煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力分布影響的數(shù)值模擬分析

劉華姣

（成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

1.引言

煤炭井下開(kāi)采中，應(yīng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析，明確構(gòu)造具體類(lèi)型，如斷層、向斜和裂隙等等，并且結(jié)合具體力學(xué)性質(zhì)，研究煤巖體力學(xué)形式，對(duì)影響地應(yīng)力分布的因素進(jìn)行控制，關(guān)注構(gòu)造應(yīng)力變化。實(shí)踐表明，地應(yīng)力場(chǎng)變化與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，相關(guān)人員應(yīng)分析地應(yīng)力場(chǎng)力學(xué)性質(zhì)，對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行識(shí)別。

2.核心概念淺析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造是地殼運(yùn)動(dòng)變化形成的地理環(huán)境，受到內(nèi)外應(yīng)力變化，是地下巖層和巖體發(fā)生變形或位移留下的形態(tài)。通常情況下，地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型主要包括背斜、向斜、地壘和斷層等等。相關(guān)構(gòu)造會(huì)影響煤礦井下地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性與滲漏性。在煤礦井下作業(yè)中，為確保安全性，應(yīng)充分考慮地質(zhì)構(gòu)造情況，施工作業(yè)中，應(yīng)避開(kāi)巖石破碎、強(qiáng)度較低的地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境，并且加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)監(jiān)控[1]。

2.2 地應(yīng)力

地應(yīng)力即存在于地殼中的應(yīng)力，是巖石發(fā)生形變后，作用在內(nèi)部介質(zhì)上的力，具體包括兩部分，一是覆蓋巖石重量引起的應(yīng)力；二是地球自轉(zhuǎn)和引力變化形成的慣性離心力[2]。在煤礦井下作業(yè)時(shí)，應(yīng)充分考慮地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力影響，并制定有效防護(hù)措施，提升開(kāi)采作業(yè)安全性。實(shí)際開(kāi)采中，不同開(kāi)采面地應(yīng)力具有較大差異。造成這一現(xiàn)象的主要原因是我國(guó)煤炭資源豐富，地下煤巖體存在不同類(lèi)型，相關(guān)要素會(huì)對(duì)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定造成實(shí)質(zhì)影響[3]。

3.礦井地質(zhì)構(gòu)造影響

3.1 確定數(shù)值模型

為加深地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)程度，以某地礦區(qū)（主要是向斜地質(zhì)構(gòu)造）為研究對(duì)象，使用FLAC 軟件對(duì)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行模擬。研究結(jié)果能夠?yàn)閷?shí)際工作提供理論參考，發(fā)揮研究工作實(shí)用價(jià)值[4]。實(shí)踐分析中，鑒于多層向斜構(gòu)造中，F(xiàn)LAC 數(shù)值模型十分復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究目標(biāo)，構(gòu)建了接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的三維動(dòng)態(tài)化模式，使用Rhinoceros 軟件，對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建，并且對(duì)三維單元進(jìn)行劃分。劃分單元需要導(dǎo)入到FLAC 軟件系統(tǒng)中，達(dá)到獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)目的[5]。

模型構(gòu)建中，根據(jù)該地區(qū)鉆孔柱狀圖、煤層底板等高線、井上井下作業(yè)圖，對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行整合分析，確定數(shù)值模型。實(shí)際操作中，確定了模型范圍。模型為長(zhǎng)2000 m，寬1000 m，高1000 m 的長(zhǎng)方體。研究中，考慮到地應(yīng)力是造成地殼運(yùn)動(dòng)和變化的主要力量，可具體分為內(nèi)應(yīng)力與外應(yīng)力，不同地質(zhì)構(gòu)造會(huì)受到不同地應(yīng)力影響，因此，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際條件，明確模擬條件和參數(shù)[6]。

為明確向斜構(gòu)造中水平應(yīng)力場(chǎng)分布特征，需要將數(shù)值模型中上覆蓋巖層去除，在此基礎(chǔ)上，對(duì)基本頂和直接頂內(nèi)容進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平應(yīng)力情況的有效了解。通過(guò)對(duì)基本頂?shù)难芯?，也能夠檢驗(yàn)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，對(duì)相關(guān)參數(shù)和數(shù)值變化情況進(jìn)行分析，使得理論研究更加具有應(yīng)用價(jià)值[7]。煤層地質(zhì)構(gòu)造中，應(yīng)對(duì)向斜軸向的水平應(yīng)力進(jìn)行分析，明確最大值。水平應(yīng)力變化沿著向斜翼部發(fā)生變化，具有逐漸變小的趨勢(shì)，并且能在向斜軸內(nèi)部達(dá)到受力平衡。

數(shù)值模型分析基礎(chǔ)建立在巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有一致性前提條件下。值得注意的是，在確定數(shù)值模型中，應(yīng)確保基本頂位于向斜軸部范圍內(nèi)，并且要求水平應(yīng)力值大于垂直應(yīng)力值。而煤層部分?jǐn)?shù)值模型的研究中，需要確保煤層位于斜軸相關(guān)部位，其水平應(yīng)力值應(yīng)小于垂直應(yīng)力值。但是，數(shù)值模型研究中，也考慮到造成各層水平應(yīng)力增加量的因素多變，并且相互之間不存在關(guān)聯(lián)性，彈性模量基本頂水平應(yīng)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層部分水平應(yīng)力變化。

本文在相對(duì)完整的基本頂砂巖中，對(duì)地應(yīng)力具體變化值進(jìn)行數(shù)值模型構(gòu)建，并且對(duì)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，提升結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確率。由于直接頂與煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)破碎，不具有完整性特征，因此在研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力產(chǎn)生的具體影響時(shí)，經(jīng)常忽略相關(guān)因素變化[8]。研究數(shù)值模型，可得到相對(duì)有價(jià)值的結(jié)論：巖層彈性模量降低，則水平應(yīng)力值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且其應(yīng)力狀態(tài)以構(gòu)造力為主，轉(zhuǎn)向自重力為主。

3.2 條件模擬與參數(shù)確定

根據(jù)煤礦井下實(shí)際情況，分析煤巖體應(yīng)力變化，其主要包括兩個(gè)部分，一是巖體自重應(yīng)力引發(fā)的水平應(yīng)力分量；二是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的水平應(yīng)力分量。計(jì)算最大水平應(yīng)力可使用以下公式：

條件模擬的過(guò)程主要分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段是模擬自重應(yīng)力場(chǎng)，在這一過(guò)程中，應(yīng)控制模型底面的垂直位移變化量。當(dāng)4 個(gè)側(cè)面朝向水平位移方向固定時(shí)，模型在自重下運(yùn)算結(jié)果平衡。第二階段是模擬構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，這一階段主要是規(guī)范模型右側(cè)面的法向水平位移固定邊界條件，并且對(duì)其施加速度邊界條件，達(dá)到理想控制目標(biāo)，同時(shí)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行明確。

研究中，根據(jù)礦井所在地測(cè)量結(jié)果，通過(guò)后10 個(gè)測(cè)站地應(yīng)力大小、方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體水平應(yīng)力的合理模擬。經(jīng)過(guò)權(quán)威計(jì)算，后10 個(gè)測(cè)站的最大水平應(yīng)力平均值為21.7MPa，平均垂直應(yīng)力11.8MPa。此時(shí)自重應(yīng)力在水平方向產(chǎn)生的分量為4.1MPa（根據(jù)泊松比μ=0.25 計(jì)算得出）。

條件模擬和參數(shù)確定是研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力產(chǎn)生影響的理論基礎(chǔ)，相關(guān)人員應(yīng)綜合分析礦區(qū)實(shí)際情況，根據(jù)井下作業(yè)實(shí)際情況，對(duì)模型條件和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行獲取，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于地質(zhì)條件分析有效模型，提升參數(shù)研究?jī)r(jià)值。同時(shí)，也應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)果的真實(shí)性與合理性[9]。

條件模擬中，對(duì)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，并且結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，對(duì)模擬結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，提升理論研究?jī)r(jià)值。文中理論研究部分主要基于10 個(gè)觀測(cè)站數(shù)值。垂直應(yīng)力變化也應(yīng)根據(jù)上覆蓋層的厚度進(jìn)行估算，并考慮構(gòu)造基本情況。地形起伏變化主要受到地質(zhì)構(gòu)造影響，因此，在分析具體參數(shù)和數(shù)據(jù)模型過(guò)程中，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造實(shí)際情況進(jìn)行明確，根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)向斜軸部局部地段進(jìn)行分析，此時(shí)垂直力增加較為明顯。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生的具體應(yīng)用，需要關(guān)注煤巖體自重應(yīng)力場(chǎng)變化，分析重力作用下，各層巖體的壓實(shí)情況，通過(guò)科學(xué)有效分析，獲取準(zhǔn)確的參考值和影響程度。實(shí)踐分析中，通過(guò)對(duì)模型的研究可知，煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力的大小與巖層的密度和重力加速度有關(guān)。實(shí)踐應(yīng)用中，考慮煤巖體各部分情況受力不同，因此在模型中，各煤巖層具有較大變化，但是相關(guān)數(shù)值在煤巖層以外的變化不大，造成這一現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是各煤巖層密度差別較小，垂直密度仍沿水平梯度變化，并且具有正向相關(guān)性，即實(shí)際埋深越大則垂直應(yīng)力增加。

水平應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程與重力因素有關(guān)，巖煤層水平方向移動(dòng)受到限制。分析煤巖層水平方向變化，主要考慮模型中的泊松比，同時(shí)，自重應(yīng)力形成中，水平應(yīng)力也會(huì)呈現(xiàn)出階梯變化規(guī)律。變化規(guī)律與巖體埋深有關(guān)，埋深增加，則水平應(yīng)力增加。

結(jié)果分析中，也考慮了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程，分析水平擠壓作用下，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)的具體變化規(guī)律。實(shí)踐中，考慮地層變形模量相對(duì)較大，在相同擠壓速度下，巖層結(jié)構(gòu)向上隆起的程度出現(xiàn)明顯差別。具體變化情況，主要分析向斜滑動(dòng)面[10]。在滑動(dòng)面左側(cè)，地層整體變形模量與右側(cè)比較相對(duì)較小，形成的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，是左側(cè)地層隆起較大，而右側(cè)地層隆起較小。相關(guān)變化情況如圖1 所示。

如圖，在構(gòu)造應(yīng)力的影響下，煤巖層內(nèi)水平應(yīng)力變大，并且具有持續(xù)增加的趨勢(shì)。根據(jù)以上討論結(jié)果可知，水平應(yīng)力增加量與彈性模量變化具有線性關(guān)系，因此，各層煤巖體的彈性模量相差較大。原有的水平應(yīng)力值中，應(yīng)充分考慮地質(zhì)構(gòu)造影響，使得自重應(yīng)力下能夠形成水平應(yīng)力扭轉(zhuǎn)，而彈性模量較小巖層中，實(shí)際承載力也相對(duì)較小，因此，需要對(duì)水平承載力進(jìn)行控制。

圖1 水平應(yīng)力演化過(guò)程

4.結(jié)語(yǔ)

在研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力產(chǎn)生的影響中，首先應(yīng)明確具體構(gòu)造類(lèi)型，對(duì)不同構(gòu)造類(lèi)型下，地應(yīng)力的變化情況進(jìn)行有效分析，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建理論模型，分析相關(guān)參數(shù)與實(shí)際值，使得研究過(guò)程更加科學(xué)。文章在明確數(shù)值類(lèi)型的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，并且對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析與驗(yàn)證，系統(tǒng)合理分析了地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型和相關(guān)影響因素，構(gòu)建了地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力場(chǎng)變化的模型，為礦井安全開(kāi)采提供技術(shù)理論支撐。