超千米井筒原岩应力的数值分析ppt课件.ppt

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1、超千米深井不均匀原岩应力场有限元模型研究北京科技大学2015年10月31号汇报人:周晓敏教授汇报提纲123451、引言原岩应力结构载荷公路铁路采矿自重应力构造应力金尼克公式数值计算地下工程界越来越关注传统概念只局限于衬砌界面所受到的作用力本文根据磁西矿区地质构造条件，建立超千米深地层原岩应力有限元模型，研究各岩体层厚、力学性质的差异、断层、倾斜等对原岩应力不均匀性规律的影响，为井筒井壁设计和矿井开采提供参考。件，建立超千米深地层原岩应力有限元模型，研究各岩体层厚2、工程背景磁西一号井田位于河北省邯郸市峰峰矿区东部，行政区划隶属

2、磁县和峰峰矿区管辖，其在构造上处于华北断块区，吕梁-太行断块的太行山前断裂带影响范围内。井筒附近存在的两个断层以NNE、NEE向断裂为主，均为正断层，倾角一般60°~70°，落差70m~80m。副立井深入二叠系下统山西组。井筒附近的地层产状为：走向为N30°～50°E，倾向SE，倾角为18.6°。本井田内新生界松散及半固结沉积物全部覆盖，依据副立井检查孔报告，钻孔揭露地层自下而上为二叠系下统下石盒子组P1x，上统上石盒子组共四段P2S1~P2S4、石千峰组二段P2sh1和P2sh2；三叠系下统刘家沟组T11，和新近系Q+R。2、

3、工程背景图1副立井广场地层构造剖面图3、有限元模拟与分析建立与地质柱状条件和地质构造一致的平面应变力学有限元模型。模型以副立井为中心，两侧各850m，垂深1600m，几何范围覆盖井筒保护煤柱的范围，-Y为垂深方向，XY平面为地层走向的横切面。图2磁西原始地应力场有限元分析几何模型倾斜上方倾斜下方3、有限元模拟与分析(1)以实勘的岩层倾斜、断层为既成条件，而造成该地区构造的原动力已经得到释放；(2)整体竖向加载自重应力场，与自重加速度相比，水平加速度忽略不计；体积力—重力场(3)上边界地表是自由边界，深部1600m为固定位移的下边

4、界，左右两侧均为约束水平位移滚珠边界，半径范围850m；(4)将同一年代岩性归类，岩层倾斜界面和断层线为内部几何边界，但都视为完全弹性接触，同年代地层的物理力学性质采用统计均值，且不考虑各向异性。建立磁西矿井筒原岩应力场的有限元数值模型时，边界条件和假定如下：3、有限元模拟与分析在副立井位置和距离副立井350m两个位置设置两条垂直向下勘探线上，可得到垂直应力和水平应力沿着这两条勘探线深度的变化，两个水平应力是不等的，从3-b图可以看出，在断层处三向应力也都是不连续的。图3不同勘探线随垂深变化的三向地应力(a)副立井位置(b)距副

5、立井350m(穿越2个断层)3、有限元模拟与分析截取井筒垂深950m深度的水平线上400m范围内没有断层，水平应力分布是连续光滑的，但由于地层倾向和上覆盖地层密度的变化，导致水平应力和地层的倾斜发生一定关联关系，即倾斜方向的上游水平应力高于下游水平应力；而岩层倾向横剖面内的水平应力高于走向的水平应力。图4垂深950m水平应力分布图同一方向上地层的水平应力的梯度达到了约1×10-3MPa/m，两个方向的水平应力不均匀系数在1.03~1.04之间。倾斜上方倾斜下方垂直断层走向：大平行断层走向：小3、有限元模拟与分析对于垂深1079m

6、和1208m，同一水平若遭遇岩层界面变化或断层，水平应力在岩层交界面和断层位置都发生跳跃。与垂深950m相比，由硬岩进入软岩后，两向应力的大小关系，出现了反转，说明两向水平应力的大小之比的变化还是较复杂，它不仅与岩层倾角有关，而且与岩体自上而下的剪切模量变化有关。垂直断层走向：小平行断层走向：大3、有限元模拟与分析影响地层原岩应力不均匀性的因素较多，也较复杂，如地层的倾角、岩层力学性质、各层厚比例等等，考虑单斜构造在煤矿地质中的普遍性，以磁西地层条件为基础，通过数值分析手段，结合正交分析方法，研究一下单斜地层的原岩不均匀规律的影

7、响。水平倾角厚度之比剪切模量/Pa110°1:43.60E+10220°2:42.52E+10330°3:41.44E+10按照表2改变图5模型中指标层位的3个因素，研究指标层位岩层水平应力在3个因素影响下变化规律。图5单斜构造下地层水平原岩应力分析模型表2影响因素水平表3、有限元模拟与分析不均匀应力系数的影响因素次序模型编号水平应力梯度水平应力均值比值Sx方向Sz方向Sx方向Sz方向Sx/Sy(-MPa/m)(-MPa/m)(-MPa)(-MPa)模型16.67E-042.92E-044.8684.8470.996模型26.7

8、6E-043.54E-045.7775.8991.021模型37.01E-044.91E-046.887.0791.029模型41.81E-037.14E-045.3225.7331.077模型51.93E-031.02E-035.9566.7371.131模型