淮南朱集矿F22断层构造区应力模拟分析.pdf

中图分类号 旦三 论文编号 学科分类号 垒垒Q 呈Q Q 密 级垒珏 安徽理工大学 硕士学位论文 淮南朱集矿F 2 2 断层构造区应力模拟分析 作者姓名王狂 专业名称地质王程 研究方向芷差物拯 导师姓名强垩松 导师单位安徽理王太堂 答辩委员会主席黄睡 论文答辩日期2 0 1 5 年6 月6 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 5 年6 月日 万方数据 I I I I II II I I II I III I I IU l Y 2 7 6 7 8 9 5 S t r e s ss i m u l a t i o na n a l y s i so fF 2 2F a u l ts t r u c t u r ez o n ei n H u a i n a nZ h u jim i n e C a n d i d a t e W a n g X u a n S u p e r v i s o r Z h a n gP i n g s o n g S c h o o lo fE a r t ha n dE n v i r o n m e n t A n H u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名j 卑日期』年』 月』日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽堡王太堂有保留、使用学位论文的规 定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞徽堡 王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适 用本授权书 学位论文作者签名如i 签字日期心年占月，口目 签字日期Ir 年6 月，J 日 万方数据 摘要 摘要 淮南朱集矿所处区域地质构造复杂，褶皱、断层等分布密集，加之煤层埋藏 深，使煤矿开采难度加大。该矿区的F 2 2 断层就是区内最重要的逆断层。为了能 够安全、高效地开采该断层上盘的煤炭资源，必须对该断层构造区域的地应力分 布状况做充分了解，本文的研究目的恰在于此。 论文主要收集了该矿区工程地质条件、水文地质条件和勘探时期的地质资料， 并在分析勘探区各钻孔测井资料的基础上，对该区地层的地球物理性质有了基本 判断，即以断层F 2 2 为界，该断层上盘主要表现为低电阻率、高自然伽马测井特 征，断层下盘表现为高电阻率、低自然伽马的测井特征；且断层F 2 2 周围自然电 位表现为明显的负异常。 论文对水压致裂法、应力解除法、声发射法和测井方法等地应力实测技术进 行阐述，分析各种方法的测试原理、测试装备、测试系统和测试方法，并对各种 方法的应用范围、求解地应力的准确性以及各测试方法的优缺点等进行了总结。 论文运用F l a c 3 D 有限差分软件对F 2 2 断层构造区地应力分布规律和断层构 造区巷道开挖应力变化规律进行数值模拟，模拟结果表明由于断层带的存在， 扰乱了地应力的原始分布，即在断层带附近出现了应力异常，且断层上盘应力集 中现象比下盘明显；同时，巷道开挖时，随着开挖距离愈接近断层，其应力变化 愈明显，该结论为巷道的开挖设计、支护等提供了理论参考。 图2 6 表9参 4 7 关键词断层；地应力；数值模拟；塑性区 分类号 T D 3 1 1 ； 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 ．Ⅱ． 万方数据 摘要 A b s 仃a c t Z h 哂im i n eh a sc o m p l e xg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，f o l da n df a u l td i s t r i b u t i o nd e n s e l y , a n dc o a lb u r i e dd e e p ，w h i c hi n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo fc o a lm i n i n g ．T h eF 2 2f a u l ti st h e m o s ti m p o r t a n tt h r u s tf a u l ti nt h em i n i n ga r e a ．I no r d e rt oe x p l o i t a t i o no ft h ef o o t w a l l c o a lr e s o u r c e ss a f e l ya n de f f i c i e n t l y , w em u s ts t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h ef a u l ts t r u c t u r e a r e ad of u l l yu n d e r s t a n d ，w h i c hi st h ep u r p o s eo ft h i ss t u d y ． T h ep a p e rm a i nc o l l e c t st h eg e o l o g i c a ld a t ao ft h em i n ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，h y d r o g e o l o g i e a lc o n d i t i o n sa n de x p l o r a t i o np e r i o d ．B a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h ed r i l l i n ge x p l o r a t i o na r e ao fw e l ll o g g i n g ，g e o p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h es t r a t aa r e t h eb a s i cj u d g m e n t ．A st h ef a u l to fF 2 2a st h eb o u n d a r y , t h eh a n g i n gw a l lo ft h ef a u l t m a i n l ys h o w sl o wr e s i s t i v i t y , h i g l ln a t u r a lg a m m al o g g i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dT h e f o o t w a l ls h o w sh i g hr e s i s t i v i t y , l o wn a t u r a lg a m m al o g g i n gc h a r a c t e r i s t i c s ．W h a t ’S m o r et h en a t u r a lp o t e n t i a ls u r r o u n d i n gF 2 2f a u l ti so b v i o u s n e g a t i v ea n o m a l y ． B a s e do nu n d e r s t a n d i n gt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nm i n i n ga r e a , t h ep a p e ra l s o b yr e a d i n gl i t e r a t u r ef o c u so nu n d e r s t a n d i n go fh y d r a u l i cf r a c t u r i n g ，t h ea c o u s t i c e m i s s i o nm e t h o da n dl o g g i n gm e t h o da b o u tg r o u n ds t r e s sm e a s u r c m c mt e c h n i q u e ． T h i sp a p e ra l s ou n d e r s t a n dt h ev a r i o u sm e t h o d so ft h et e s tp r i n c i p l e ，t e s te q u i p m e n t , t e s ts y s t e ma n dt e s tm e t h o d ，a n dt h es u m m a r i z e dt h ea c c u r a c ya n da p p l i c a t i o nr a n g eo f v a r i o u sm e t h o d sf o rs o l v i n gt h es t r e s s ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f v a r i o u st e s t i n gm e t h o d s ． L a s t , t h ep a p e rU S et h eF l a c 3 Df i n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r et os i m u l a t et h eg r o u n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no fF 2 2s t r u c t u r ez o n e ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a t F a u l t sh a v ec h a n g e d t h eo r i g i n a ld i s t r i b u t i o no fs t r e s s ．N e a rf a u l tz o n ea p p e a r e da b n o r m a ls t r e s s ，a n dt h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o ni nh a n g i n gw a i lo ft h ef a u l ti sm o r eo b v i o u st h a n f o o t w a l l ．A tt h es a m et i m e ，w i t ht u n n e le x c a v a t i o nd i s t a n c ec l o s e rw i t hf a u l t , t h es t r e s s c h a n g ei sm o r eo b v i o u s ．T h i sc o n c l u s i o np r o v i d e sat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n a n dt i m b e r i n ga b o u te x c a v a t i o nt u n n e l ． F i g u r e [ 2 6 】t a b l e [ 9 】r e f e r e n c e [ 4 7 】 K e y W o r d s - f a u l t ，g r o u n ds t r e s s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ep l a s t i cz o n e C h i n e s eb o o k sc a t a l o g ．．I I I ．． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 ．I V ． 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．】I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 断层构造区应力测试与分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．3 存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 主要研究内容及研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 ．2 解决的技术问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 ．3 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 研究区工程地质环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 朱集矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 井田地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．1地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．2 井田构造概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 断层构造区应力测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 淮南矿区地应力分布概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 断层应力特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．3 地应力测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 ．1 水压致裂法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．2 应力解除法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．3 声发射法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．4 测并方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 ．13 D E C 数值模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 ．2A N S Y S 数值模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4 ．3F l a c 3 D 数值模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4F 2 2 断层数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．1F l a c 3 D 特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．V ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4 ．2 建立模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．3 设置参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．4 不同因素对断层构造区地应力影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 ．1 断层落差对地应力场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．4 ．2 断层断距对地应力场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．5 断层构造区单条巷道开挖地应力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．5 ．1 垂直断层走向地应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．5 ．2 平行断层走向地应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．6 断层构造区两条巷道开挖地应力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．2 存在的问题及技术展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 一V I ． 万方数据 目录 C o n t e n t s A b s t r a c t ．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 1 I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 B a c k g r o u n da n dm e a n i n go f t h es u b j e c t ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u so ff a u l ts 缸1 l c n 鹏z o n es t r e s ss i m u l a t i o na n a l y s i s ⋯⋯⋯．．1 1 ．3E x i s t e n c ep r o b l e m ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯3 1 ．4M a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc l u ei np a p e r ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 ．1 1 1 1 ec o n t e n t so fm a j o rr e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．4 ．2T h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m st ob es o l v e d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4 ．3R e s e a r c hi d e a l s ⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 E n g i n e e r i n gg e o l o g i c a le n v i r o n m e n to fs t u d ya r e a ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2 ．1 s u r v e yo f Z h u j im i n e ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯7 2 ．2 G e o l o g i c a ls u r v e y ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 ．1S t r a t u m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2M i n e f i e l ds t r u c t u r a lp r o f i l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 3F a u l ts t r e s st e s t i n gm e t h o d ．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯1 9 3 ．1T h eg e n e r a l 铲o u n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no f H u a i n a n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2C h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so f f a u l t ss t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．3 T e s t i n gm e t h o do f f a u l t ss t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 ．1 H y d r a u l i cf r a c t u r i n gt e c h n i q u e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．2S t r e s sr e l i e v i n gm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．3S o u n de m i s s i o nm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 ．4 L o g g i n g m e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 ．13 D E Cn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．4 ．2A N S Y Sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．4 ．3F l a c 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4N u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so f F 2 2f a u l t ⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯3 1 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4 ．1B r i e f i n t r o d u c t i o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f F l a c 3 D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 E s t a b l i s hm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．3S e tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4E f f e c t so fd i f f e r e n tf a c t o r so nt h es t r e s so ff a u l ts t r u c t u r ez o n e ⋯．．．．．．．．．．．3 3 4 ．4 ．1T h ei n f l u e n c eo f t h ef a u l tt h r o wo f s t r e s s 丘e l d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．4 ．2 F a u l td i s t a n c ei n f l u e n c eo ns t r e s sf i e l d ．．⋯．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯3 5 4 ．5V a r i a t i o nr u l eo fs i n g l er o a d w a ye x c a v a t i o ns t r e s si nf a u l ts t r u c t u r e z o n e ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．；6 4 ．5 ．1V e r t i e a lf a u l ts t r i k et h ec h a r a c t e r i s t i e so fs t r e s sd i s t r i b u t i o n ⋯⋯⋯3 7 4 ．5 ．2P a r a l l e lf a u l ts t r i k et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sd i s t r i b u t i o n ⋯⋯⋯．3 8 4 ．6 V a r i a t i o nr u l eo fd o u b l er o a d w a ye x c a v a t i o ns t r e s si nf a u l ts t r u c t u r e z o n e ．．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．3 9 5C o n c l u s i o na n do u t l o o k ．．．．．．．⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯4 3 5 ．1 S t u d yc o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．2E x i s t e n tp r o b l e m sa n dt e c h n i c a lp r o s p e c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯4 5 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 R e s u m eo fa u t h o r ．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．⋯．．．．．⋯．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 选题背景及意义 1 绪论 我国是世界上的主要产煤大国之一，然而2 0 1 4 年出现了首次产量下降。据中 国煤炭工业协会统计，2 0 1 4 年前11 个月，我国煤炭产量较往年剧烈减少【1 1 。由于 过去十年的过度开采，我国煤炭产能过剩，加之国外低煤价冲击，我国煤炭销量 锐减。在如此严峻的经济市场背景下，煤炭行业要想实现经济利益的持续增长， 除了进行全面的科技创新改革之外，还必须严守安全关，确保煤矿开采零伤亡。 然而，由于部分地区构造条件复杂，特别是断层周边应力分布规律复杂导致煤矿 开采难度大、安全隐患大等，朱集矿就是其中一例。 朱集矿位于安徽省淮南市潘集区，其山西组及上、下石盒子组有可采煤层为 1 3 层，平均总厚2 1 ．5 8 m ，煤层以稳定和较稳定为主，井田内水文和工程地质条 件中等。该矿区内的F 2 2 断层为逆断层。走向东西，倾向南，倾角6 5 。，落差 1 5 m ，区内延展长度1 7 0 0 m 。对矿井巷道布置的安全性影响重大。断层破碎带往 往会影响其周围地应力的分布状况，表现为明显的区别于正常地层的分布特征。 断层对地应力的影响，与断层的物质组成成分、断层厚度、断层倾角等因素有关。 当煤岩体内出现断层时，无论其规模大小都将对地应力场的量值、方向、连续性 和应力集中程度产生不同程度的影响，且影响非常复杂。能量在传播过程中可能 发生发射、折射等现象的叠加效应等，从而使得断层附近应力重新分布，在量值 和方向上发生变化【2 】。因此探明断层F 2 2 周围的应力分布对朱集矿的巷道设计、 巷道支护等有重要指导意义。 1 ．2 断层构造区应力测试与分析研究现状 1 9 0 5 ～1 9 1 2 ，瑞士地质学家A ．H e i m t a l 首次提出了地应力的概念，他假设地应力 相当于一种静水压力状态。1 9 2 6 年，苏联学者金尼克 A ．H ．G e r m i k [ 4 , 5 】对海姆的静水 压力假设进行了修改和补充，认为地壳中各点的垂直应力数值上等于该点上覆岩 层的容重而水平应力与岩石的泊松比具有线性相关关系。 1 9 3 2 年，美国人劳伦斯在哈佛水坝运用应力解除法第一次成功地测量了地应 力，此后，哈斯特使用压磁应力计和应力解除法在瑞典的斯堪的纳维亚半岛矿区 和拉伊斯瓦尔铅矿进行了大规模的地应力测量实验，得出了该地区的地应力分布 基本规律，并根据数据分析得出近地表地层中的水平主应力大于垂直应力【6 1 。 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 2 0 世纪5 0 年代初，瑞典科学家哈斯特 N ．H a s t 博士【7 】发现地壳上部地应力方向 基本全部为水平方向或近水平方向。同时他认为地应力是个包含时间和空间函数 的非稳定应力场。M a r t i n 和e h a n d l e l 最新研究发现【8 】，断裂带附近的最小主应力轴为 近水平方向，且垂直于断裂的走向方向；而断裂带3 0 m 以外区域，最小主应力轴则 变为直立方向，且最大主应力和中间主应力与断层面平行。 徐燕，殷煤，韩育平[ 9 】等利用D Y L 地应力探测仪，通过仪器接收不同深度地 层发射的天然电磁波，然后经过一系列的数学推导，将所接收的电磁波信号转化 为电压值，进而根据电压值的不同推导不同深度的地应力大小。田家勇【1 0 】等在总 结各种地应力实测技术的优缺点的基础上，提出了利用超声波传感器测量地应力 的新方法。通过分析地层中超声波波速韵变化，结合弹性波理论，从而计算出地 应力的大小，并将利用该方法计算得到的地应力大小与数值模拟结果相对照。沈 海超，程远方等[ 1 l ，1 2 】主要研究了断层对地应力分布的影响作用以及复合断层对地 应力影响的叠加效应。中南大学谢启东【1 3 】主要应用F l a c 3 D 技术，对断层构造区隧 道开挖应力场进行分析及其对隧道围岩稳定性的影响进行了研究讨论，对实际工 程的安全施工提供了理论支撑。刘少伟，焦建康【1 4 】通过研究认为在断层构造区域， 应力变化较为复杂，地应力在量值上既有可能增大也有可能减小。地应力的增大 和降低主要取决于断层与区域应力方向之间的空间位置关系和断层带的厚度、倾 角等。 此外，在地应力测量方面，我国于1 9 6 4 年首次在湖北大冶铁矿应用应力解 除法测量该矿地应力分布规律。 李方全、丁旭初、I t o 等分别对郯庐断裂带、A t o t s u g a w a 断层 日本 、洱 海断裂和日本神户地区断裂带附近进行了地应力测量试验【1 5 ，l6 】，研究表明在断 层附近区域，地应力在量值、方向上变化异常，而离断层较远区域地应力分布规 律与区域地应力分布规律相同，但是，由于实测资料较少，目前尚难以系统总结 出断层附近的地应力大小、最大主应力方向等的变化规律。因此，必须在已测地 应力资料的基础上，通过数值模拟分析研究活动断层附近的地应力变化规律，以 减少昂贵的地应力实测费用。 沈海超等【17 】假设断层为完全弹性的材料，断层周围岩石为均匀弹性各向同性 材料，结合室内实验获得的岩石力学参数，建立二维模型，模拟断层构造区地应 力分布状况，分别讨论了弹性模量、泊松比、断层走向与区域最大地应力方向夹 角和断层几何形态等对地应力分布的影响。翟晓荣【1 8 】等通过建立F l a c 3 D 三维计算 模型，主要研究了断层附近工作面开采过程中，断层带对应力传递作用的影响和 万方数据 第1 章绪论 断层带两盘不同的应力集中规律，研究发现断层带对应力传递有明显的阻碍作用， 这一结果，亦被其他学者1 1 9 , 2 0 1 研究所承认。兰丘【2 1 】采用摩尔．库仑塑性模型本构关 系，利用F l a c 3 D 软件建立断层三维计算模型，分别模拟了断层构造对围岩应力的 影响规律，不同断层厚度、不同断层倾角、不同断层岩性和不同侧压系数对地应 力昀影响规律等。王金安等【冽用F l a c D 连续介质有限差分技术对抚顺老虎台矿断 层区域进行数值模拟分析，提出了以3 倍重力加速度 3 9 来划分开采过程中的 应力危险区。 1 ．3 存在的问题 数值模拟把断层周围地层假想为均质，而实际地层复杂，岩石应力受同向异 性等影响。数值模拟煤层采动过程中的应力变化情况比较容易，而模拟断层周围 的原始地应力则较为复杂，断层对地应力的影响情况复杂，影响因素很多，数值 模拟断层周围原始地应力时，往往只有断层附近很小区域会有明显的地应力变化 异常，其他区域变化则很不明显。 1 ．4 主要研究内容及研究思路 1 ．4 ．1 主要研究内容 1 断层地应力测试技术 通过阅读文献和收集地质资料、矿方资料等，掌握淮南矿区地应力分布情况 和断层构造区地应力分布规律。并在此基础上，对各种地应力测试技术进行掌握， 分析总结各类地应力测试技术的优缺点。 2 数值模拟断层周围应力分布 断层周围地应力的的异常主要与断层破碎带的物质组成、断层的倾角、断层 落差大小、断层破碎带内摩擦角的大小和断层的厚度等因素有关。传统的地应力 测试技术，主要是通过钻孔等直接或间接测量地应力，这存在两方面的问题，其 一，地应力量值和方向是通过有限的钻孔获得的，是“点”上的地应力分布状况， 并不能反映断层构造区全区的地应力分布状况；其二，传统的方法一般破坏了地 层固有的原始地应力，所测得的地应力一般为钻孔扰动之后的地应力。三维数值 模拟方法很好的规避了以上两个缺点，因此是断层构造区地应力分布规律研究不 可替代的技术手段。因此，本文研究中根据所查明的断层性质、规模等，建立三 维计算模型，通过F l a c ，D 软件模拟，得出断层及其周边区域的应力分布规律。 一3 ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 3 数值模拟断层构造区巷道开挖过程中应力分布规律。 F l a c 3 D 数值模拟技术，不但可以模拟巷道开挖过程中对地应力的影响规律， 还可以模拟巷道开挖过程中围岩的破坏规律，为巷道开挖和巷道支护等提供理论 支撑。 1 ．4 ．2 解决的技术问题 1 通过F l a c 3 D 软件，构建逆断层F 2 2 三维计算模型，结合矿方提供的岩石 力学参数，对断层周围地应力的分布规律进行数值模拟，得出断层构造区地应力 云图，为煤矿安全生产提供理论资料； 2 分别模拟断层附近单条巷道开挖和双条巷道开挖过程中，巷道围岩应力 变化规律，并分析其形成机理以及断层对巷道开挖地应力的影响情况； 3 通过数值模拟，分析巷道开挖过程中，断层F 2 2 周围围岩塑性区分布 规律，为合理支护巷道、优化巷道支护方案等提供理论支撑。 1 ．4 ．3 研究思路 1 资料收集 大量查阅有关断层构造区应力测试、数值模拟等方面的文献，了解并掌握地 应力测量方法、有限元或有限差分理论，重点掌握F l a c 3 D 数值模拟断层构造区应 力分布的方法； 2 收集并研究矿方提供的研究区内各钻孔柱状图、测井曲线，研究区内各 层段岩石力学参数以及地质信息、巷道信息等； 3 优化数值模拟模型； 4 通过数值模拟得出断层附近区域地应力分布规律和巷道开挖方案，为煤 矿安全生产提供技术支撑； 5 数据模拟结果与煤矿开采揭露的地