伊丙鼎

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013）

煤礦井下地應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫便是“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的產(chǎn)物之一。地應(yīng)力主要由重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起，構(gòu)造應(yīng)力場在空間的分布極不均勻，很難用函數(shù)形式或者力學(xué)公式來表達(dá)構(gòu)造應(yīng)力場。目前，只能通過實(shí)測得到比較準(zhǔn)確的地應(yīng)力值，基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析地應(yīng)力分布規(guī)律[1-3]。國外學(xué)者最先建立地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，加拿大學(xué)者Arjing和Herget[4]等從1973年開始在CANMET采礦實(shí)驗(yàn)室建立了地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行隨時(shí)更新和補(bǔ)充。美國科學(xué)院院士Mary Lou Zoback[5]領(lǐng)銜19個(gè)國家科學(xué)家，收集了全球范圍內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力的測量和研究成果，建立了全球應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫一直在維護(hù)和擴(kuò)展；2008年發(fā)布的“世界應(yīng)力地圖數(shù)據(jù)庫”（The World Stress Map Database）及基于該數(shù)據(jù)庫的“世界應(yīng)力地圖”包含了21 750個(gè)數(shù)據(jù)，近17 000具有高質(zhì)量。中國地震局搜集了中國大陸及鄰區(qū)6類主要地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)，編制了“中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫”，該數(shù)據(jù)庫可隨時(shí)補(bǔ)充和更新，地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)全社會(huì)共享[6]。以上學(xué)者和團(tuán)隊(duì)均是針對地殼應(yīng)力建立的數(shù)據(jù)庫，很少有專門的針對煤礦井下適用的地應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫，我國煤礦井下的地應(yīng)力數(shù)據(jù)大都分散零星，沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的整理與總結(jié)。為此，搜集了我國煤礦井下1 357條地應(yīng)力資料，參照相應(yīng)的通用標(biāo)準(zhǔn)格式建立了首套我國煤礦井下地應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫[7-11]，以期讓這些寶貴的地應(yīng)力數(shù)據(jù)為采礦工程領(lǐng)域的工程實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)資料來源

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的地應(yīng)力測量方法有多種，包括力學(xué)方法、地球物理方法及地質(zhì)方法。但是，應(yīng)用比較廣泛的現(xiàn)場地應(yīng)力測量方法是應(yīng)力解除法與水壓致裂法，尤其在煤礦井下應(yīng)用?？紤]到煤礦井下環(huán)境潮濕陰暗，作業(yè)空間狹窄，巷道和采場工作面所需測點(diǎn)多而分散，同時(shí)井下的條件對測量設(shè)備的性能及可靠性提出很高要求，1999年煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院開發(fā)與研制出我國煤礦井下第一套小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置，測試儀器簡單輕便，作業(yè)范圍廣，在井下實(shí)現(xiàn)了快速、大面積地應(yīng)力參數(shù)測量。目前，煤炭科學(xué)研究總院利用該裝置已在全國煤礦井下進(jìn)行了736余點(diǎn)的地應(yīng)力測量，測量范圍之廣、數(shù)量量之大為全國首創(chuàng)。本文所建立的地應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫以煤炭科學(xué)研究總院測量得到的地應(yīng)力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時(shí)還收錄了來源于高校以及科研院所的碩士博士論文和地質(zhì)力學(xué)測試報(bào)告、EI文摘收錄的核心期刊，如《地球物理學(xué)報(bào)》、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》、《煤炭學(xué)報(bào)》等重要期刊。收錄的數(shù)據(jù)既要保證其準(zhǔn)確性，又要符合實(shí)際工程需要。

數(shù)據(jù)庫中各類數(shù)據(jù)所占比例示意圖如圖1。其中，通過應(yīng)力解除法得到的數(shù)據(jù)占30%，通過小孔徑水壓致裂法測得的地應(yīng)力數(shù)據(jù)占58%，通過地面鉆孔水壓致裂法測得的地應(yīng)力數(shù)據(jù)占12%。

圖1 數(shù)據(jù)庫中各類數(shù)據(jù)所占比例示意圖Fig.1 Schematic diagram of the proportion of various types of data in the database

1.1 水壓致裂資料

水壓致裂數(shù)據(jù)以煤炭科學(xué)研究總院在全國煤礦井下測得的736條數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中有22個(gè)鉆孔進(jìn)行了分段測試，得到了70條分段測試資料。這些數(shù)據(jù)均是基于傳統(tǒng)水壓致裂方法的常規(guī)平面應(yīng)力測量，在晉城礦區(qū)寺河煤礦進(jìn)行了2個(gè)點(diǎn)的多個(gè)交匯鉆孔三維地應(yīng)力測量。數(shù)據(jù)庫中收錄的其他研究單位在煤礦中進(jìn)行的水壓致裂地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)總共有192條，數(shù)據(jù)來源包括中國地質(zhì)科學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、中國科學(xué)院等科研院校的測試報(bào)告和公開發(fā)表的刊物。

1.2 應(yīng)力解除資料

應(yīng)力解除資料總共錄入406條數(shù)據(jù)。其中，所錄入資料的302條數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)期刊，包括中國礦業(yè)大學(xué)、山東科技大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院、中國地質(zhì)科學(xué)院和北京科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)地質(zhì)力學(xué)研究報(bào)告和發(fā)表的刊物；其余的104條數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)收錄的碩士和博士論文。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所錄入的數(shù)據(jù)按照測量技術(shù)分類，可分為空心包體法、孔壁孔底應(yīng)變計(jì)法；按測量方法也可分為三維應(yīng)力測量和平面應(yīng)力測量，其中三維應(yīng)力測量絕大多數(shù)是單個(gè)鉆孔的全應(yīng)力測量。

煤礦井下的地應(yīng)力受到若干因素的影響，主要包括測點(diǎn)埋深、地質(zhì)構(gòu)造、煤巖體強(qiáng)度和剛度、測點(diǎn)巖性等。為了能夠真實(shí)的反映實(shí)際情況，數(shù)據(jù)庫以測點(diǎn)埋深、測點(diǎn)的空間位置、測點(diǎn)巖性、鉆孔的幾何參數(shù)以及煤巖體的彈性模量和泊松比等為依據(jù)，收錄和存儲地應(yīng)力測量參數(shù)。本系統(tǒng)以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft Access為載體，存儲所收集的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)庫主要字段見表1。

表1 煤礦井下地應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫主要字段Table 1 Main fields of in-situ stress parameter database in coal mine

2 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)資料分布統(tǒng)計(jì)

2.1埋深

所搜集的煤礦地應(yīng)力參數(shù)埋深分布比較廣，基本覆蓋目前煤礦開采的所有深度，數(shù)據(jù)庫收錄數(shù)據(jù)的最小埋深為38.8 m，最大埋深為1 283 m；數(shù)據(jù)庫中收錄的地應(yīng)力測點(diǎn)頻數(shù)隨埋深統(tǒng)計(jì)分布圖如圖2。其中，埋深在200～400 m的地應(yīng)力參數(shù)最多，占數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的36%；埋深在400～600 m的地應(yīng)力參數(shù)緊隨其后，占數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的27%；埋深超過1 000 m的地應(yīng)力參數(shù)比較少，總計(jì)57個(gè)測點(diǎn)，占數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的4.78%，深部數(shù)據(jù)主要集中在新汶礦區(qū)、兩淮礦區(qū)、大屯礦區(qū)以及平頂山礦區(qū)等；埋深在200 m以內(nèi)的數(shù)據(jù)也比較少，只有87個(gè)測點(diǎn)，占數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的6.71%，測點(diǎn)主要集中在蒙陜等淺埋深礦區(qū)，這其中包括14個(gè)埋深在100 m之內(nèi)的地應(yīng)力測點(diǎn)。

圖2 地應(yīng)力測點(diǎn)頻數(shù)隨埋深統(tǒng)計(jì)分布圖Fig.2 Statistical distribution of frequency of in-situ stress measuring points with burial depth

2.2 地理區(qū)域

數(shù)據(jù)庫中所收錄的煤礦地應(yīng)力參數(shù)分布范圍廣泛，基本覆蓋了全國范圍內(nèi)大部分礦區(qū)，礦區(qū)地理緯度范圍為26.551 201°N～49.245 8°N，地理經(jīng)度范圍為84.237 378°E～131.344°E，數(shù)據(jù)庫總共涵蓋了60余個(gè)礦區(qū)，260余個(gè)煤礦。測點(diǎn)超過50個(gè)以上的礦區(qū)包括潞安礦區(qū)、晉城礦區(qū)、鄂爾多斯礦區(qū)、平頂山礦區(qū)、兩淮礦區(qū)、汾西礦區(qū)、西山礦區(qū)、霍州礦區(qū)、巨野煤田等，數(shù)據(jù)庫主要礦區(qū)組成結(jié)構(gòu)如圖3。

3 地應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的框架和特點(diǎn)

3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

1）數(shù)據(jù)庫利用Windows作為開發(fā)平臺，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft Access為載體存儲所搜集的數(shù)據(jù)，具有界面友好，操作簡單，查詢快速方便的特點(diǎn)。

2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在提供完備的數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)煤礦井下地應(yīng)力數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多種條件、不同方式的查詢功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡單有效的地應(yīng)力數(shù)據(jù)分析功能。

圖3 數(shù)據(jù)庫主要礦區(qū)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure chart of main mining areas in database

3）數(shù)據(jù)庫以實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源共享為基本原則，系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單，既適合于采礦工程相關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員，又適用于其他領(lǐng)域的研究人員。

3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的框架

為便于對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用和維護(hù)，系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的框架及功能模塊如圖4，主要包括安全管理、數(shù)據(jù)檢索查詢、數(shù)據(jù)輸出、分區(qū)地應(yīng)力分布圖和輔助模塊5大模塊，每個(gè)功能模塊內(nèi)又分立若干個(gè)小模塊。

圖4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的框架及功能模塊Fig.4 Framework and function module of database system for in-situ stresses in underground coal mines

各功能模塊的具體功能如下：

1）系統(tǒng)安全管理模塊。該模塊主要提供用戶登錄界面，實(shí)現(xiàn)科研人員瀏覽、查詢以及查看數(shù)據(jù)分析的功能。同時(shí)，管理員可以對數(shù)據(jù)庫中的地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行管理，主要包括錄入、刪除和更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)檢索查詢模塊。由于煤礦井下的地應(yīng)力受到若干因素的影響，包括測點(diǎn)埋深、地質(zhì)構(gòu)造、煤巖體強(qiáng)度和剛度、測點(diǎn)巖性等。該模塊主要針對不同用戶的需要，提供了多種條件、不同方式的查詢檢索功能，如根據(jù)測量方法、埋深、測點(diǎn)位置、測點(diǎn)巖性等條件進(jìn)行查詢。

3）輸出模塊。該模塊主要不僅實(shí)現(xiàn)所查詢的數(shù)據(jù)導(dǎo)出成為Excel表格功能，方便科研人員的應(yīng)用；同時(shí)對于查詢的區(qū)域直接形成地應(yīng)力分布圖，并且進(jìn)行輸出和打印。

4）分區(qū)地圖模塊。該模塊存儲了中國大陸和典型礦區(qū)的地應(yīng)力分布圖，能夠方便科研人員針對不同地域和礦區(qū)更加直觀的進(jìn)行了解和分析。

5）輔助模塊。該模塊主要包括地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫的簡要介紹和使用方法的說明，有利于用戶更加快速的了解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用流程。

后期考慮增加數(shù)據(jù)智能分析處理模塊，該模塊主要是對于地應(yīng)力原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以及不同參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和分析（主應(yīng)力比值、平均應(yīng)力側(cè)壓比、最大剪應(yīng)力等幾組重要的地應(yīng)力特征參數(shù)）、數(shù)據(jù)的線性-非線性擬合等。

4 地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫的展示

1）“中國煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”主界面?！爸袊旱V應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”界面首頁如圖5。界面首頁包括地應(yīng)力分布圖、地應(yīng)力簡介以及“中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫”和“World Stress Map”網(wǎng)站的相關(guān)鏈接；在橫欄可以對地應(yīng)力查詢和分區(qū)地圖以及“中國煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”研發(fā)單位介紹等幾個(gè)功能界面進(jìn)行切換。

圖5“中國煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”的界面Fig.5 Interface of“China Coal Mine Stress Environment Database”

2）“中國煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”查詢界面?！爸袊旱V應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”查詢界面如圖6。界面主要包括礦區(qū)、礦名、測量方法和埋深范圍等幾個(gè)條件查詢方式，在礦區(qū)下拉框中含有60余個(gè)礦區(qū)，在礦名下拉框中含有260余個(gè)煤礦，埋深范圍可以實(shí)現(xiàn)任意埋深區(qū)間內(nèi)地應(yīng)力數(shù)據(jù)的查詢；查詢界面中還包含了地圖和數(shù)據(jù)輸出模塊，可以將查詢定位范圍內(nèi)的地應(yīng)力分布圖和該區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)資料進(jìn)行下載和保存，方便對于地應(yīng)力場分布的規(guī)律分析。

圖6“中國煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”查詢界面Fig.6 Query interface of“China Coal Mine Stress Environment Database”

3）典型礦區(qū)地應(yīng)力分布圖。中國煤礦礦區(qū)地應(yīng)力分布圖如圖7，典型礦區(qū)地應(yīng)力分布圖如圖8。地圖顯示測點(diǎn)主要集中在山西、陜西、河南、山東、內(nèi)蒙、安徽和河北等幾個(gè)省份，該地區(qū)內(nèi)集中了數(shù)據(jù)庫中90%的數(shù)據(jù)。同時(shí)，在新疆地區(qū)大部分煤礦和遼寧、吉林和黑龍江東北地區(qū)部分煤礦以及四川、貴州和重慶等西南地區(qū)部分煤礦中也有一些地應(yīng)力測點(diǎn)分布。

圖7 中國煤礦礦區(qū)地應(yīng)力分布圖Fig.7 In-situ stress distribution map of coal mining areas in China

5結(jié)語

圖8 典型礦區(qū)地應(yīng)力分布圖Fig.8 In-situ stress distribution map of typical mining area

煤礦井下地應(yīng)力參數(shù)是礦井開拓設(shè)計(jì)和開采設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和基礎(chǔ)資料。所建立的煤礦井下地應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫總共錄入1 357條資料，數(shù)據(jù)資料覆蓋全國各地煤礦，其中水壓致裂地應(yīng)力測量資料總共錄入951條，應(yīng)力解除地應(yīng)力測量資料總共錄入406條。基于此，建立了我國煤礦井下第一套地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，即“中國應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”。系統(tǒng)中的地應(yīng)力參數(shù)可以為地下工程方面的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)踐提供基礎(chǔ)參數(shù)；該系統(tǒng)的建立也將極大的推動(dòng)采礦工程數(shù)字化的進(jìn)程，讓以前工程實(shí)踐所積累的寶貴基礎(chǔ)參數(shù)重新煥發(fā)活力。

“中國應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫”實(shí)現(xiàn)了多種方式的地應(yīng)力數(shù)據(jù)查詢以及不同方式的地應(yīng)力數(shù)據(jù)輸出，極大地方便了煤礦工作者對于地應(yīng)力數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

備注：本文所寫的“中國煤礦”所在地理區(qū)域是指中國大陸地區(qū)，不含中國臺灣地區(qū)。