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        逆沖斷層周圍地應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

        2014-04-20 01:43:44宋錄生李樹剛顏廷旭
        中國煤炭 2014年2期
        關(guān)鍵詞:采區(qū)主應(yīng)力剖面

        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(cuò)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(gè)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(gè)單元,斷層剖面4個(gè)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(bào)告和實(shí)驗(yàn)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?yàn)閤 軸方向,中間水平主應(yīng)力σ2=-24 MPa,方向?yàn)閥 軸方向,頂部區(qū)域施加最小主應(yīng)力σ3=-20.5 MPa,方向?yàn)閦軸方向。

        圖2 數(shù)值計(jì)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(jì)算平衡后,運(yùn)用Tecplot軟件對計(jì)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(shí)地應(yīng)力分布規(guī)律

        根據(jù)圖3 所示的數(shù)值計(jì)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(shí)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(shí),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(shí)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(shí)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(diǎn)基本一致,也出現(xiàn)了波浪起伏的應(yīng)力特征,此時(shí)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(shí),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。

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