煤炭矿井三维地应力场优化反演方法、系统、介质及应用技术方案

本发明专利技术属于矿产能源及深部岩土工程生产技术领域，公开了一种煤炭矿井三维地应力场优化反演方法、系统、介质及应用，通过获取深部煤炭生产过程的数据构建精细化地质模型；同时确定煤岩物理力学属性参数以及实测点的地应力大小及方位，构建有限元数值模型、煤炭矿井地应力最优化反演模型，确定最优边界约束和边界荷载施，进行正向计算分析，得到煤炭矿井三维地应力场数据体；将三维地应力数据体进行分析处理，得到研究矿井三维地应力分布特征及其变化规律。本发明专利技术能够在各种性质迥异、结构复杂的煤系地层赋存特点和自然地质构造及人为工程影响的前提下，较为准确地确定矿井地应力场分析模型的边界条件，分析整个矿井区域内三维地应力的分布规律。地应力的分布规律。地应力的分布规律。

【技术实现步骤摘要】
煤炭矿井三维地应力场优化反演方法、系统、介质及应用


[0001]本专利技术属于矿产能源及深部岩土工程生产
，尤其涉及一种煤炭矿井三维地应力场优化反演方法、系统、介质及应用。

技术介绍

[0002]目前，中国95％以上的煤炭资源是通过井工开采的，每年在井下新掘的煤岩巷道长度超过10,000km。随着开采深度的增加,地应力增大、涌水量加大、地温升高等深部地质环境愈加复杂，开巷前围岩处于高地应力状态，而且构造应力场复杂；开巷后围岩中出现很高的集中应力和偏应力，引起围岩变形特征发生显著变化，表现出明显的软岩特性，深部工程灾害日益严重。而地应力是地质岩体受工程扰动前存在于地壳中的初始应力，是引起矿山井巷围岩变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析以及实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。因此，深部矿井地应力测试分析及三维地应力场数值模拟变得尤为重要，十分有必要在地应力原位测量的基础上，利用先进的数学、力学及计算机科学深入开展地应力场的预测分析工作并进行误差估算，掌握深部矿井地应力分布特征及变化规律，为研究巷道变形破坏机理、采场覆岩移动规律及其它工程活动提供原始数据资料。
[0003]虽然，近年来国内外许多学者对地应力原位测试基本原理、应变计结构特征、具体应用方法论述较为充分，为地应力的原位测量奠定了坚实基础。但目前对于矿井地应力的了解仍主要依靠现场少有的几个原位实测信息，由于地应力原位测量仅针对一些离散点进行，测量数据有限、针对性强，不能从场的角度进行研究，无法给出普遍意义上的分布规律。此外，由于岩体介质本身具有复杂性而且包含了许多随机性、模糊性和不确定性因素，致使深部煤炭矿井地应力分布规律依然不清晰，仍是当今世界采矿及地下岩体工程中的一项重要而极其复杂的技术问题。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的煤炭矿井三维地应力场优化反演方法结果不明确，且难以对应力场边界载荷进行反演。
[0005]解决以上问题及缺陷的难度为：由于地下岩体在漫长沉积演化过程中，受到各种地质作用的影响，导致煤炭矿井煤系地层呈现出受多种节理裂隙切割的非均质、非连续、各向异性的复杂介质，地应力分布特征和变化规律十分复杂。此外，地下岩体工程与地面结构工程最大的区别就是研究对象边界范围不明确，地应力在采掘工程之前就已存在，导致荷载作用方式及大小均不容易确定，加之煤炭矿井地应力场受到多次采掘影响，其大小和方向均可能发生很大改变，进一步增加了矿井地应力场研究的难度。
[0006]解决以上问题及缺陷的意义为：因此，十分有必要综合利用现场调研、原位测试、室内试验、计算及数值模拟等多技术手段，挖掘煤炭矿井现场勘探、资源评价、建井、生产等过程的数据资料，充分借助现代数学、力学、计算机等知识建立基于多目标约束技术的矿井地应力场优化反分析模型，获得煤炭矿井地应力分布特征及其变化规律，查明地应力变随深度、构造位置、断裂及采掘工程等的变化规律，对确定采场合理部署方案、巷道断面形状、
支护方式、结构及其参数选择是非常必要的，同时还能为今后的科学研究和合理高效回采提供有效基础数据和理论依据。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种煤炭矿井三维地应力场优化反演方法、系统、介质及应用。
[0008]本专利技术是这样实现的，一种煤炭矿井三维地应力场优化反演方法，所述煤炭矿井三维地应力场优化反演方法包括：
[0009]步骤一，获取深部煤炭生产企业在矿井勘探、开拓准备、巷道掘进与维护、通防钻孔、工作面回采及相应过程中采集得到的大量多源数据信息，并基于获取的多源数据信息构建精细化地质模型；其积极作用是构建符合煤炭矿井实际煤系地层结构特征和采掘工程分布信息的精细化地质模型
[0010]步骤二，利用室内试验、现场原位观测、数理统计及其他方法确定不同层位、不同岩性的煤岩物理力学属性参数；其积极作用是确保前述地质模型中的物理力学属性符合工程地质实际情况，保证后续有限元计算结果的准确性
[0011]步骤三，确定矿井部分实测点的地应力大小及方位，将步骤一构建的精细化地质模型进行有限元网格剖分，并将所述精细化地质模型中不同煤系地层赋予步骤二中确定的相应物理力学参数，构建有限元数值模型；其积极作用是根据有限元模型思想，将非均质、非连续、各向异性的复杂介质细分成能够利用理论公式计算的微小单元集合体，且能够适应现有计算软硬件条件。
[0012]步骤四，基于区域构造运动规律根据研究区块构造应力的来源，进行边界区分，并进行有限元正向计算分析；本步骤的积极作用是充分考虑地质运动和地质作用的影响，区分对待不同位置或区域的边界条件，使数值计算结果更为准确。
[0013]步骤五，利用多目标约束的最优化方法构建煤炭矿井地应力最优化反演模型即建立由实测点地应力大小和方位组合而成的目标函数，确定最优边界约束和边界荷载；本步骤是该专利技术专利的核心，其积极作用是利用前述精细化模型和已经测量得到的离散点地应力大小和方向，通过多次方法的计算分析自动获得能够最佳拟合实测数据的地应力模型约束形式和边界荷载。
[0014]步骤六，将得到的最优边界约束和边界荷载施加到步骤三的有限元数值分析模型，并进行正向计算分析，即可得到煤炭矿井三维地应力场数据体；将三维地应力数据体进行分析处理，即可得到研究矿井三维地应力分布特征及其变化规律。该步骤的有益作用是利用计算机数值分析获得煤炭矿井任意位置的三向地应力大小、倾角和方位数据，通过不同位置地应力信息对比分析即可获得其受深度、构造、采动等因素的影响规律，进而为矿井设计、施工与安全生产提供重要保障。
[0015]进一步，步骤三中，所述确定矿井部分实测点的地应力大小及方位包括：利用空心包体应力计法、水压致裂法、岩心声发射和古地磁定向法或其他方法确定研究矿井部分实测点的地应力大小及方位。
[0016]进一步，步骤四中，所述进行边界区分，并进行有限元正向计算分析包括：区分主动力边界和被动力边界，并将主动力边界取为荷载边界，被动力边界取为约束边界；同时在
模型表面和四周施加一组初始荷载，进行有限元正向计算分析。
[0017]进一步，步骤五中，所述确定最优边界约束和边界荷载包括：将确定的实测点地应力大小和方位为约束条件，利用最优化算法不断调整边界条件及荷载进行反复运算，直至确定得到可最优拟合实测地应力信息的边界约束与边界荷载。
[0018]本专利技术的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0019]获取深部煤炭生产企业在矿井勘探、开拓准备、巷道掘进与维护、通防钻孔、工作面回采及相应过程中采集得到的大量多源数据信息，并基于获取的多源数据信息构建精细化地质模型；
[0020]利用室内试验、现场原位观测、数理统计及其他方法确定不同层位、不同岩性的煤岩物理力学属性参数；
[0021]确定矿井部分实测点的地应力大小及方位，将步骤一构建的精细化地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤炭矿井三维地应力场优化反演方法，其特征在于，所述煤炭矿井三维地应力场优化反演方法包括：获取深部煤炭生产企业在矿井勘探、开拓准备、巷道掘进与维护、通防钻孔、工作面回采及相应过程中采集得到的大量多源数据信息，并基于获取的多源数据信息构建精细化地质模型；利用室内试验、现场原位观测、数理统计及其他方法确定不同层位、不同岩性的煤岩物理力学属性参数；确定矿井部分实测点的地应力大小及方位，将构建的精细化地质模型进行有限元网格剖分，并将所述精细化地质模型中不同煤系地层赋予确定的相应物理力学参数，构建有限元数值模型；基于区域构造运动规律根据研究区块构造应力的来源，进行边界区分，并进行有限元正向计算分析；利用多目标约束的最优化方法构建煤炭矿井地应力最优化反演模型即建立由实测点地应力大小和方位组合而成的目标函数，确定最优边界约束和边界荷载；将得到的最优边界约束和边界荷载施加到有限元数值分析模型，并进行正向计算分析，得到煤炭矿井三维地应力场数据体；将三维地应力数据体进行分析处理，得到矿井三维地应力分布特征及其变化规律。2.如权利要求1所述煤炭矿井三维地应力场优化反演方法，其特征在于，所述确定矿井部分实测点的地应力大小及方位包括：利用空心包体应力计法、水压致裂法、岩心声发射和古地磁定向法或其他方法确定研究矿井部分实测点的地应力大小及方位。3.如权利要求1所述煤炭矿井三维地应力场优化反演方法，其特征在于，所述进行边界区分，并进行有限元正向计算分析包括：区分主动力边界和被动力边界，并将主动力边界取为荷载边界，被动力边界取为约束边界；同时在模型表面和四周施加一组初始荷载，进行有限元正向计算分析。4.如权利要求1所述煤炭矿井三维地应力场优化反演方法，其特征在于，所述确定最优边界约束和边界荷载包括：将确定的实测点地应力大小和方位为约束条件，利用最优化算法不断调整边界条件及荷载进行反复运算，直至确定得到可最优拟合实测地应力信息的边界约束与边界荷载。5.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：获取深部煤炭生产企业在矿井勘探、开拓准备、巷道掘进与维护、通防钻孔、工作面回采及相应过程中采集得到的大量多源数据信息，并基于获取的多源数据信息构建精细化地质模型；利用室内试验、现场原位观测、数理统计及其他方法确定不同层位、不同岩性的煤岩物理力学属性参数；确定矿井部分实测点的地应力大小及方位，将构建的精细化地质模型进行有限元网格剖分，并将所述精细化地质模型中不同煤系地层赋予中确定的相应物理力学参数，构建有限元数值模型；基于区域构造运动规律根据研究区块构造应力的来源，进行边界区分，并进行有限元
正向计算分析；利用多目标约束的最优化方法构建煤炭矿井地应力最优化反演模型即建立由实测点地应力大小和方位组合而成的目标函数，确定最优边界约束和边界荷载；将得到的最优边界约束和边界荷载施加到有限元数值分析模型，并进行正向计算分析，即可得到煤炭矿井三维地应力场数据体；将三维地应力数据体进行分析处理，即可得到研究矿井三维地应力分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钦节，杨科，付强，王金江，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：