断层冲击地压发生机制与工程实践.pdf

分类号分类号 学校代码学校代码 UDCUDC 密密 级级 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 断层冲击地压发生机制与工程实践断层冲击地压发生机制与工程实践 Mechanism and engineering practice of fault rockburst 研研 究究 生生 张宁博张宁博 导导 师师 齐庆新齐庆新 研究员研究员 欧阳振华欧阳振华 副研究员副研究员 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 冲击地压灾害防治冲击地压灾害防治 培养单位培养单位 煤科总院开采设计研究分院煤科总院开采设计研究分院 煤炭科学研究总院 2014 年 5 月 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 摘摘 要要 断层冲击地压严重威胁着煤矿的安全生产，而目前的研究对断层冲击地压发生 机制这一关键科学问题尚不能解释得十分清楚。本文采用相似模拟试验和数值模拟 试验研究了采动对断层冲击地压的影响规律，分析了断层冲击地压的发生机制，结 合现场地应力实测和三维地应力场反演，对试验矿井进行了断层冲击地压危险区域 的划定，并通过现场实践进行了验证。研究结果表明开采扰动引起覆岩破裂区向 断层迁移，覆岩裂隙与断层带贯通是引起断层系统失稳、工作面前方煤体冲击的直 接原因；覆岩破坏对断层应力场具有扰动效应，应力场变化导致断层运动状态发生 改变； 开采活动造成断层带应力比出现先降低后增大的变化趋势， 当应力比升高时， 断层滑移速度增大，应力比达到一定水平时，断层发生滑移失稳；通过现场实践， 证明以断层应力比和滑移速度突变来划定断层冲击地压危险区域是合理的。 关键词关键词断层冲击地压；应力比；地应力场反演；发生机制；工程实践 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II Abstract Fault rock-burst severely threatens the safety of coal mine production, howevery the current researches cann’t explain the mechanism of occurrence of fault rock-burst. Based on simulation experiments and numerical experiments, the law of mining influence on fault rock-burst was studied and the mechanism of occurrence of fault rock-burst was analyzed. Combined the in-situ stress measurement and three dimensional back analysis of geo-stress field of test mine, dangerous area of fault rock-burst was confirmed and the result was verified by field practice. The research results showed that, firstly affected by mining disturbance the overlying rock fracture zone extends to fault and connects to fault zone, causing fault instability and coal impact; Secondly destruction of overlying rock has disturbance effects on fault stress field and change of fault stress field leads to fault movement; Thirdly stress ratio shear stress to normal stress on fault plane decreases first and then increase causing by mining movements, and slip velocity of fault increase when stress ratio rises, and when stress ratio reaches a certain level, the fault will be instable; At last, the correctness of mechanism of fault rock-burst and resonation of hazardous areas for fault rock-burst’ occurrence were verified by analysis of site monitoring result. Keywords rock-burst; fault; stress ratio; back analysis of geo-stress field; mechanism; engineering practice 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 目目 录录 1 绪论 .............................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ............................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................. 2 1.2.1 冲击地压机理研究现状.................................. 3 1.2.2 断层冲击地压研究现状.................................. 4 1.2.3 地应力场反演研究现状.................................. 8 1.3 目前研究存在的问题......................................... 12 1.4 研究内容、研究方法及技术路线............................... 13 2 断层冲击地压相似模拟试验 ......................................... 15 2.1 相似模拟试验过程........................................... 16 2.1.1 试验工程背景......................................... 16 2.1.2 模型相似比的确定..................................... 17 2.1.3 相似材料及配比....................................... 18 2.1.4 模型的铺设........................................... 21 2.1.5 监测方案............................................. 21 2.1.6 模拟开采............................................. 22 2.2 试验结果分析............................................... 27 2.2.1 覆岩破坏诱发断层冲击地压的位移场演化特征分析......... 27 2.2.2 工作面煤体应力变化规律............................... 30 2.2.3 断层带位移场演化规律................................. 31 2.2.4 覆岩损伤变形特征分析................................. 33 2.3 本章小结 ................................................... 39 3 断层冲击地压发生机制研究 ......................................... 41 3.1 断层滑移失稳过程研究....................................... 41 3.1.1 3DEC 简介 ............................................ 41 3.1.2 断层数值模拟......................................... 41 3.1.3 结果分析............................................. 43 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 3.2 采动诱发断层冲击地压发生机制研究........................... 47 3.2.1 覆岩运移对断层应力场的扰动效应....................... 47 3.2.2 断层应力场变化诱发冲击地压........................... 48 3.2.3 覆岩破坏、应力场演化和断层冲击地压之间的关系......... 50 3.3 本章小结................................................... 52 4 地应力测量及三维地应力场反演 ..................................... 53 4.1 集贤煤矿地应力测量......................................... 53 4.1.1 应力解除法测地应力原理............................... 53 4.1.2 现场测点及位置....................................... 57 4.1.3 测试结果及其分析..................................... 60 4.2 西二采区三维地应力场反演................................... 61 4.2.1 多元线性回归分析基本原理............................. 62 4.2.2 集贤煤矿西二采区地应力反演回归分析................... 64 4.3 西二采区应力场分布特征..................................... 70 4.3.1 原岩应力场分布特征................................... 70 4.3.2 开采扰动应力场分布特征............................... 75 4.4 本章小结 ................................................... 78 5 集贤煤矿断层冲击地压预测 ......................................... 79 5.1 集贤煤矿西二采区一片工作面概况............................. 79 5.1.1 工作面地质条件....................................... 79 5.1.2 煤层冲击倾向性....................................... 80 5.1.3 工作面冲击地压现状................................... 81 5.2 西二采区一片工作面断层冲击地压预测......................... 82 5.2.1 基于地应力场反演的断层冲击地压数值分析............... 82 5.2.2 断层冲击地压解危措施................................. 86 5.3 西二采区一片工作面断层冲击地压监测预警 ..................... 88 5.3.1 微震监测............................................. 88 5.3.2 支架阻力监测......................................... 91 5.3.3 电磁辐射监测......................................... 92 煤炭科学研究总院硕士学位论文 III 5.4 本章小结................................................... 93 6 结论与展望 ....................................................... 95 6.1 主要结论................................................... 95 6.2 展望....................................................... 96 参考文献 ........................................................... 97 致 谢 ............................................................ 104 作者简介 .......................................................... 105 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 冲击地压是煤矿开釆中常见的一类煤岩动力灾害。全国科学技术名词审定委员 会将冲击地压定义为“井巷或工作面周围煤岩体，由于弹性变性能的瞬时释放，而 产生的突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体的抛出、巨响及气浪等” 。冲击地压 的发生一般具有突发、急剧、猛烈的特点，同时造成设备、巷道的破坏以及人员的 伤亡等。同时冲击地压还容易诱发瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾等次生灾害，强 烈的冲击地压还会造成地面建筑物的破坏和倒塌。冲击地压发生的原因复杂，影响 因素众多，而且发生突然，破坏性大，是目前岩石力界与采矿工程界研究中的热点 和难点之一。 冲击地压作为一种矿山动力灾害现象在世界范围内普遍存在。世界上记录的首 次冲击地压事故发生于 1738 年英国的南部斯塔福煤矿， 自此以后， 世界上几乎所有 的采矿国家均发生过冲击地压。澳大利亚最早的冲击地压记录发生在 1917 年的 Kalgoorlie 区域，美国爱德华洲的 Coeur D’ Alene 矿在 1930 年发生了美国采矿史上 第一例冲击地压事故。我国是煤炭产出大国，与世界上其他国家相比，我国煤矿的 开采深度和强度均比较大， 因此造成的冲击地压灾害事故更为严重。 据统计， 自 1985 年至 2011 年底， 我国发生冲击地压的省份由 11 个增加到 20 多个， 冲击地压矿井的 数量由 32 个增加到 140 余个， 每年发生的破坏性冲击地压由过去的十余次增加到现 在的几百次[2]；2006 年至 2013 年短短 7 年间，新汶、抚顺、华亭、北京、义马、 阜新、鹤岗、七台河、平顶山等多家煤炭生产企业就发生了 35 次因冲击地压造成的 重大伤亡事故，造成 300 多人死亡，上千人受伤[3]。 通过对冲击地压发生规律进行统计分析，发现冲击地压灾害往往更容易发生在 地质构造发育的区域。据不完全统计[4]，因断层等地质构造因素诱发的冲击地压在 所有冲击地压事故中所占比例高达 64.18。同时，大量研究及工程实践[6]也证明冲 击地压频发地区经常分布在断层、褶曲、煤层倾角和厚度变化带，陷落柱等地质构 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 造带附近。苏联学者阿维尔申[5]指出冲击地压与地质构造有关；宜格洛夫通过对 冲击显现进行分析认为，断裂破坏是造成多数冲击地压的原因。辽宁抚顺老虎台煤 矿每年发生数百起冲击地压事故，在这些事故当中，90的冲击地压发生地点分布 在矿区 F18、F7-1、F25、F26、F26-1 断层和褶曲所切割的范围之内[8]。 由开采活动引起断层活化并导致的冲击地压称为断层冲击地压，它指的是井田 范围内的断层由于采矿活动而引起突然相对错动并猛烈释放能量的现象[7]。与一般 冲击地压相比，断层冲击地压具有破坏性更强、影响范围更大、突发而猛烈的特点。 2006 年 9 月 9 日新汶华丰煤矿的 1410 上平巷掘进头由于 F9 断层活化发生了能量为 2.2 107J 的冲击地压，造成 2 人死亡，2 人重伤；2013 年 3 月 15 日，龙煤集团竣德 煤矿三水平北 17 层一段一分层回采过程中受 F1、F7 和 L1 断层影响发生了冲击地 压，造成 4 人死亡；2011 年 11 月 3 日河南义马千秋煤矿 21221 下巷在掘进过程中 由于 F16 大型逆冲断层活化发生了特大冲击地压事故，造成 10 人遇难，400 多米巷 道损毁，巷道部分段甚至完全合拢。 随着世界范围内能源需求的逐渐增加，开采强度日益加大，浅部煤炭资源不断 减少，国内外矿山均相继进入深部开采状态。由此导致井下地应力显著增大，地质 条件逐渐复杂，矿压显现不断加剧。深部开采活动引起断层等地质弱面活化的概率 显著增大，断层冲击地压事故频发。因此深入研究断层冲击地压的发生机制，并在 工程实践中验证其正确性，对保障煤矿安全生产具有重要意义。 1.2 国内外国内外研究现状研究现状 冲击地压是地下采矿工程中一种常见的煤岩动力灾害，自人类首次记录冲击地 压以来，距今已有 270 多年的历史。在这 200 多年间，世界各国发生了难以计数的 冲击地压事故，并造成了成千上万的人员伤亡和数不尽的财产损失。而冲击地压的 系统研究和认识是从 20 世纪 50 年代开始，前苏联、南非、德国和波兰等国家分别 从冲击地压机理、 监测预警和防治方法等方面展开了大量研究， 也取得了一定成效。 我国学者从 20 世纪 80 年代初，开始对冲击地压研究，随着煤炭生产重心的转移， 我国成为冲击地压研究和实践的大国，经过众多学者的精力投入和潜心钻研，冲击 地压研究工作取得了前所未有的发展。但由于煤岩力学介质的非线性特征和冲击地 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 压影响因素的极其复杂性， 冲击地压的研究难以取得实质性进展， 并导致机理不清、 监测不明、防治不利等突出问题的存在，冲击地压作为世界性难题并一直困扰着煤 矿企业的安全生产。 1.2.1 冲击地压机理研究现状冲击地压机理研究现状 针对冲击地压机理问题，世界上各国学者分别从煤岩体破坏内因、破坏方式、 启动方式、非线性科学理论等从多个不同的角度对冲击地压发生条件和过程进行了 研究，对冲击地压发生机理的研究已从描述简单的表面现象，过渡到揭示本质的物 理过程、论证内在的本构关系，进而提出了一系列的机理假设[9 、10]，主要包括强 度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、失稳理论、三准则理论、三因素 理论等。 我国学者在冲击地压机理研究方面做出了突出贡献。齐庆新[11]提出了“三因素” 机理模型解释冲击地压为什么会发生，他认为发生冲击地压的煤岩体须具备三个充 分条件，即内在因素、力源因素和结构因素。其中煤岩体具有冲击倾向性是冲击地 压的内在因素，煤岩体承受高应力集中、积聚大量的弹性变性能是其力源因素，煤 岩体具有软弱结构面或易引发突变滑动的层状界面是冲击地压发生的结构因素，三 个条件同时具备，冲击地压发生的概率极高。窦林名、何学秋等[12]根据煤岩体损伤 破坏特征以及破坏过程中的声电变化规律建立了反映煤岩体冲击破坏的弹塑脆性体 突变模型，解释了冲击地压破坏的突发性的延时性，认为煤岩体材料破坏过程存在 稳定破坏和冲击破坏之分。 潘俊锋等[104]基于微震监测结果分析， 提出了煤矿开采的 冲击启动理论，他认为按照时间序列，冲击地压发生过程可以分为冲击启动、冲击 能量传递以及冲击显现三个阶段；采动围岩近场系统的集中静载荷积聚是冲击启动 的内因，可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区。该理论很好的解释了冲 击能量和冲击显现位置不统一以及浅部矿井同样发生冲击地压的现象。 近年来，由于近代数学中非线性科学理论主要包括分形、混沌、分叉、突变等 的发展，为研究冲击地压提供了一些新的思路，许多学者通过将非线性科学理论应 用于冲击地压并得出了一些初步的理论和试验结果。其中潘一山等[13]用突变理论解 释了冲击地压发生的过程及条件。徐曾和等[15]分析了坚硬顶板条件下煤柱岩爆的特 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 点，并基于此建立了冲击地压尖点突变模型。潘岳等[16]建立了折断式顶板大面积冒 落的尖点突变模型。宋维源、潘一山等[18]将混沌学应用于冲击地压的研究，认为冲 击地压启动具有混沌特性，通过动力学反演方法建立冲击地压的动力学方程，然后 利用现场观测参量实现了冲击地压的预测。尹光志等[14]建立了描述煤岩体失稳的尖 点突变模型。朱清安等[19]研究了冲击地压的混沌特性。李洪等[20] 利用非线性时间 序列分析方法，分析了工作面电磁辐射脉冲时间序列，通过对观测数据的最大 Lyapunov 指数进行提取，实现提高冲击地压预测精度的目的。谢和平[21]、李玉等[22] 将分形几何学Fractal Geometry用于冲击地压发生机理和预测预报研究，取得了一 定的成果。 1.2.2 断层冲击地压研究现状断层冲击地压研究现状 1.2.2.1 断层冲击地压机理研究 齐庆新等[23,24]提出了用粘滑机理解释冲击地压的发生过程，他认为冲击地压是 煤岩体结构摩擦滑动破坏的一种形式，表现为瞬时的粘滑失稳。 潘一山[25]认为断层冲击地压是断层带与上下盘围岩系统的变形失稳过程，开采 扰动引起断层带出现附加应力，并导致断层带岩石首先失稳；当开采活动使断层系 统达到极限平衡时，断层失稳诱发冲击地压。同时他提出了扰动响应判别准则和能 量判别准则解释了断层冲击地压发生时的一些现象。 姜福兴 [26,27]采用微震监测的方法， 将微震事件的变化规律与构造附近应力状态 相对应，研究了构造控制型冲击地压的分类和预警，通过分析微震事件特征，确定 预警危险区，并用钻孔法进行确认，在现场得到了很好的验证和应用。 赵扬锋等[28]将剪切梁层间失效模型用于分析断层冲击地压的发生过程， 在不考虑 断层的弹性时对断层冲击地压进行了解析分析， 得到了剪切梁的位移和应力分布规律 和断层冲击地压发生时撕开裂纹长度和临界载荷， 并分析了撕开裂纹长度和临界载荷 与各种力学参数之间的关系。他认为剪切梁的剪切弹性模量随着采深的增大而减小， 断层带剪切软化模量随着剪切梁厚度的增大而增大；滑动摩擦系数、断层带厚度、剪 应力峰值强度越小，断层冲击地压发生的概率越大。 潘岳等[29]建立了矿井围岩-断层系统的准静态形变平衡方程，利用折迭突变模型 解释了呈剪切破裂形式的断层失稳过程。另外，潘岳[30]按照 Mises 增量理论，对断层 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 冲击地压的突变理论做了进一步深入研究， 将适用条件由均匀围压推广到了非均匀围 压。 王学滨[31]等认为将应变梯度塑性理论应用于断层冲击地压的研究，指出采掘活 动引起的断层突变剪切失稳是断层冲击地压的实质， 并发现断层带-围岩系统系统的 稳定性具有尺寸效应。 王来贵[32]从分析断层冲击地压现象出发，将断层冲击地压视为岩体的振动与断 层间的刚体错动叠加，并指出了断层冲击地压的影响因素及原因，强调了水在断层 中的物理化学作用和接触面热效应等对冲击地压发生的影响。 李志华[95]根据断层滑移失稳与煤岩冲击地压之间的关系，建立了断层滑移失稳 诱发煤岩冲击的黏滑-黏弹脆性体突变模型， 将断层滑移诱发煤岩冲击地压分为稳态 诱发和失稳动态诱发两种，并认为断层滑移失稳动态诱发冲击地压危险性更大。 1.1.2.2 采动影响断层活化规律研究现状 彭苏萍等[33]通过相似模拟试验方法分析了不同倾向高角度正断层在采动影响 下断层活化过程，发现工作面推至断层影响区域时，造成顶板岩体破碎，工作面前 方煤体支承压力增大。 孟召平等[34]利用数值模拟分析手段，揭示了采动对正断层活化的影响，发现断 层的存在对初始应力场形成扰动，使得断层局部产生附加应力，并因此直接影响回 采过程中的顶底板岩层变形破坏和矿压分布规律；断层活化导致回采工作面煤壁和 前方断层间煤体压力分布类似小的残留煤柱。 王金安等[35]通过数值模拟手段研究了有断层情况下煤层开采中的应力变化、迁 移以及能量传播问题， 以 3g 加速度作为判据对动力灾害危险区进行研究， 阐释了动 力冲击 3g 包络域的概念，并以此判定可能发生冲击地压的岩体范围。 郭晓强等[36]结合现场微震监测，分析了微震事件特征随工作面推进度的变化规 律，研究了采动诱发断层活化过程，将断层活化分为具有不同特征的四个阶段。 杜东见等[37]采用数值模拟的手段研究了采掘影响下断层面上应力的分布规律， 认为当采掘活动接近断层时，断层面上最大主应力和最大主应力梯度的增大是断层 活化产生矿震的力源。并结合微震监测数据分析和现场实践验证其合理性。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 6 张明伟等[38]采用微震监测系统对工作面过断层期间的微震活动进行了全时段 监测，发现断层群构造区域微震活动具有较高的不稳定性，随着工作面临近断层， 区域内每日震动释放总能量起伏波动逐渐增大，最大能量值呈现快速攀升趋势，并 且强烈微震活发生前有一段弱震活动期，弱震活动为强震再次发生起到蓄能作用。 左建平等[39]通过二维相似模拟试验研究采动诱发断层活动规律，利用数字散斑 相关方法（DSCM）及不连续变形方法（DDA）对试验结果进行分析，发现断层附 近水平位移呈现出马鞍形，证实了断层附近发生了滑移错动。 卜万奎等[40]针对含断层缺陷底板的受力特征，研究了断层倾角对断层面上剪切 应力、法向应力及断层活化的影响规律，发现断层倾角越大，断层越容易活化。 赵海军等[41]认为采动影响导致断层面产生附加张应力，并使其抗剪强度减小， 在自重体积力的作用断层发生错动。 王林等[42]利用数值模拟的手段超前支承压力对断层活化的影响，并以断层周围 岩体的垂直应力和剪应力变化判断断层活化的临界距离。 勾攀峰[51]利用相似材料模拟实验，得出断层活化规律如下在断层影响区域， 在水平方向上，回采巷道顶板岩层出现与断层倾向基本一致的垂直裂缝，顶板表现 出不连续性。在垂直方向上，顶板离层出现不均匀沉降，顶板岩层特别是顶板下位 岩层向断层方向倾斜。 李志华[52,53]认为当工作面由断层下盘向断层推进时，断层易活化，顶板岩体沿 断层发生滑移、回转和失稳，从而导致顶板型冲击地压。当工作面从断层上盘向断 层推进时，顶板岩体易于形成平衡结构，顶板下沉量较小，顶板运动较为平缓，断 层冲击地压的危险性就会小得多。 毛德兵等[54]认为断层的存在导致了煤岩层的不连续及应力变化的不连续。并根 据微震监测结果分析了采动影响下断层延展长度、落差、走向以及强度等对断层活 化规律的影响，得出断层延展长度越长、落差越大、断层面越粗糙，断层活化释放 能量越大，越易引发断层冲击地压。 陈法兵等[55]认为断层面的剪切应力达到其抗剪强度时，断层受到扰动将发生活 化。开采引起的库伦应力增量 m 是断层活化的主要原因，断层活化概率增益与 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 m 成正比。工作面回采和断层活化两者之间存在相互影响、相互促进的关系。 王涛[56]将非线性硬化函数引入广义开尔文模型中，并在加速滑动阶段考虑非线 性损伤，用该模型模拟采动引起的断层变形积累，同时通过摩擦元件模拟断层突然 滑移。另外，通过对采动影响、断层活化、煤岩冲击失稳相互作用关系分析了断层 活化与煤岩冲击失稳之间的作用机理。 梁冰等[57]认为断层冲击地压是由于扰动导致不连续面间的粘滑摩擦转变为滑 动摩擦所发生的动力失稳现象，并认为系统局部区域介质应力超过峰值强度是断层 冲击地压发生的必要条件，工作面推进造成断层进入软化状态的区域扩大，最终导 致断层失稳。 林远东等[58]基于梯度塑性理论研究断层活化的问题，认为断层的活化不仅与带 曾内部材料性质有关，还与两盘岩石特征参数等有关，并得出了上述相关参数与断 层活化之间的关系。 张群[59]利用数值模拟的手段研究了采动诱发断层活化的过程，认为断层活化整 个过程可分为应力集中阶段、应力继续蓄能阶段、应力诱发导致断层微破裂产生、 贯通及瓦斯运移阶段和断层活化及上下盘滑移阶段共四个阶段。 1.1.2.3断层活化过程研究现状 Brace 和 Byerlee[67]根据岩石摩擦滑动的粘滑特征并与观测到的断层突发地震的 现象进行对比，提出了用粘滑解释浅源地震发生过程的观点。Rice 等[60]研究了地震 摩擦滑动的稳定条件。Feeny[61]对地震的粘滑研究进行了总结。Carson 等[62-64]通过 粘滑模型对断层地震发生时震级和发生次数的对应关系进行了研究。 Galvnaetto 等[65] 通过建立粘滑的动力方程，研究地震粘滑的混沌过程。齐庆新等[66]采用砂岩试件进 行摩擦实验验证了 Brace 提出的粘滑现象[67]，并利用粘滑对断层冲击地压发生过程 中的一些现象进行了解释。Borll[68]采用三块混凝土试件进行了块体摩擦滑动试验。 在断层活化错动研究方面， 崔永权等[69]通过对 45 预切面花岗岩标本摩擦试验， 发现正应力恒定条件下，随着正应力的增大，粘滑间隔逐渐增加，应力降逐渐增大， 当正应力以正弦波形式变化时，断层粘滑现象受正应力影响最为显著。马胜利[70]基 于均匀和非均匀断层滑动试验，分析了粘滑失稳成核过程；李忠华[71]将突变理论应 煤炭科学研究总院硕士学位论文 8 用于围岩-断层模型的分析中，指出断层厚度、断层软化指数、剪切模量与断层冲击 地压震级之间存在着相应的定性关系；蔡代恩[72]通过双面剪切法对断层带上应变分 布的空间规律进行了研究，得到震源可能沿断层带迁移也可能原地重复的结论；刘 力强等[73]基于双向摩擦法并利用数字散斑测量技术、应变观测和声发射定位技术研 究了断层三维扩展过程，并将断层裂纹的扩展过程分为三个基本阶段；马瑾等[74]采 用红外热像仪和测温仪发现断层失稳前热场存在先将后升的变化模式。宋卫华等[75] 基于断层构造应力场有限元模拟，认为区域构造应力是冲击地压等动力现象的主要 力源。 1.2.3 地应力场反演地应力场反演研究现状研究现状 在岩体力学发展史中，关于地应力测量、地应力场模拟等问题的研究一直占有 十分重要的地位。众所周知，地应力实测是获取研究区域地应力场最直接、最可靠 的途径，但地应力测量存在费时、费财、费力、技术要求高等缺陷，不可能进行大 量的现场测试；另一方面，地应力场成因复杂，影响因素众多，测量结果仅仅反映 了某一点的局部应力场。因此，必须在实测资料的基础上针对具体的工程地质条件 进行地应力场的反演分析计算，以获得较大范围且准确合理的地应力场。目前，地 应力场反演方法众多，以时间进行排序主要有海姆法则、侧压力系数法、边界载荷 调整法、应力函数法、位移函数法、回归分析法、神经网络法、遗传算法等。其中， 采用率较高的方法主要有回归分析法、神经网络法、遗传算法。 1.1.3.1 多元线性回归分析法 回归分析法求解地应力场的实质是根据已有的地质等资料， 建立数值计算模型， 将自重、构造运动等地应力影响因素作为待定因素，利用数值计算获得各待定因素 作用下的计算应力值。然后用数理统计中的最小二乘法建立计算应力和实测应力之 间的回归方程，同时使得其残差平方和达到最小，最后将求得的唯一解代入回归方 程即得研究区域的初始地应力场。许多学者利用回归分析的方法进行了地应力场的 反演研究，具体如下 郭怀志等[76]提出了考虑自重与构造运动影响因素的二维尺度数学模型回归分 析方法，根据公式求得自重应力，利用边界作用力或位移模拟构造应力，继而进行 煤炭科学研究总院硕士学位论文 9 考虑单因素作用的有限元计算，然后采用数学回归分析求得再各因素的权重值，并 回代计算获得区域地应力场。 朱伯芳[77]在分析总结前人理论的基础上，指出岩体的自重应力是比较稳定的， 不轻易随外界条件改，是一个可以根据实际资料计算求出的已知值。而构造应力可 以通过研究区域的边界位移来获得。 易达等[78]认为岩体自重和剥蚀作用是形成岩体初始地应力场的重要因素，并通 过算例说明，地表剥蚀作用是导致回归分析中反演所得岩体重度大于实测重度的原 因。 张欣等[79]考虑了天然渗流场对初始地应力场形成的影响，并与未考虑渗流场的 情况进行了比较，指出考虑天然渗流场影响因素可以较好的改善回归效果，得到与 现场实测规律相一致的计算结果。 张勇慧等[80]采用有限元数学模型多元回归方法，对大岗山水电站地下厂房地应 力场三维反演分析进行研究，主要考虑断层和岩脉等地质构造和地形地貌的综合影 响，发现岩性对地应力场影响较小，岩脉与断层影响显著。 何江达等[81]考虑到地应力实测值存在一定的离散性，将地应力实测值进行不同 的组合，用多种方案进行回归比较分析，优选出比较合理的工程区域地应力场，得 到较好的反演结果。 韩荣荣等[82]基于多元线性回归方法，提出了一种通过建立辅助应力场进行地应 力回归计算的改进算法。 陈章华等[83]采用偏最小二乘回归分析方法分析矿区地应力场.利用地应力测量 数据回归计算得到地应力场数据.通过主成分分析，解决多因变量回归计算时，由于 响应变量之间往往呈现出较高的相关性而导致的回归计算误差，可以更有效的反映 地应力不连续分布特性，对于地应力场回归分析具有参考价值。 袁风波等[84]采用多元线性回归与逐步回归相结合的方法对工程区域初始地应 力场进行反演，通过剔除离散性较大的实测点值然后再进行回归，逐步提高反演结 果的复相关系数，增加其合理性。 1.1.3.2 神经网络法 煤炭科学研究总院硕士学位论文 10 人工神经网络简称 ANN，是一种采用计算机作为辅助工具进行仿真模拟的信 息加工处理技术，它是受人脑功能特征的启发，以当今神经科学研究技术和成果为 基础可以对人脑的神经网络结构以及功能进行仿真模拟。人工神经网络的内部通过 大量神经元互相连接组成，其构造相当复杂，目前学习和信息处理是其主要的应用 目的。其中神经元的模型如图 1.1 所示。 图 1.1 神经元模型 采用人工神经网络来进行地应力场反演的原理为利用多组岩石物理力学参数