力数据可以进行精确快速查询，结果以地应力地图的形式进行展示，实现了地应力数据的可视化查询。同时，绘制了中国大陆分区煤矿地应力地图和中国煤矿矿区地应力地图。(2)建立了煤矿井下几组典型特征参数随埋深变化的散点图并进行了回归分析。其中，最大、最小水平主应力和垂直应力随埋深变化的线性回归公式:σH=3.267+0.0215H;σh=1.954+0.0113H;σV=0.0245H。最大、平均和最小水平主应力侧压比随埋深变化的回归公式为:KH=160.35/H+0.801;Kav=129.58/H+0.606; Kh=99.86/H+0.405。通过这些特征参数，对煤矿井下地应力分布规律进行了系统研究。(3)在数据库中选取了42组粉砂岩地应力数据，136组细砂岩地应力数据，99组泥质地应力砂岩数据和90组泥岩地应力数据，建立了不同岩性的最大、最小水平主应力和水平剪应力以及平均水平主应力侧压比随埋深的散点图并进行了回归分析，研究了岩性对于地应力分布的影响。(4)在数据库中选取了77组含有测点煤岩体弹性模量和泊松比的地应力数据资料，建立了这些地应力数据的最大、最小水平主应力和垂直应力与埋深和弹性模量的多元线性回归公式:σH=0.0015+0.0366H+0.015E;σh=0.024+0.0186H-0.00099E;σV=0.327+0.0226H-0.0106E。建立了水平剪应力和最大主应力差与埋深H和弹性模量E的多元线性回归公式:σ1-3=0.275+0.018H+0.0205E。通过多元回归和拟合对Sheorey的平均水平主应力侧压比理论公式进行了参数修正的研究。(5)针对煤矿井下地应力与断层滑动判别依据展开了讨论，给出了地应力与断层滑动关系研究的三种模式:逆正型断层滑动最大最小水平主应力模式、断层摩擦滑动最大主应力差模式和莫尔应力圆临界切线模式。(6)以潞安常村煤矿为背景，通过数值模拟对常村煤矿应力场进行了反演。现场实测数据和数值模拟结果具有比较好的一致性。同时，根据地应力反演结果分析了断层和褶曲等地质构造对于构造应力场的影响。

目录

声明

摘要

1．1 选题意义

1．2 研究现状

1．2．1 地应力测量研究历史及发展

1．2．2 国内煤矿地应力测量研究现状

1．2．3 地壳地应力数据库综述

1．2．4 地应力统计规律分析及影响因素研究现状

1．2．5 地应力反演研究综述

1．3 存在的主要问题

1．4 主要研究内容

1．5 研究方法和技术路线

1．6 预期成果

第2章 “中国煤矿应力环境数据库”研发及应用

2．1 数据库基础资料

2．1．1 水压致裂资料

2．1．2 应力解除资料

2．1．3 数据分布统计

2．2 “中国煤矿应力环境数据库”系统

2．2．1 数据库系统的设计思想

2．2．2 地应力资料入库方式及地应力地图绘制

2．2．3 数据库框架及地应力地图

2．3 中国煤矿分区地应力地图

2．4 本章小结

第3章 煤矿井下地应力实测统计规律研究

3．1 地应力测量数据转换

3．2 基础数据的筛选

3．3 煤矿井下地应力随埋深分布规律

3．3．1 垂直应力随埋深分布规律

3．3．2 最大和最小水平主应力随埋深分布规律

3．3．3 侧压系数随埋深的变化规律

3．3．4 最大剪应力随埋深的分布规律

3．4 岩性对于地应力分布的影响

3．4．1 不同岩性最大、最小水平主应力分布规律

3．4．2 不同岩性水平剪应力分布规律

3．4．3 不同岩性平均水平主应力侧压比分布规律

3．5 弹性模量对于地应力分布的影响

3．5．1 最大、最小水平主应力和垂直应力与埋深H和弹性模量E统计规律

3．5．2 地应力差值与埋深H和弹性模量E统计规律

3．5．3 Sheorey理论计算模型参数修正

3．6 本章小结

第4章 煤矿井下地应力与断层滑动关系讨论

4．1 岩石强度准则

4．1．1 库仑抗剪强度准则

4．1．2 莫尔强度理论

4．2 煤矿井下地应力与断层滑动判别依据的讨论

4．2．1 断层的力学机制

4．2．2 地应力与断层滑动关系判据的三种模式

4．2．3 水平剪应力相对大小(μm)与断层滑动关系的讨论

4．3 本章小结

第5章 煤矿井下地应力场反演分析

5．1 常村煤矿三维地质模型

5．1．1 常村煤矿的地质结构

5．1．2 三维地质模型的建立

5．2 数值模型的计算

5．2．1 计算原理

5．2．2 计算过程

5．3 地应力反演结果及分析

5．3．1 自重应力场

5．3．2 构造应力场

5．3．3 应力场反演数值分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果