1、煤矿井下地质构造对地应力分布的影响摘要：在煤矿井下存在着如断层、褶曲、裂隙、层理、节理等不同规模、不同类型的地质构造，地质构造的不同会对岩体力学性质产生不同的影响。地应力的主要引发因素是地质构造运动和重力作用，构造运动中的水平方向运动对地应力形成的影响最大。本文分析了地质构造、地应力方向二者之间的关系，并使用 FLAC3D（有限差分数值模拟）软件构建了常见地质构造的数值模型，希望通过此次分析与探讨，能对相关地质事业有所参考。 关键字：煤矿井下 地质构造 地应力分布 数值模拟 中图分类号： F407.1 文献标识码：A 文章编号： 一、前言 断层、褶曲、裂隙、层理、节理等类型的地质构造，都是由于
2、构造应力作用使地壳岩石发生断裂、形变而表现出来的构造形态。应力条件的不同，往往会造就不同的地质构造，由此可见，在一定程度上地质构造也是构造应力状态的具体反映。在一次构造运动下所形成的地质构造，它与主应力的相关关系较为确定。但实际的地质构造中，绝大部分都是在多次构造运动作用下的结果，且每次构造运动都会对地应力造成不同的影响，所以地质构造、地应力二者有着十分复杂的关系，要对其进行研究就必须要从构造的先后生成关系、演化期次入手。地质构造与地应力关系的复杂，决定了地质构造分析结构仅能是定性的或半定量的，对于地应力大小、方向则较难准确确定，因此要实现地应力状态的准确确定，就必须采用地应力现场测试方法。在
3、本文中，地质构造、地应力二者关系研究仅限于一次构造运动所形成的地质构造。 二、地质构造、主应力方向二者关系探析 （一）断层构造与主应力方向 在煤矿井下的地质构造中，断层是较为普遍的地质构造类型，对于煤炭生产有着较大影响。通过断层确定主应力方向的方法有：通过断层面产状、擦痕侧伏角及移位符号来确定应力方向，通过典型共轭断层来确定应力轴。根据断层两盘的位移形式，可将断层划分为平移断层、逆断层、正断层。断层类型的不同，其对应的地应力状态也会有所区别，与主应力轴之间的关系也有较大差异。正断层、逆断层和平移断层与主主应力轴之间的关系分别如图 1（a） 、 （b） 、 （c）所示。 图 1 断层与应力轴的关
4、系示意图 图 1（a）中最大主应力轴为垂直方向的 1，中间主应力轴 2 与最小主应力轴 3 均为水平方向，断层走向为 2；图 1（b）中的最大主应力轴 1 与中间主应力轴 2 都为水平方向，最小主应力轴 3 为垂直方向，断层走向与 2；图 1（c）中的最大主应力轴 1 与最小主应力轴 3 都为水平方向，中间主应力轴 2 为垂直方向，断层走向为2。 （二）褶曲构造与主应力方向 褶曲地质构造主要包括了纵弯褶皱和横弯褶皱两种类型，其中纵弯褶皱是最多的褶曲构造。纵弯褶皱，是由岩层的水平运动对岩层造成顺层挤压所造成的，在纵弯褶皱变形简单，轴面几乎垂直时，轴面为压性结构面，其最大主应力在水平方向，最小主应
5、力在垂直方向，中间主应力平行于褶皱轴线；在轴面平卧、倒转、倾斜时，难以确定主应力方向，此时可根据轴向，将中间主应力方向确定为与之平行的方向。 横弯褶皱，是由于岩层在垂直方向的升降运动所造成的。横弯褶皱的最大主应力方向近似于垂直，中间主应力与最小主应力方向则在水平方向，但在某些情况下，如圆形弯隆，则不易确定主应力的具体方向。若是短轴直立背斜，其中间主应力方向就为长轴方向，水平方向则为最小主应力方向。 三、煤矿井下地质构造对地应力分布影响的模拟分析 为了使得煤矿井下地质构造对地应力分布影响更加形象与具体，本文将以某矿区向斜构造作为研究对象，并采用 FLAC3D 软件进行模拟分析。（一）相关数据模型
6、的构建 对于本次研究而言，采用的 FLAC3D 软件其数值模型十分复杂，主要在于向斜构造具有多地层结构，而该软件本身模拟功能上有所欠缺，因此为了使得模拟更加切合实际，本文也辅助采用了 Rhinoceros 软件与Kubrix 软件构造三维模型，最后利用 FLAC3D 软件进行具体的数值计算。总的来说，本文提到的向斜构造在建立数值模型之前，必须对矿区的煤层底板与钻孔柱状图及井上与井下的对照图进行熟悉与了解，将向斜构造一半进行模拟，最终确定出本次模拟范围：长 x 宽 x 高为2km1km1km。为此，我们得到了如图 2 所示的数值模拟图： 图 2 FLAC3D 软件计算数值模型示意图 （二）相关力
7、学参数分析 本次模拟分析中所涉及的参数主要可以由表 1 体现，详见表 1 所示：表 1 相关力学参数表 在表 1 中，从左至右的符号分别表示的是：密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、抗拉强度与黏聚力。 （三）模型条件及相应的模拟过程分析 对于煤岩体的水平应力而言，其组成部分主要有两个方面：第一是自重应力引发的水平应力分量（） ；第二是构造运动导致的水平应力分量（） 。其中最大的水平主应力我们可以采用如下计算公式： （1） 为了使得模拟更加真实，使得地质构造对地应力分布影响的演化过程更加清晰，这里主要采取了以下两个阶段： 1）进行自重应力场的模拟：在该阶段，对于模型底面垂直位移应固定，而且四个侧面
8、的法向水平位移也要固定，接着对模型在自重下进行运算至平衡。 2）进行应力场的模拟及构造：在该阶段，应将模型右侧面的法向水平位移的固定边界条件解除，同时施加一个速度边界条件。 此外，根据事先对该地质构造的地应力测量，我们可以求得后 10 个测站地应力的大小与方向所模拟的水平应力，同时根据自重应力产生的水平应力分量，及构造运动导致的水平应力分量，最终就可以将施加于模型中的水平应变求出来。此外，水平应变也可以利用模型右侧施加一定的水平速度后经过相应运算获取，具体的关系计算为： （2） 在公式（2）中，v 指的是水平速度，S 则指的是运算的时步，L 则为模型的长度。我们在进行数值计算的时候，应保证施加
9、的水平速度要足够小，这样才能保障模型在运算的时候稳定。 （四）对模拟计算的分析 1.自重应力场分析 由于重力作用，对于各个煤层而言，其煤岩体压实，因此其煤岩体中的垂直应力往往由上层覆盖的岩层密度与重力加速度所决定。虽然模型中各个煤层岩层有一定的起伏（某些地方较大） ，但是鉴于除了煤层之外的各个岩层密度之间相差不大，因此垂直应力依然呈现出显著的水平梯状分布：若埋深越大，那么垂直的应力也就会越大。总的来说，水平应力往往是在重力作用下，煤岩层的水平方向移动受到了限制所致。但是，模型中煤岩层的泊松比之间相差无几，故而自重应力场引发的水平应力也呈现出一种明显的水平阶梯状分布。 2.应力场的构造及演化过程
10、 由于水平构造应力的挤压，地层会产生向上隆起。加之各地层的变形模量相差较大，因此，在同样的挤压速度下，不同岩层向上隆起的速率差别较大。同时，水平应力的增加量与煤岩体弹性模量线性相关。由于各层煤岩体的弹性模量相差很大，构造应力引起的水平应力相差也很大，使得原来在自重应力下形成的水平阶梯状的水平应力扭转，弹性模量较大的岩层中承载较大的水平应力，弹性模量较小的岩层中承载较小的水平应力。 3.向斜构造中水平应力场分布特征 为更清晰地分析向斜构造中水平应力场分布特征，将最终模型上覆岩层去除，分别留下基本顶、直接顶和煤层，显示其内部的水平应力分布。此外，应注意的是，基本顶位于向斜轴部的范围内，水平应力大于
11、垂直应力；而煤层位于向斜轴部的范围内，垂直应力都大于水平应力。分析原因，主要是各煤岩层的弹性模量不同，而在水平挤压过程中，各层水平应变相同，导致各层水平应力增加量相差悬殊，弹性模量大的基本顶水平应力远大于煤层。 参考文献： 1 康红普,吴志刚,高富强等.煤矿井下地质构造对地应力分布的影响J.岩石力学与工程学报,2012,31(z1):2674-2680. 2 康红普,林健,颜立新等.山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究J.地球物理学报,2009,52(7):1782-1792. 3 李长洪,张吉良,蔡美峰等.大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系J.北京科技大学学报,2008,30(2):115-119. 4 王胜本,张晓.煤矿井下地质构造与地应力的关系J.煤炭学报,2008,33(7):738-742. 5 郑文海.地应力分布规律的 FLAC3D 模拟研究D.山东科技大学,2011.
