褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响.pdf

第3 7 卷第6 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．6 2 0 0 8 年l1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y N o v ．2 0 0 8 褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响 陈国祥1 ，窦林名1 ，乔中栋2 ，陆菜平1 ，巩思园1 1 ．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ， 2 ．甘肃华亭煤电公司砚北煤矿，甘肃华亭7 4 4 1 0 0 摘要为探讨褶皱构造区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响，采用F L A C 2 D 数值模拟程序， 研究了褶皱构造形成过程中的应力分布规律和工作面开采导致的局部应力场变化规律．结果表 明，褶皱形成后，褶皱核部的最大水平应力比翼部大，翼部的最大水平应力比背斜处大，褶皱构造 区具有初始地应力场分布的非均匀性；与仰采推进相比较，从背斜往向斜的方向俯采推进时，煤 岩体内应力集中程度更高，褶皱区具有开采后局部地应力场变化的方向性．褶皱向斜部分是水平 应力集中区，采掘时冲击危险性较高，而翼部、背斜处的冲击危险性次之；褶皱区工作面最有利的 推进方向应是自向斜起往背斜方向推进． 关键词褶皱构造；应力场分布；非均匀性；方向性；冲击矿压 中图分类号T D3 2 4文献标识码A文章编号l 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 6 0 7 5 1 0 5 T h eS t r e s sF i e l dD i s t r i b u t i o ni nF o l d i n gS t r u c t u r eA r e a sa n d I t sI m p a c t i o no nR o c kB u r s t C H E NG u o - x i a n 9 1 ，D O UL i n m i n 9 1 ，Q I A OZ h o n g d o n 9 2 ， L UC a i - p i n 9 1 ，G O N GS i y u a n l 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c ea n dM i n eS a f e t y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ．J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．Y a n b e iC o a lM i n e 。G a n s uH u a t i n gC o a l8 乙P o w e rC o r p o r a t i o n ，H u a t i n g ，G a n s u7 4 4 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt od i s c u s st h er e l a t i o nb e t w e e nr o c kb u r s ta n ds t r e s sf i e l d i nf o l d i n gs t r u c t u r ea r e a s ，t h el a wo fs t r e s sd i s t r i b u t i o nd u r i n gt h ef o r mo ff o l d i n gs t r u c t u r ea n dt h ec h a n g i n g l a wo fl o c a ls t r e s sa r e ai n d u c e db ym i n i n gw e r es t u d i e db yF L A C 2 D ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e l a r g e s th o r i z o n t a ls t r e s so ft h ea x i so ff o l d i n gs t r u c t u r ei sh i g h e rt h a nt h a t o fs i d e s a f t e rt h e f o r m i n go ft h ef o l d i n gs t r u c t u r e ．T h el a r g e s th o r i z o n t a ls t r e s so ft h es i d e si sh i g h e rt h a nt h a to f a n t i c l i n e ，a n dt h ef o l d i n gs t r u c t u r ea r e a st a k eo nn o n u n i f o r m i t yo ft h eo r i g i n a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n ．T h ec o n v e r g e n c eo fs t r e s si sh i g h e rw h e na d v a n c i n gd o w n h i l lf r o ma n t i c l i n et os y n c l i n e c o m p a r e dw i t hr i s i n ga d v a n c e ，a n dt h ef o l d i n gs t r u c t u r ea r e a st a k eo nd i r e c t i v i t yo ft h ec h a n g i n gl o c a ls t r e s sa f t e rb e i n gm i n e d ．S y n c l i n eo ff o l d i n gs t r u c t u r ei st h ea r e ao ft h eh i g h e rs t r e s s a n dm o r eh a z a r do fr o c kb u r s tc o m p a r e dw i t ht h es i d e sa n da n t i c l i n eo ff o l d i n gs t r u c t u r ew h e n b e i n gm i n e d ．T h e m o s tb e n e f i c i a ld i r e c t i o no fm i n i n gc o a lf a c es h o u l da d v a n c ef r o ms y n c l i n et o a n t i c l i n e ． K e yw o r d s f o l d i n gs t r u c t u r e ；s t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o n ；n o n - u n i f o r m i t y ；d i r e c t i v i t yI r o c kb u r s t 收藕日期2 0 0 8 0 3 1 7 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 9 0 2 7 3 ，5 0 4 7 4 0 6 8 I 。十一五”国家科技支撑计划 2 0 0 6 B A K 0 4 1 3 0 2 2 0 0 6 B A K 0 3 8 0 6 l 国家重点基 础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 4 作者筒介陈国祥 1 9 7 0 一 ．男．江苏省丹阳市人，博士研究生，从事矿山压力与岩层控制、冲击矿压方面的研究． D - m 删i l lg x c h e n c u m t 1 6 3 ．c o r nT e l l0 5 1 6 8 3 8 8 5 9 0 4 万方数据 7 5 2中国矿业大学学报 第3 7 卷 冲击矿压是聚积在巷道或工作面周围煤岩体 中的能量突然释放而造成的失稳冲击现象，其发生 与煤岩体内的应力状态密切相关．近十几年来，冲 击矿压理论及实践的研究涉及到了煤柱型冲 击引、坚硬顶板型冲击[ 4 。7 | 、断裂构造型冲击‘8 。1 1 】， 其研究已较为深入，取得了长足的进步．我国有相 当比例的煤炭资源覆存于褶皱构造之中，在褶皱构 造区开挖巷道及工作面开采过程中往往能引起一 系列与能量释放相联系的变形和破坏现象，甚至发 生冲击矿压等煤岩动力灾害，对巷道围岩产生不同 程度的破坏，有时甚至造成人员伤亡，给矿山带来 巨大损失．同样是地层中常见的地质构造，人们对 褶皱区冲击矿压的研究却远没有断裂构造影响来 得广泛和深入．有学者从各自的角度对褶皱构造影 响作了研究．文献[ 1 2 J 分析了门头沟井田构造应力 场及冲击地压的分布特点，探讨了在次级构造的向 斜或盆地，构造主应力集中，容易积蓄大量弹性能， 易受采掘等因素触发而产生冲击．文献[ 1 3 1 4 3 通 过陶庄煤矿大量实测资料，从构造应力角度分析了 陶庄煤矿冲击地压的发生与构造应力关系以及冲 击地压力源问题．以上关于褶皱对冲击矿压影响的 研究通常是基于地应力实测资料，将其归人构造应 力体系来考察。近年来，随着褶皱区冲击矿压灾害 现象的日益增多，需要人们除研究构造应力这个共 性外，还应更深地挖掘褶皱构造影响的独特特征． 本文首先对褶皱构造形成过程中的应力分布及工 作面开采导致的局部应力场的变化规律进行数值 模拟分析，然后在此基础上探讨分析褶皱区不同部 位的冲击矿压危险程度．， 1 褶皱构造的地质成因 自然界的褶皱构造尺度上从几厘米到上百公 里都有存在，且形态各异，在煤矿地层中也比较常 见．关于褶皱形成机制的确定，长期以来一直是构 造研究小有争议的课题．从地质力学观点看，岩层 一般是通过纵弯或弯滑作用形成褶皱，而通过纵弯 作用形成的褶皱自然界较为常见L l } 1 6 ] ，即褶皱是岩 层或岩层组合在顺层作用的水平载荷挤压作用下 发生缓慢变形的结果．如砚北煤矿所在的甘肃华亭 煤田地处六盘山东麓，因长期受区域上南西一北东 向及东西向的挤压应力的作用，尤其是印支运动后 的燕山运动，使本区承受了来自西南方向的主动挤 压应力．受这次应力的影响，区内构造活动达到了 高潮，使区域内褶皱构造形态基本定型，井田内基 本构造形态有单斜、背斜和向斜，如图1 所示． 向斜背斜煤层底板等高线 图1 华亭矿区构造不意图 F i g ．1G e o l o g i c a ls t r u c t u r ei nH u a t i n gm i n i n ga r e a 2 水平加载作用下单层褶皱的形成及应力 分布规律 2 ．1 单层褶皱形成模型的建立 如图2 所示，模型长高为2 0 0m 6 0m ，共 分3 层，中间岩层较硬，黏度较大．模型底端铰接， 两侧加载对称的初始位移速率，使模型水平方向上 缩短．模型采用F I 。A C 数值模拟程序中C r e e p 蠕 变模块作平面应变分析． 图2 单层褶皱形成模型 F i g ．2 M o d e lo fs i n g l e - l a y e rf o l d i n g 2 ．2 模拟结果及分析 对于单层褶皱，数值模拟结果表明，在水平应 变达到某一值之前，褶皱不会出现，岩层中的最大 水平应力与水平应变基本成线性关系，上升幅度较 小；当水平应变达到一定值后，褶皱出现，最大水平 应力随水平应变呈非线性急剧增长，如图3 所示． 抛瑚啪啪如B d o ＼R 趟牛* 袄■ 万方数据 第6 期陈国祥等褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响7 5 3 翼部大 翼部主要也是压应力 ，翼部的最大水平应 力比背斜处大，见图4 a ．从模型的最大剪应变分布 图分析可知，褶皱形成后其内部最大剪应变量值很 小，分布上来讲核部大于翼部，见图4 b ．模拟结果 也表明，在褶皱形成以后，波幅越大．岩层中的最大 水平应力越大．褶皱最大波幅随水平应变呈非线性 增长． 图4最大水平应力与最大剪应变分布 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no ft h em a x i m u mh o r i z o n t a ls t r e s sa n dt h em a x i m u ms h e a rs t r a i n 3 多层褶皱的形成及应力分布规律 模拟结果表明，与单层褶皱形成过程相比，在 同样的边界条件下，多层岩层褶皱不易形成，尤其 是在低加载速率和模型长度较短情况下．最大水平 应力变化则与单层褶皱形成过程相似．在水平应力 分布上，最大水平应力集中在两侧坚硬岩层中，中 间较软岩层应力相对较低．中间软层背斜和向斜部 位都是压应力，且向斜核部应力比翼部大，翼部比 背斜处大．厚度比不变，随着水平加载速率的增大， 模型中的褶皱形态发生变化，产生褶皱时的临界最 大水平应力越大，褶皱最终形成后的最大水平应力 也越大，如图5 所示． 图5 对称加载下最大水平应力分布 F i g ．5 D i s t r i b u t i o no ft h em a x i m u mh o r i z o n t a ls t r e s sw i t hs y m m e t r yl o a d i n g 4 褶皱不同部位工作面开采对应力场的影 响 从前面的分析可知，褶皱不同部位的初始地应 力分布是有差异的．褶皱这种应力场初始状态的变 化必将对巷道开挖或工作面开采引起的应力场变 化产生影响．为掌握其变化规律，考察单工作面不 同推进方向、距褶皱轴部不同距离下的应力场变 化．以甘肃华亭煤电股份有限公司砚北煤矿地层数 据与地应力测试结果建立模型，并作适当简化进行 模拟．砚北煤矿第二水平的地应力测量结果表明， 最大主应力为水平主应力，且最大水平应力与垂直 应力的比值最小为1 ．8 1 ，最大为1 ．9 5 ，因此该矿第 二水平为构造应力场类型．表1 为模型各层岩石的 物理力学参数． 模拟方案为自褶皱向斜轴部起工作面仰采推 进，距背斜轴部分别为8 0 ，6 6 ，5 0 ，2 5m ；自褶皱背 斜轴部起工作面俯采推进，距向斜轴部分别为8 0 ， 6 6 ，5 0 。2 5m ． 4 ．1 工作面仰采时前方应力场的变化规律 通过计算工作面仰采推进、距离背斜轴分别为 8 0 ，6 6 ，5 0 ，2 5m 这4 个模型，得到了工作面不同推 进距离对应力场影响的一些结论，图6 是不同距离 时相应的应力集中系数变化曲线．由此可得 1 随着工作面距背斜轴越近，工作面前方煤 层内最大水平应力集中系数越大；峰值距离逐渐增 大； 2 随着工作面距背斜轴越近，工作面前方煤 层内支承压力集中系数增加；峰值距离逐渐增大． 4 ．2 工作面俯采时前方应力场的变化规律 同样计算了工作面俯采推进、距离向斜轴分别 为8 0 ，6 6 ，5 0 ，2 5m 共4 个模型．图7 是俯采不同距 离时相应的应力集中系数变化曲线．由此得 1 随着工作面距向斜轴越近，工作面前方煤 层内最大水平应力集中系数越大；峰值距离逐渐增 大． 2 随着工作面距向斜轴越近，工作面前方煤 层内支承压力集中系数增加；峰值距离逐渐增大． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 7 卷 4 ．3 推采相同距离时应力场变化规律比较 从上模拟结果可知，褶皱构造区具有开采后局 部地应力场变化的方向性．即自褶皱背斜轴部起工 作面俯采推进与自褶皱向斜轴部起工作面仰采推 进距轴部相同距离时工作面前方煤层内的应力场 特征是不一样的，前者支承压力集中系数均比后者 大，而最大水平应力集中系数开始时前者小，然后 逐渐大于后者，两者峰值距离开始时相差不大，然 后前者逐渐小于后者． 麟 导2 ．5 粪2 0 谢1 ．5 黜 _ O ．O 褒1模型各层岩石的物理力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fm o d e l 距背斜轴2 0 m 孽2 ．5 星雾蓥鍪嚣”m 羹；； 距{ } 斜轴6 6 I ‘ ～蜊郴嘶骶 2 0 ．04 006 0 ．0 8 0 ．Ol ∞．0 自煤壁起距离，m a 水平应力 0 ．0 2 0 ．04 0 06 0 08 0 ．0l ∞．O 自煤壁起距离，m b 支承压力 图6 仰采不同距离时相应的应力集中系数变化曲线 F i g ．6 V a r i a t i o no ft h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ri nd i f f e r e n td i s t a n c e sw h e no v e r h a n dm i n i n g 赫3 ．5 哺3 ．0 喜25 - R2 ．0 芤 水0 ．5 皤 O ．O2 0 ．04 006 0 ．08 0 ．0l ∞．0 自煤壁起距寓／m a 水平应力 4 ．0 藏3 ．5 幡3 ．0 斡 出1 ．5 憾10 似0 ．5 O ．O2 0 ．0 4 00 6 0 ．O8 0 ．01 0 0 ．0 自煤壁起距离，m b 支承压力 图7 俯采不同距离时相应的应力集中系数变化曲线 F i g ．7 V a r i a t i o no ft h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ri nd i f f e r e n td i s t a n c e sw h e nu n d e r h a n dm i n i n g 5 褶皱构造区应力分布与冲击矿压 6结论 冲击矿压的发生须满足强度准则、能量准则和 冲击倾向性准则，其中能量准则是冲击矿压发生的 充分条件．前已述及向斜部分是水平应力集中区， 易积聚大量弹性能，因此在此部位进行采掘活动容 易诱发煤岩体内弹性能释放而发生冲击，而翼部、 背斜的冲击危险性次之．这就解释了煤矿开采中褶 皱向斜附近冲击矿压发生次数多的现象．如华亭矿 区砚北煤矿，据统计，第二水平2 5 0 2 0 5 工作面在向 斜轴部较近开采时，回采巷道累计发生3 0 次冲击 矿压，约占该面全部发生次数的5 0 ％，而在褶皱翼 部时发生次数仅占3 0 ％．工作面不同的推进方向 对冲击矿压危险性也有着较大的影响，与仰采推进 相比，自背斜往向斜的方向俯采推进，煤岩体内应 力集中程度越大，能量积聚程度越高，冲击危险性 会越大，因此采区内工作面合理的开采方向应是从 向斜起往背斜方向逐渐推进． 1 褶皱构造区具有初始地应力场分布的非均 匀性．最大水平应力是压应力，主要集中在褶皱向 斜、背斜内弧的波谷和波峰部位．从褶皱向斜外弧 往背斜方向看，最大水平应力值逐渐减小，即褶皱 核部的最大水平应力比翼部大，翼部的最大水平应 力比背斜处大． 2 褶皱构造区具有工作面开采后局部地应力 场变化的方向性．与仰采推进相比较，自褶皱背斜 轴部起工作面俯采推进时工作面前方煤层内的支 承压力集中系数更大，而其最大水平应力集中系数 开始时小，而后逐渐增大；峰值距离开始时相差不 大，随着工作面开采距轴部越近，其峰值距离越小． 3 褶皱向斜附近的冲击矿压危险性最高，而 翼部、背斜的冲击危险性次之． 4 褶皱区内工作面合理的开采方向应是从向 斜起往背斜方向逐渐推进，避免反方向开采导致应 力高度集中． m 啦m m∞∞的∞ 轴轴轴轴斜斜斜斜句讨M 甜距距距距 1 4 万方数据 第6 期陈国祥等褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响7 5 5 ．参考文献 [ 1 1 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术[ M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，2 0 0 1 4 0 4 5 ． [ 2 ] 高明仕，窦林名，张农，等．煤 矿 柱失稳冲击破 坏的突变模型及其应用[ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 5 ，3 4 4 4 3 3 - 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