逆沖斷層周圍地應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

宋錄生 李樹剛 顏廷旭

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；

2.河南義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南省義馬市，472300）

為了對斷層附近沖擊礦壓進(jìn)行預(yù)測及防治，必須了解斷層對其周圍地應(yīng)力分布規(guī)律的影響。目前，在斷層與地應(yīng)力的關(guān)系方面己有較多的研究成果。本文采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，以義馬礦區(qū)25采區(qū)地質(zhì)條件為原型，對逆沖斷層周圍地應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了斷層剖面、斷層下盤剖面與煤層截面相交線處、沿煤層傾向方向剖面的地應(yīng)力分布。

1 義馬礦區(qū)25采區(qū)概況

義馬礦區(qū)25采區(qū)的采掘工程布置如圖1所示，該采區(qū)受到南面F16 逆沖斷層的影響，據(jù)現(xiàn)場勘測資料，F(xiàn)16斷層為壓向壓扭性逆沖斷層，在陜澠～義馬礦區(qū)，走向110°，延展長度約45km，走向近東西，傾向南略偏東，淺部傾角75°，深部傾角15°～35°，逆沖面上陡下緩，落差50～500m，水平錯距120～1080m，北接千秋井田，向東延入躍進(jìn)、常村井田，向西延入耿村、楊村井田。

圖1 采區(qū)的采掘工程布置圖

2 FLAC3D 數(shù)值模型的建立

2.1 模型建立

本次研究的數(shù)值模擬模型地質(zhì)條件參考的是躍進(jìn)煤礦25采區(qū)的地質(zhì)條件，為了研究F16逆沖斷層對整個25采區(qū)、尤其是25110工作面回采前的影響，數(shù)值模擬對地質(zhì)條件進(jìn)行了適當(dāng)簡化，巖層傾角按平均傾角12°考慮，并去掉了25采區(qū)中的附屬小斷層，模型尺寸為1365 m×1050 m×350 m（長×寬×高），共設(shè)267936 個單元，斷層剖面4個角坐標(biāo)為 （310，0，0） （200，0，350） （240，1050，350）（120，1050，0），煤層巷道開挖區(qū)域單元進(jìn)行細(xì)化。

2.2 煤巖體力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬中用到的煤巖體力學(xué)參數(shù)參考躍進(jìn)煤礦相關(guān)地質(zhì)報告和實驗室測試結(jié)果，對于煤巖層厚度取整數(shù)考慮，具體的煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

2.3 模型的邊界條件

研究結(jié)果表明，不同形式的斷層對應(yīng)著主應(yīng)力軸不同的大小關(guān)系，其中逆斷層的最小主應(yīng)力軸為垂直狀態(tài)，最大主應(yīng)力軸與中間主應(yīng)力軸為水平狀態(tài)，因此在FLAC3D 中建立的三維數(shù)值模型如圖2所示，其中模型底部固定，四周區(qū)域施加最大水平主應(yīng)力σ1=-29 MPa，方向為x 軸方向，中間水平主應(yīng)力σ2=-24 MPa，方向為y 軸方向，頂部區(qū)域施加最小主應(yīng)力σ3=-20.5 MPa，方向為z軸方向。

圖2 數(shù)值計算模型圖

3 逆沖斷層附近地應(yīng)力分布規(guī)律

為了分析逆沖斷層影響下地應(yīng)力的分布規(guī)律，當(dāng)模型計算平衡后，運用Tecplot軟件對計算結(jié)果進(jìn)行后處理。需要說明的是由于網(wǎng)格差異也會造成應(yīng)力集中，因此在后續(xù)的應(yīng)力分布規(guī)律分析過程中，不考慮由網(wǎng)格差異造成的應(yīng)力集中。

3.1 垂直于y 方向剖面時地應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)圖3 所示的數(shù)值計算模型圖，取y=500m，沿該平面方向作剖面，得到剖面上的地應(yīng)力分布見圖3 （a）～圖3 （e）。

從圖3可以看出，數(shù)值模型在受到x 方向兩邊擠壓力的邊界條件下，左右兩邊區(qū)域的x 方向應(yīng)力值要高于中間區(qū)域；由于逆沖斷層的存在，斷層附近上下盤x 方向應(yīng)力值出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象，且x方向最高應(yīng)力值發(fā)生在斷層的上盤頂部，大小約為22 MPa，x 方向最小應(yīng)力值發(fā)生在斷層的下盤底部，大小約為6 MPa。

圖3 y=500m 時剖面地應(yīng)力分布規(guī)律

逆沖斷層的存在使得y 方向應(yīng)力值在上下盤出現(xiàn)了不一樣的變化規(guī)律，其中下盤的y 方向應(yīng)力值出現(xiàn)了隨深度增加而降低的情況，最低值約為6 MPa，上盤的頂部出現(xiàn)了較大的y 方向應(yīng)力值，其最大應(yīng)力值約為17 MPa。

隨著z軸數(shù)值減小方向，該處的z方向應(yīng)力值也不斷加大，其中最小垂直應(yīng)力值發(fā)生在斷層上盤頂部，最小值約為14 MPa，最大垂直應(yīng)力值發(fā)生在斷層上盤底部，最大值約為38 MPa。

最大主應(yīng)力分布與垂直應(yīng)力的分布規(guī)律基本一致，其模型內(nèi)應(yīng)力值大小也互相對應(yīng)。最小主應(yīng)力分布規(guī)律則和x 方向水平應(yīng)力基本一致，數(shù)值和x方向水平應(yīng)力相對應(yīng)。

3.2 斷層下盤剖面與煤層截面相交處地應(yīng)力分布規(guī)律

為了分析逆沖斷層附近地應(yīng)力的分布規(guī)律，將斷層下盤剖面與煤層中間層截面相交線定為監(jiān)測線，對監(jiān)測線上應(yīng)力值的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明監(jiān)測線上z方向應(yīng)力值與最大主應(yīng)力值基本一致，而水平x 方向、水平y(tǒng) 方向應(yīng)力值與最小主應(yīng)力值基本一致，且最大主應(yīng)力值在距離斷層一定范圍內(nèi)，隨著距離值的加大，應(yīng)力值不斷增大，即距離值達(dá)到一定值時，應(yīng)力值將不再增大，這說明在斷層影響的一定范圍內(nèi)，煤層由于受到較大的垂直z方向應(yīng)力值，發(fā)生了塑性破壞，此時表現(xiàn)為隨著距離斷層越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越高的情況。煤層內(nèi)最小主應(yīng)力值的變化受距斷層的距離影響不大，其值基本處于同一水平，約為8 MPa。

3.3 沿煤層傾向方向剖面時煤層中間層地應(yīng)力分布規(guī)律

為了更全面地分析逆沖斷層影響下煤層中的地應(yīng)力值分布規(guī)律，將煤層沿煤層傾角方向作剖面，模擬剖面上的地應(yīng)力分布。

模擬結(jié)果表明：由于受到x 方向邊界力的擠壓作用，煤層中的水平x 方向應(yīng)力值出現(xiàn)了波浪起伏的應(yīng)力特征，且煤層中的應(yīng)力值維持在9MPa左右。

煤層中的水平y(tǒng) 方向應(yīng)力值與x 方向的應(yīng)力值變化特點基本一致，也出現(xiàn)了波浪起伏的應(yīng)力特征，此時煤層中的應(yīng)力值維持在10 MPa左右，其值略高于x 方向的應(yīng)力值。

斷層下盤煤層中間層的垂直應(yīng)力值與水平應(yīng)力值的變化特征是不一致的，由于煤層傾角的存在，z方向應(yīng)力值隨著距斷層的接近出現(xiàn)了梯度性的增大，當(dāng)距離斷層越近，由于受斷層下盤的影響，垂直應(yīng)力值出現(xiàn)了梯度性的減小，而斷層上盤的巖層區(qū)域出現(xiàn)了與斷層下盤煤層區(qū)域截然不同的垂直應(yīng)力值變化特征，這說明斷層的存在使得上下盤的應(yīng)力出現(xiàn)了不連續(xù)，且?guī)r層與煤層不同的物理力學(xué)性質(zhì)在高應(yīng)力作用下也表現(xiàn)出了不同的受力狀態(tài)。

最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分布分別與z方向應(yīng)力、水平x 方向應(yīng)力基本一致。

4 結(jié)論

（1）斷層附近上下盤的x 方向應(yīng)力值出現(xiàn)了不連續(xù)，最高應(yīng)力值發(fā)生在斷層的上盤頂部，最小應(yīng)力值發(fā)生在斷層的下盤底部；y 方向上，下盤的應(yīng)力值隨深度增加而降低，上盤的頂部出現(xiàn)了較大的y 方向應(yīng)力值；z方向應(yīng)力值變化與y 方向上相反。

（2）最大主應(yīng)力值在距離斷層一定范圍內(nèi)，隨著距離值的加大，應(yīng)力值不斷增大，當(dāng)距離值達(dá)到一定值時，應(yīng)力值將不再增大。

（3）斷層的存在使得上下盤的應(yīng)力變化出現(xiàn)了不連續(xù)；最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分布分別與z方向應(yīng)力、水平x 方向應(yīng)力基本一致。

［1］ 趙本均.沖擊礦壓及防治 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1995

［2］ 潘立友，鐘亞平.深井沖擊地壓及其防治 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997

［3］ 袁秋新，深部構(gòu)造應(yīng)力作用下的巷道穩(wěn)定控制技術(shù)［J］.中國煤炭，2010 （4）

［4］ 孟召平，彭蘇萍，馮玉等.斷裂結(jié)構(gòu)面對回采工作面礦壓及頂板穩(wěn)定性的影響 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2006 （3）

［5］ 班士杰，王富青.高地應(yīng)力區(qū)域軟巖巷道加固技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］.中國煤炭，2008（8）

［6］ 勾攀峰，胡有光.斷層附近回采巷道頂板巖層運動特征研究 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2006 （3）

［7］ 譚成軒，孫川鋒，孫葉等.地應(yīng)力測量及其地下工程應(yīng)用的思考 ［J］.地質(zhì)學(xué)報，2006（10）

［8］ 孫宗頎，張景和.地應(yīng)力在地質(zhì)斷層構(gòu)造發(fā)生前后的變化 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004（23）

［9］ 謝富仁.利用斷層滑動資料確定構(gòu)造應(yīng)力主方向的方法 ［A］.中國活動斷裂研究 ［C］.北京：地震出版社，1994

［10］ 李方全.斷層活動與原地應(yīng)力狀態(tài) ［A］.中國活動斷層研究 ［C］.北京：地震出版社，1994

［11］ 謝富仁，崔效峰，趙建濤.全球應(yīng)力場與構(gòu)造分析［J］.地學(xué)前緣，2003（S1）

［12］ 潘岳，解金玉，顧善發(fā).非均勻圍壓下礦井?dāng)鄬記_擊地壓的突變理論分析 ［J］ .巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001（3）