数字岩石力学专题┃数据驱动计算力学的煤矿采动应力场透明化技术（煤科总院深地科学院）

2025年04月18日 17:17 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

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摘要

煤矿开采的采动应力场变化关乎矿井安全，现有监测技术存在诸多缺陷，基于此，提出基于数据驱动力学的采动应力场重构方法，以采动应力场透明化为目标，用材料本构数据替代传统模型，减少对高质量数据的依赖。通过智能数据补全与融合算法处理监测数据缺失和噪音问题，并结合深度神经网络误差校正，建立智能互馈机制。经三维悬臂梁数值模拟及实际煤矿工程案例验证，该方法能有效消除数据误差和偏差，提升数据利用率与计算效率，促进智能互馈机制建立。

文章来源：《智能矿山》2025年第3期“数字岩石力学”专题

作者简介：江星宇，主要从事采矿应力流、数值模拟的相关技术研究工作。E-mail：jiangxingyu0519@gmail.com

作者单位：煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院

引用格式：江星宇，刘千惠，王守光，等. 数据驱动计算力学的煤矿采动应力场透明化技术[J].智能矿山，2025，6(3)：44-48.

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采动应力监测存在的问题

目前采动应力监测技术存在监测精度低、覆盖范围有限、实时预警不及时等问题。基于当量钻屑法的监测方法通过钻孔过程中的钻屑量变化推断煤体应力状态，操作简便、预警效果好，但监测范围局限于钻孔附近，难以实现全面覆盖；微震监测可用于预警大范围应力变化，但适用于定性层面，单一指标间难以耦合，易受到噪音干扰；声发射监测具有较高灵敏度，但在复杂地质条件下效果受限；应力解除法提供准确原始应力数据，但操作复杂，通常只应用在较为关注的局部区域；水压致裂法是地应力近似估算方法，测量精度受限，比较适用于其他方法难以完成的深孔地应力测量。

传统应力监测技术只监测岩体局部范围，无法获得全局应力场，为解决全域应力场还原问题，数值模拟通过建模、网格划分和计算等步骤，模拟煤岩体应力状态。在理论上覆盖更广泛的区域，并提供详细的应力分布图。数值模拟存在确定模型参数、划分网格单元的精度或形状，以及后续计算需求、构建模型真实反映实际地质条件等诸多限制，影响模拟结果的准确性和应用效果。

基于数据驱动力学的采动应力场重构方法

近年来，数据驱动计算力学在煤矿工程中的应用也逐渐增多，特别是在采动应力场的监测与分析方面。数据驱动力学算法以煤矿采动应力场透明化为目标，提出了一种基于数据驱动计算力学的应力场重构方法。利用现场监测数据直接进行力学计算，减少了对传统本构模型和高质量数据依赖。通过智能数据补全与融合算法，解决了监测数据缺失和噪音问题，实现了对采动应力场的精准重构。结合深度神经网络误差校正，建立了矿山应力监测与数值计算的智能互馈机制，准确重构采动应力场，提升应力场透明化水平，有效预防和控制冲击地压等灾害，保障矿井安全生产。

2.1 数据驱动计算力学基本步骤

数据驱动计算力学是将材料本构数据替代传统本构模型，避免因本构建模带来的误差和不确定性。定义每个积分点与应变-应力对数据集中最近邻点间的距离函数，是应变表示的能量泛函和用应力表示的能量泛函之和。根据应变能定理，确定全局距离函数的积分极小值对应系统的平衡状态。

针对给定物理模型，对每个积分点的距离函数加权求和，得到全局距离函数，在满足位移连续性和力平衡约束条件下的极小值问题等价于固体力学的数值计算问题，算法分为7个基本步骤。

（1）为每个材料点（或监测点）指定应力-应变状态对值，应力-应变状态对值来自预指定的材料数据集，同时需满足兼容性和平衡性约束。

（2）评估每个材料点状态的应力状态、应变状态与对应数据集的偏离程度定义罚函数。

（3）最小化全局罚函数，同时满足平衡和兼容约束定义约束优化问题。

（4）使用拉格朗日乘子法将约束优化问题转化为等价稳态问题。

（5）求解稳态，得到位移、应力等变量。

（6）全局搜索在数据集中为每个材料点找到与其状态最接近的数据点。

（7）重复步骤（5）和（6）至收敛。

2.2 数据驱动力学在采动应力场重构中优势

基于矿井地质情况和实际开采结构建立几何模型，创建全面反映矿井空间分布的三维模型，并进行网格划分，将连续的几何模型分解为离散的有限元单元。在模型中定义节点、节点间拓扑关系、形函数、形函数对应的导数矩阵和积分点权重，地层几何模型的网格划分如图1所示。

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图1 地层几何模型的网格划分

传统数值模拟方法对网格质量要求较高，精细网格划分提高了计算精度，但增加计算成本。在数据驱动计算力学框架下，利用现场监测获取的应力-应变数据，降低网格质量要求。不再依赖于传统本构模型，计算基于实际材料数据，在较为简化的几何模型和粗略网格划分条件下，仍能保证计算结果的准确性、高精度和计算效率。数据驱动计算力学对采动应力场的快速重构，适应煤矿复杂多变的地质条件，提升了对采动应力场的表征能力，为煤矿采动应力场的透明化和冲击地压等灾害的预防提供了有力的技术支撑。

2.3 采动应力场重构数据处理与补全

实际工程应力或应变监测过程中，完整连续的数据对材料本构数据集的构建和有限元模型节点的数据分配起到关键作用。受限于监测设备性能以及复杂环境中噪音干扰等因素，数据缺失时常出现，缺失数据特征经过不同测量维度组合可分类为多个集合，根据数据缺失和噪音程度2个维度将数据分为4类，数据驱动力学表征方法示意如图2所示。

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图2 数据驱动力学表征方法示意

针对数据缺失的不同类型，采用智能数据补全算法，根据工程经验和相邻数据，估算出缺失位置可能的材料参数及本构模型，估算参数用于构建材料刚度矩阵，补全缺失应力或应变，提高监测数据完整性，确保后续计算顺利进行。

高噪音数据处理可通过多步骤优化数据质量。利用材料刚度矩阵和几何模型进行有限元计算，设置合理随机边界条件，生成相应空间点的应力-应变对。根据数据集噪音水平，动态调整生成数据量丰富数据集，并且减少噪音对整体数据精度影响。为了避免追加数据与原始测量数据的分布差异，处理后的数据经随机排列，计算数据和实际测量数据在存储空间均匀混合，确保数据处理后的合理性和一致性。

数据驱动力学表征应用框架及计算案例

3.1 应用框架

工程实施需要构建数据采集处理与计算为一体的系统，为工程结构提供高效精确的力学特性表征。力学表征应用框架内多个功能单元协同工作，确保数据从获取到输出的准确性和完整性。框架中为多源监测数据，提供应力或变形且有监测点位置信息，可作为输入数据加入计算框架，力学表征应用框架如图3所示，力学表征计算分为4个步骤。

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图3 力学表征应用框架

（1）应力测量单元和应变测量单元负责采集现场数据，测量对象为固体表面或内部的应力和应变状态，二者均作为对称二阶张量进行记录。

（2）采集数据传输至数据融合单元，对于测量应力或应变缺失情况，数据融合单元基于估算材料参数进行补全。补全后，数据被随机重新排列，确保在后续处理中的均匀性；融合计算噪音较大数据，加入理论数据降低噪音影响，提升数据的整体精度。

（3）数据过处理后存储在数据信息存储单元，包括应力、应变等物理量的全面记录，几何模型拓扑结构保存在几何信息存储单元，用于描述固体对象节点坐标及空间拓扑关系。

（4）数据驱动单元根据存储信息，执行数据驱动的力学算法，生成全局应力、应变和位移数据。融合测量数据与补全后的数据，结合几何模型中节点关系，完成整个力学表征计算，确保了从数据采集到力学计算全流程的高效性。

3.2 计算案例

以三维悬臂梁案例数值模拟案例验证模型有效性。三维悬臂梁计算模型和网格如图4所示，悬臂梁左侧固支，右侧施加-0.1kPa的力，有限元计算采用线弹性本构模型生成100000个应力-应变数据，并对50%数据添加20%误差，对15%数据添加10%偏差，模拟实际监测中数据不准确情况，有限元生成数据如图5所示。

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图4 三维悬臂梁计算模型和网格

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图5 有限元生成数据

依据有限元线弹性模型以及数据驱动控制方程的数据驱动等效问题的数学描述得出计算结果，计算结果收敛曲线如图6所示，100000个数据点经过算法12个迭代步内收敛，计算时间≤400ms，误差随迭代步增加降低，收敛性一致性良好。

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图6 计算结果收敛情况

计算得到的全局应力在应力空间中的分布如图7所示（图中σ为应力，ε为应变），数据驱动的计算框架很好地消除了噪音数据，有效纠正数据中存在的偏差，结果符合构造数据时的线弹性假设。三维悬臂梁计算案例有效证明数据驱动计算力学框架在消除监测数据误差和纠正数据偏差的有效性。

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图7 全局应力变形在应力空间中的分布

煤矿工程尺度采动应力场透明化应用案例

为验证基于数据驱动计算力学的采动应力场重构方法的有效性和可行性，选取了某实际煤矿作为工程应用案例。通过将该方法与煤炭科学研究总院有限公司深地科学院应力与计算研究所自主研发的CoBums数值仿真平台相结合，实现了该煤矿采动应力场的透明化，采动应力场透明化工程应用案例如图8所示。

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图8 采动应力场透明化工程应用案例

某煤矿工程应用案例证明了基于数据驱动计算力学的采动应力场重构方法在实际煤矿中的有效性，取得了3项应用成果。

（1）提升了数据利用率

充分利用了现场监测数据，解决了数据缺失和噪音带来误差影响，降低了对高质量模型和参数的依赖。

（2）提高了计算效率

由于对网格质量要求较低，计算过程更加高效，满足矿井安全管理对实时性的要求。

（3）促进了智能互馈机制的建立

结合深度神经网络的误差校正，实现了矿山应力监测与数值计算的智能互馈，进一步提升了计算结果的精度和可靠性。

结语

基于数据驱动计算力学的采动应力场透明化方法，通过智能数据补全与融合算法，解决了监测数据中缺失和噪音问题，利用数据驱动计算力学，实现了对采动应力场的精准重构。应用案例表明数据驱动计算力学有效提高了采动应力场模拟的精度和可靠性，为煤矿安全生产和灾害预警提供了新的技术手段。未来将进一步结合实时监测数据，完善智能互馈机制，推动采动应力场透明化技术的发展。

END

编辑丨李莎

审核丨赵瑞