超千米井筒原岩应力的数值分析.

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:周晓敏教授国家精品课程网上资源的可用性研究/***汇报提纲引言工程背景有限元模拟与分析实测对比分析结论12345国家精品课程网上资源的可用性研究/***1、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，研究各岩体层厚国家精品课程网上资源的可用性研究/***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。国家精品课程网上资源的可用性研究/***2、工程背景图1副立井广场地层构造剖面图国家精品课程网上资源的可用性研究/***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国家精品课程网上资源的可用性研究/***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：国家精品课程网上资源的可用性研究/***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)距副立井350m(穿越2个断层)国家精品课程网上资源的可用性研究/***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：小国家精品课程网上资源的可用性研究/***3、有限元模拟与分析对于垂深1079m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：大国家精品课程网上资源的可用性研究/***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影响因素水平表国家精品课程网上资源的可用性研究/***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26.76E-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61.16E-034.87E-045.2765.250.995模型71.61E-031.03E-035.575.781.052模型81.39E-034.46E-045.5965.3180.95模型92.36E-031.05E-035.4416.1071.122表3正交分析统计结果表倾角厚度之比剪切模量三项和K1j3.0463.362.941三项和K2j3.2033.1023.22三项和K3j3.3593.1463.447极差Rj0.1040.0860.169表4水平原岩应力影响因素分析表影响因素次序剪切模量倾角厚度之比123两向不均匀应力系数是指两垂直方向应力Sx和Sy之比：λ国家精品课程网上资源的可用性研究/***3、有限元模拟与分析1）与地层剪切模量的关系32EEE=-0.058-0.03-0.012+1.21=0.932+0.0522水平应力梯度变化规律水平应力梯度是指在同一地层，同一标高的原岩水平地应力的大小变化率，表现出与地层倾斜的线性相关性，第一影响因素为岩层倾角，第二影响因素为剪切模量，最后是岩层厚度之比；应力梯度范围一般在10-3~10-4MPa/m的变化数量级，对一般的设计影响不大。岩体不均匀应力系数λ与弹性模量之比成反比关系E地层不均匀应力系数λ与地层倾角φ成正比关系回归公式2）与地层地层倾角φ的关系回归公式国家精品课程网上资源的可用性研究/***垂深位置m井壁结构厚度mm混凝土等级钢筋备注内层外层内层外层-7~-140双层+塑夹层600500C50内外缘环22@250纵22@250内壁径筋6.5@500-140~-240双层+塑夹层600500C55内外缘环22@200纵22@250内缘环22@200内壁径筋6.5@500-240~-250单层+网喷600+700C55内、中：环22@200纵22@250外缘环22@200纵22@200全厚径筋6.5@500-250~-255单层600C55内外环筋22@200纵22@150全厚径筋6.5@500-255~-610单层600C40无素混凝土-610~-700单层700C45无素混凝土-700~-1100单层700C45内环22@200纵22@250-1100~-1200单层800C60内外环向筋环22@200纵22@250全厚径向筋6.5@500-1200~-1311单层900C60内外环22@200纵22@250全厚径向箍筋6.5@500表5磁西井壁结构设计概况项目概况国家精品课程网上资源的可用性研究/***3、磁西副井监测方案与实施1、监测井壁外缘混凝土环向、纵向及径向应变变化；2、监测井壁内缘100mm处混凝土环向和纵向应变变化；3、监测井壁内缘环向和纵向钢筋受力变化；4、监测井壁外缘总压力；5、监测井壁外侧水压监测内容监测位置第一埋设水平第二埋设水平国家精品课程网上资源的可用性研究/***磁西副井监测方案与实施仪器准备和安装传感器准备采集仪防水处理压力盒的安装传感器线路铺设基站安装数据采集第一水平在2013年1月24日埋设，2月24日进行了初测，在6月27日，在井筒施工返回到马头门时，进行第三次数据检测，在7月12日实现了自动采集功能，至11月7日之间进行了3次集中数据收集。第一水平共埋设27个传感器，正常工作的26个，有效果的有21个传感器，反应了历时288天的井筒井壁的力学反应特征。第二水平埋设时间是2013年4月16日，埋设位置方位和第一水平相同。第二水平埋设了井壁外缘三向共9个应变计，内缘的两向共6应变计，2向共6个钢筋计，3个压力盒，东北方向一处井壁内2个温度计，共26个传感器，正常工作的22个，有效果的有20个传感器数据。国家精品课程网上资源的可用性研究/***4、实测对比分析1、第一主应变是环向压应变第二是竖向压应变，第三是径向压应变2、三个测点结果表明其井壁外缘受力不均匀性3、三个测点的监测结果发展变化呈现相似性4、最大混凝土应变出现在东北方位的环向应变为1093.3με环向应变发展曲线竖向应变发展曲线径向应变发展曲线环向应变最大为1093.3με竖向应变最大为699.025με径向应变最大为437.96με第一水平井壁外缘应变国家精品课程网上资源的可用性研究/***4、实测对比分析1、内缘井壁应变来看，虽然最大应变出现在竖向，但整体上环向应变仍然是最大应变，平均值为568uε，竖向压应变平均值为435uε2、内缘井壁同样呈现受力的不均匀性3、井壁内缘应变的发展规律大致和外缘应变的发展规律相同环向应变发展曲线竖向应变发展曲线环向应变最大为771.77με竖向应变最大为910.167με第一水平井壁内缘应变国家精品课程网上资源的可用性研究/***4、实测对比分析1、钢筋受力发展曲线与内缘混凝土应变发展曲线呈现相似性。2、环向钢筋受压力大于竖向钢筋受的压力，环向钢筋平均受到41.2KN作用力，按22mm钢筋的面积分摊，压应力为108.4MPa，而竖向钢筋受到作用力为21.KN，按22mm钢筋的面积分摊得到压应力55.4MPa，前者是后者的1.96倍。比内缘应变环竖之比1.57略高。环向受力发展曲线竖向受力发展曲线环向受力最大为50.83KN竖向受力最大为27.32KN第一水平井壁内缘钢筋受力国家精品课程网上资源的可用性研究/***4、实测对比分析观测点项目观测值大小的比例最大值总平均取两近者平均北偏西58°东北45°东偏南75°砼环向微应变1.8812.15-771-568-682钢筋受力kN1.1311.36-51-41-44换算应力/MPa按直径22mm钢筋计算-134-108-116折算应变-671-540-579表4井筒垂深1208m井壁实测结果按照混凝土和钢筋变形的协调一致性规律，可将实测钢筋的受力换算成应变，和井壁混凝土应变实测结果相比，二者无论数值还是大小分布的方位都一致，应变数值误差在5%~16%之间。最小最大大致表现出原岩应力在倾斜上位（以井筒中心的西北方向）和断层走向（东北）方向偏高现象，二者总体一致。国家精品课程网上资源的可用性研究/***4、实测对比分析1)(2PPrthows包神井壁计算公式crccrGG2-11,GG-1）（式中：为井筒净半径；为混凝土材料强度标准值，与混凝土围岩材料相关的材料系数sr、crcrccrGGGG2-11GG-1、，）（、分别为围岩与衬砌材料的剪切模量，为井壁衬砌的柏松比。c围岩井壁orirr'wppp'ooowpppop'wpppabc国家精品课程网上资源的可用性