我国煤矿井下地应力参数数据库的开发和研究

伊丙鼎

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013）

煤矿井下地应力参数数据库便是“大数据”时代的产物之一。地应力主要由重力作用和构造运动引起，构造应力场在空间的分布极不均匀，很难用函数形式或者力学公式来表达构造应力场。目前，只能通过实测得到比较准确的地应力值，基于实测数据分析地应力分布规律[1-3]。国外学者最先建立地壳应力数据库，加拿大学者Arjing和Herget[4]等从1973年开始在CANMET采矿实验室建立了地应力数据库，并对数据库进行随时更新和补充。美国科学院院士Mary Lou Zoback[5]领衔19个国家科学家，收集了全球范围内构造应力的测量和研究成果，建立了全球应力数据库，该数据库一直在维护和扩展；2008年发布的“世界应力地图数据库”（The World Stress Map Database）及基于该数据库的“世界应力地图”包含了21 750个数据，近17 000具有高质量。中国地震局搜集了中国大陆及邻区6类主要地壳应力数据，编制了“中国大陆地壳应力环境基础数据库”，该数据库可随时补充和更新，地壳应力数据全社会共享[6]。以上学者和团队均是针对地壳应力建立的数据库，很少有专门的针对煤矿井下适用的地应力参数数据库，我国煤矿井下的地应力数据大都分散零星，没有进行过系统的整理与总结。为此，搜集了我国煤矿井下1 357条地应力资料，参照相应的通用标准格式建立了首套我国煤矿井下地应力参数数据库[7-11]，以期让这些宝贵的地应力数据为采矿工程领域的工程实践、实验室试验和计算机数值模拟技术提供基础参数。

1 数据库基础资料来源

目前，国内外现有的地应力测量方法有多种，包括力学方法、地球物理方法及地质方法。但是，应用比较广泛的现场地应力测量方法是应力解除法与水压致裂法，尤其在煤矿井下应用。考虑到煤矿井下环境潮湿阴暗，作业空间狭窄，巷道和采场工作面所需测点多而分散，同时井下的条件对测量设备的性能及可靠性提出很高要求，1999年煤炭科学研究总院开采设计研究分院开发与研制出我国煤矿井下第一套小孔径水压致裂地应力测量装置，测试仪器简单轻便，作业范围广，在井下实现了快速、大面积地应力参数测量。目前，煤炭科学研究总院利用该装置已在全国煤矿井下进行了736余点的地应力测量，测量范围之广、数量量之大为全国首创。本文所建立的地应力参数数据库以煤炭科学研究总院测量得到的地应力数据为基础，同时还收录了来源于高校以及科研院所的硕士博士论文和地质力学测试报告、EI文摘收录的核心期刊，如《地球物理学报》、《岩石力学与工程学报》、《煤炭学报》等重要期刊。收录的数据既要保证其准确性，又要符合实际工程需要。

数据库中各类数据所占比例示意图如图1。其中，通过应力解除法得到的数据占30%，通过小孔径水压致裂法测得的地应力数据占58%，通过地面钻孔水压致裂法测得的地应力数据占12%。

图1 数据库中各类数据所占比例示意图Fig.1 Schematic diagram of the proportion of various types of data in the database

1.1 水压致裂资料

水压致裂数据以煤炭科学研究总院在全国煤矿井下测得的736条数据为基础，其中有22个钻孔进行了分段测试，得到了70条分段测试资料。这些数据均是基于传统水压致裂方法的常规平面应力测量，在晋城矿区寺河煤矿进行了2个点的多个交汇钻孔三维地应力测量。数据库中收录的其他研究单位在煤矿中进行的水压致裂地应力测量数据总共有192条，数据来源包括中国地质科学院、中国矿业大学、北京科技大学、中国科学院等科研院校的测试报告和公开发表的刊物。

1.2 应力解除资料

应力解除资料总共录入406条数据。其中，所录入资料的302条数据来源于文献期刊，包括中国矿业大学、山东科技大学、辽宁工程技术大学、中国科学院、中国地质科学院和北京科技大学等科研机构地质力学研究报告和发表的刊物；其余的104条数据来源于中国知网收录的硕士和博士论文。数据库系统所录入的数据按照测量技术分类，可分为空心包体法、孔壁孔底应变计法；按测量方法也可分为三维应力测量和平面应力测量，其中三维应力测量绝大多数是单个钻孔的全应力测量。

煤矿井下的地应力受到若干因素的影响，主要包括测点埋深、地质构造、煤岩体强度和刚度、测点岩性等。为了能够真实的反映实际情况，数据库以测点埋深、测点的空间位置、测点岩性、钻孔的几何参数以及煤岩体的弹性模量和泊松比等为依据，收录和存储地应力测量参数。本系统以关系型数据库Microsoft Access为载体，存储所收集的数据，其数据库主要字段见表1。

表1 煤矿井下地应力参数数据库主要字段Table 1 Main fields of in-situ stress parameter database in coal mine

2 数据库基础资料分布统计

2.1埋深

所搜集的煤矿地应力参数埋深分布比较广，基本覆盖目前煤矿开采的所有深度，数据库收录数据的最小埋深为38.8 m，最大埋深为1 283 m；数据库中收录的地应力测点频数随埋深统计分布图如图2。其中，埋深在200～400 m的地应力参数最多，占数据库中所有数据的36%；埋深在400～600 m的地应力参数紧随其后，占数据库中所有数据的27%；埋深超过1 000 m的地应力参数比较少，总计57个测点，占数据库中所有数据的4.78%，深部数据主要集中在新汶矿区、两淮矿区、大屯矿区以及平顶山矿区等；埋深在200 m以内的数据也比较少，只有87个测点，占数据库中所有数据的6.71%，测点主要集中在蒙陕等浅埋深矿区，这其中包括14个埋深在100 m之内的地应力测点。

图2 地应力测点频数随埋深统计分布图Fig.2 Statistical distribution of frequency of in-situ stress measuring points with burial depth

2.2 地理区域

数据库中所收录的煤矿地应力参数分布范围广泛，基本覆盖了全国范围内大部分矿区，矿区地理纬度范围为26.551 201°N～49.245 8°N，地理经度范围为84.237 378°E～131.344°E，数据库总共涵盖了60余个矿区，260余个煤矿。测点超过50个以上的矿区包括潞安矿区、晋城矿区、鄂尔多斯矿区、平顶山矿区、两淮矿区、汾西矿区、西山矿区、霍州矿区、巨野煤田等，数据库主要矿区组成结构如图3。

3 地应力参数数据库系统的框架和特点

3.1 数据库系统的设计思想

1）数据库利用Windows作为开发平台，以关系型数据库Microsoft Access为载体存储所搜集的数据，具有界面友好，操作简单，查询快速方便的特点。

2）数据库系统在提供完备的数据管理的基础上，能够根据煤矿井下地应力数据的特点，实现多种条件、不同方式的查询功能，并且能够实现简单有效的地应力数据分析功能。

图3 数据库主要矿区组成结构图Fig.3 Structure chart of main mining areas in database

3）数据库以实现社会资源共享为基本原则，系统软件界面友好，操作简单，既适合于采矿工程相关专业的技术人员，又适用于其他领域的研究人员。

3.2 数据库系统的框架

为便于对数据库系统的使用和维护，系统采用模块化程序设计方法，数据库系统的框架及功能模块如图4，主要包括安全管理、数据检索查询、数据输出、分区地应力分布图和辅助模块5大模块，每个功能模块内又分立若干个小模块。

图4 数据库系统的框架及功能模块Fig.4 Framework and function module of database system for in-situ stresses in underground coal mines

各功能模块的具体功能如下：

1）系统安全管理模块。该模块主要提供用户登录界面，实现科研人员浏览、查询以及查看数据分析的功能。同时，管理员可以对数据库中的地应力参数进行管理，主要包括录入、删除和更新数据库中的数据。

2）数据检索查询模块。由于煤矿井下的地应力受到若干因素的影响，包括测点埋深、地质构造、煤岩体强度和刚度、测点岩性等。该模块主要针对不同用户的需要，提供了多种条件、不同方式的查询检索功能，如根据测量方法、埋深、测点位置、测点岩性等条件进行查询。

3）输出模块。该模块主要不仅实现所查询的数据导出成为Excel表格功能，方便科研人员的应用；同时对于查询的区域直接形成地应力分布图，并且进行输出和打印。

4）分区地图模块。该模块存储了中国大陆和典型矿区的地应力分布图，能够方便科研人员针对不同地域和矿区更加直观的进行了解和分析。

5）辅助模块。该模块主要包括地应力数据库的简要介绍和使用方法的说明，有利于用户更加快速的了解数据库系统的使用流程。

后期考虑增加数据智能分析处理模块，该模块主要是对于地应力原始数据的预处理，以及不同参数的统计和分析（主应力比值、平均应力侧压比、最大剪应力等几组重要的地应力特征参数）、数据的线性-非线性拟合等。

4 地应力数据库的展示

1）“中国煤矿应力环境数据库”主界面。“中国煤矿应力环境数据库”界面首页如图5。界面首页包括地应力分布图、地应力简介以及“中国大陆地壳应力环境基础数据库”和“World Stress Map”网站的相关链接；在横栏可以对地应力查询和分区地图以及“中国煤矿应力环境数据库”研发单位介绍等几个功能界面进行切换。

图5“中国煤矿应力环境数据库”的界面Fig.5 Interface of“China Coal Mine Stress Environment Database”

2）“中国煤矿应力环境数据库”查询界面。“中国煤矿应力环境数据库”查询界面如图6。界面主要包括矿区、矿名、测量方法和埋深范围等几个条件查询方式，在矿区下拉框中含有60余个矿区，在矿名下拉框中含有260余个煤矿，埋深范围可以实现任意埋深区间内地应力数据的查询；查询界面中还包含了地图和数据输出模块，可以将查询定位范围内的地应力分布图和该区域内的地应力数据资料进行下载和保存，方便对于地应力场分布的规律分析。

图6“中国煤矿应力环境数据库”查询界面Fig.6 Query interface of“China Coal Mine Stress Environment Database”

3）典型矿区地应力分布图。中国煤矿矿区地应力分布图如图7，典型矿区地应力分布图如图8。地图显示测点主要集中在山西、陕西、河南、山东、内蒙、安徽和河北等几个省份，该地区内集中了数据库中90%的数据。同时，在新疆地区大部分煤矿和辽宁、吉林和黑龙江东北地区部分煤矿以及四川、贵州和重庆等西南地区部分煤矿中也有一些地应力测点分布。

图7 中国煤矿矿区地应力分布图Fig.7 In-situ stress distribution map of coal mining areas in China

5结语

图8 典型矿区地应力分布图Fig.8 In-situ stress distribution map of typical mining area

煤矿井下地应力参数是矿井开拓设计和开采设计的重要依据和基础资料。所建立的煤矿井下地应力参数数据库总共录入1 357条资料，数据资料覆盖全国各地煤矿，其中水压致裂地应力测量资料总共录入951条，应力解除地应力测量资料总共录入406条。基于此，建立了我国煤矿井下第一套地应力数据库系统，即“中国应力环境数据库”。系统中的地应力参数可以为地下工程方面的实验室试验、数值模拟以及现场实践提供基础参数；该系统的建立也将极大的推动采矿工程数字化的进程，让以前工程实践所积累的宝贵基础参数重新焕发活力。

“中国应力环境数据库”实现了多种方式的地应力数据查询以及不同方式的地应力数据输出，极大地方便了煤矿工作者对于地应力数据的应用。

备注：本文所写的“中国煤矿”所在地理区域是指中国大陆地区，不含中国台湾地区。