煤矿井下地质构造与地应力的关系_王胜本.pdf

第 33卷第 7期煤 炭 学 报Vo.l 33 No . 7 2008年7月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJuly2008 文章编号 0253- 9993 2008 07- 0738- 05 煤矿井下地质构造与地应力的关系 王胜本 1, 张 晓2 1天津大学 管理学院, 天津300072; 2煤炭科学研究总院 开采设计研究分院, 北京 100013 摘 要 在分析总结地质构造与地应力方向关系的基础上,采用有限差分数值模拟软件 FLAC 3D, 建立了分析褶曲、断层等常见地质构造的数值模型. 分析了地质构造附近岩层位移、应力场分布 特征与变化规律, 以及岩层破坏状况, 模拟结果与理论分析相一致. 关键词 地质构造;地应力; 数值模拟;应力场 中图分类号P618102 文献标识码A 收稿日期2008-02-13 责任编辑 毕永华 作者简介 王胜本 1967, 男, 山东肥城人, 高级工程师, 博士研究生.Te l0315- 3725300,E- mai lwangshengben 126 com Relation between geological structures and in-situ stresses in underground coalm ines WANG Sheng-ben 1, ZHANG Xiao 2 1 Depart ment ofM anage ment , T ianjin University, Tianjin300072, China; 2 CoalM ining andD esigning Branch, ChinaCoalResearch Institute , Bei - jing 100013 , China Abstract Based on the analysis to the relations between geological structures and the in -situ stresses,the numer- i calmodelswas set up for analysis on the nor mal geological structures,such as folds and fault using finite difference nu m errical si mulation software FLAC 3D. The strata displacemen, t stress fields distribution and variation law,the strata damage states in the vicinity of the geological structureswere analysed . The numerrical si mulation results are consistensied w ith those of theory analysis . Key words geological structure ;in -situ stress;numerical si mulation ;stress fields 褶曲、断层、节理等所有地质构造无不是在构造应力的作用下引起的地壳岩石形变与断裂而保存下来 的构造形迹 [ 1]. 不同应力条件下形成的地质构造往往不同, 因此不同地质构造在一定程度上可以反映地 质构造形成时不同的构造应力状态 [ 2]. 对于一次构造运动形成的地质构造, 其与形成时的主应力有着比 较确定的相关关系.需要说明的是,目前地层中绝大多数地质构造的存在形式都是经历过多次构造运动的 结果,每次构造运动对地应力的影响也不尽相同,因此地质构造和地应力的关系非常复杂, 具体需要从构 造上分析其演化期次、先后成生关系进行研究. 由于其相关关系的复杂性, 根据地质构造分析结果只能是 定性或半定量地确定地应力状态, 难以十分准确地确定其附近地应力的大小和方向, 要想准确确定局部的 地应力状态, 惟一有效的方法是进行地应力现场测试.根据地应力测量结果结合地质构造分析来研究区域 构造应力场, 是较为科学的应力场研究方法 [ 3- 4]. 因此, 了解地质构造和地应力的关系对研究区域应力场 和工程稳定性具有重要的科学实践意义.为了便于分析, 本文对地质构造与地应力的关系研究仅对受一次 构造运动而形成的地质构造来进行研究. 第 7期王胜本等 煤矿井下地质构造与地应力的关系 1 地质构造与主应力方向的关系 11 断层与主应力方向的关系 断层是地层中普遍存在的断裂地质构造现象,对生产实践影响很大.应用断层确定主应力轴的方法主 要有应用典型共轭断层对确定主应力轴和通过断层面产状及断层面上擦痕侧伏角和移位符号确定主应力轴 2种 [ 5]. 根据剪切破裂所产生的断层两盘位移形式将断层分为正断层、逆断层、平移断层. 对于一次构造 运动形成的断层, 不同断层在形成时对应不同的地应力状态, 因此不同形式的断层与主应力轴的关系也不 图 13种断层与主应力轴的关系 F ig1 The relations bet ween three kinds of faults and principal stress axes 同 [ 6- 8], 如图 1所示. 具体有如下对应关系. 正断层的最大主应力轴 1 为垂直状态, 中间主应力轴 2 与最小主应力轴 3 为 水平状态,断层走向与中间主应力轴平行,如 图 1 a 所示. 逆断层的最小主应力轴为垂直状态,最大 主应力轴与中间主应力轴为水平状态,断层走 向与中间主应力轴平行,如图 1 b 所示. 平移断层的中间主应力轴为垂直状态,最 大主应力轴与最小主应力轴为水平状态, 如图 1 c 所示. 由于断层活动的长期性、复杂性, 需要分次确定活动性质,因此在研究断层与地应力的关系时, 应就 现存断层活动的特点等进行全面分析, 以求获得比较准确的三轴应力方向. 12 褶皱与主应力方向的关系 121纵弯褶皱与主应力方向的关系 地壳中大多数褶皱属于纵弯褶皱,主要是由于岩层水平运动顺层挤压而形成的.当纵弯褶皱变形简 单, 轴面近于直立时, 轴面为压性结构面. 其最大主应力轴水平, 中间主应力与褶皱轴线平行, 最小主应 力轴直立.当褶皱轴面倾斜、倒转或平卧时,则不易准确确定 3个主应力轴的空间位置,大致可以根据轴 向确定中间主应力轴与之平行. 122 横弯褶皱与主应力方向的关系 横弯褶皱是地壳受垂直岩层方向的差异升降运动而形成的.其最大主应力轴近于直立或陡倾, 其它 2 个主应力轴则近于水平,但有时 如圆形弯隆 难以确定其具体方向.如果为短轴直立背斜时,一般其 长轴方向为中间主应力轴方向, 与之垂直的水平方向为最小主应力方向 [ 9]. 2 地质构造附近应力场的数值模拟分析 根据以上地质力学理论,结合各种地质构造形成的基本力学原理, 利用 FLAC 3D数值软件建立数值模 型, 分析研究地层中常见的地质构造形成时的应力状态及附近的应力场分布. 21 褶曲应力场的数值模拟分析 为了考虑褶曲 背斜、向斜 的形成过程及褶曲附近应力场的情况,建立物理模型长 宽 高 60 m 60 m 12 m, 模拟水平地层在受到水平挤压力的作用下形成褶曲的过程及褶曲附近的应力场. 211 背斜附近应力场的数值模拟分析 边界条件模型左右边界施加 10MPa的水平压应力,前后边界施加 8MPa的压应力,在模型高 6 m 处中间岩层施加向上 5MPa的压应力. 模型上下表面为自由面,可以模拟在应力边界条件下岩层的弯曲变 形形状. 当模型计算到 1 600步时形成的背斜附近应力场情况如图 2 a所示. 从图中看出, 在背斜核部 上部岩层出现垂直于背斜枢纽的张应力,并在枢纽线附近出现一定范围的张应力集中区; 在背斜的底部岩 739 煤 炭 学 报 2008年第 33卷 图 2 背斜、向斜构造应力分布 F ig 2 Stress distribution of anticline and syncline strucrure 层弯曲部分有压应力集中区,集中程度与所加边界应力和岩石的力学特性有关. 212 向斜附近应力场的数值模拟分析 边界条件模型左右边界施加 10MPa的水平压应力,前后边界施加 8MPa的压应力,在模型高 8 m 处中间岩层施加向下 5MPa的压应力. 模型上下表面为自由面,模拟在应力边界条件下岩层的弯曲变形形 状. 当模型计算到 1 600步时形成的向斜附近应力场情况如图 2 b 所示. 在向斜轴部上部岩层出现垂 直于向斜枢纽的压应力集中区, 在向斜的轴部底部岩层附近出现一定范围的张应力集中区, 在两翼岩层应 力集中现象不明显,应力值小于同岩层的轴部部位岩层应力值. 图 3 断层形成之前的原始模型 F ig3 Orginalmodel before faults for mation 22 断层附近应力场的数值模拟分析 为模拟断层的形成过程及形成后断层附近应力场分布情况, 建立原始模型如图 3所示.整个模型为长 60 m、宽 20 m、厚 30 m的块状体.加载前接触面处于黏结状态, 即接触面两侧为均质 连续体, 用于模拟断层滑动所产生的断层应力场特征. 为了模拟 不同断层形成时的应力状态和断层附近应力场的情况, 对于正断 层和逆断层都采用同一种模型尺寸,模型岩层的物理力学参数都 取相同值,所不同的就是施加的应力边界条件不同,研究不同应 力场下断层的两盘位移情况,也即断层的形成过程, 从而进一步研究断层和 3个主应力方向的关系. 221逆断层附近应力场模拟分析 为了模拟逆断层形成时的主应力条件,需要对模型施加合适的边界条件.经过分析,所加边界条件 为 1 模型边界左右边界加载最大水平主压力为 10MPa , 前后边界加载最小水平主压应力为 4MPa ,垂 图 4 逆断层两盘位移和岩层破坏状况 F ig 4 D isplace ment and rock destruction of reversed faultwalls 直主应力为 3MPa ,方向为铅垂方向. 2 模型顶底面为自由面,在水平压应力作用下可以上升或下降. 图 4 a 为模型在上述应力边界条件下计算 6 000步时产生的断层形态. 从图 4 a 中看出,下 盘产生了向下的位移,上盘 产生了相对向上的位移.结 合应力边界条件和断层上下 盘位移方向,可以看出逆断 层的形成和 3个主应力如下 关系逆断层是在最小主应 力轴为垂直状态、最大主应 力轴与中间主应力轴为水平 状态下形成的,断层走向与 中间主应力轴平行. 740 第 7期王胜本等 煤矿井下地质构造与地应力的关系 图 5 逆断层水平应力分布 F ig5 The horizontal stress distribution of reversed fault 图 4 b 为断层形成后断层面附近岩石的破坏状 况. 岩层沿断层面出现拉张、剪切破坏, 也即出现断层 破碎带, 断层在中心部位岩层塑性破坏区最大. 图 5为逆断层形成后水平应力分布情况.在逆断层 带附近应力值偏小,随着离断层面的距离增大,应力值 也逐渐增大到原岩应力状态 10MPa,断层的形成根本 原因是 2个主应力差造成的剪应力超过岩石的抗剪强度 时岩石就产生破裂并进一步产生位移, 造成应力的释放. 因此在断层面附近应力值远小于原岩应力. 图 6 逆断层最大主应力等值线 单位 MPa Fig6 Themaxi mum principal stress contour of reversed fault unit MPa 图 6为逆断层面附近的最大主应力等值线. 最大主应力值也随着离断层面的距离增大而增大, 从 11MPa增加到 98MPa , 近似等于所加应力边 界条件, 因此可以看出断层对原岩应力有一定的 区域影响范围,因此在进行地应力测量时测站选 取要远离断层位置,否则测得的地应力值不能代 表区域原岩应力,而只能是该断层附近应力场的 情况.从应力等值线图上可以看出, 应力梯度在 断层端部比较大, 也即断层端部是应力集中区. 222 正断层附近应力场模拟分析 边界条件 1 模型上下边界加载最大主压 应力为 8MPa ,垂直方向; 模型前后边界加载中间主压应力为 4MPa ,左右边界最小主应力为 3MPa ,考 虑重力影响. 2 模型顶底面为自由面, 在水平或垂直压应力作用下可以上升或下降. 图 7 正断层两盘位移 Fig 7 Displace ment of nor mal faultwalls 图 7为模型在上述应力边界条件作用下计算 1 659步 的断层两盘位移情况, 也即断层的形态.上盘产生了向下 的位移, 下盘具有相对向上的位移,其位移形式正好与逆 断层位移形式相反.结合应力边界条件和断层上下盘位移 方向,可以看出正断层的形成和 3个主应力的状态有如下 关系正断层是在最大主应力轴为垂直状态,最小主应力 轴与中间主应力轴为水平状态下形成的,断层走向与中间 主应力轴平行. 图 8为正断层最大主应力等值线. 最大主应力呈梯度 变化,应力值随着离断层面的距离增大而增大,从 32 MPa增加到 80MPa , 等于所加应力边界条件, 因此可以看出,正断层对原岩应力也有一定的区域影响范 围. 从应力等值线图上可以看出, 应力梯度在上盘下端部和下盘上端部比较大,在断层面附近上盘下端 部、下盘上端部都出现一定程度的应力集中现象. 3 结 论 1 大多数地质构造都是经历过多次构造运动的影响而保留下来的构造形迹,受多次构造运动的影 响, 其与地应力的关系极其复杂. 根据地质构造分析主应力方向难以准确确定其应力状态, 根据地应力测 量结果结合地质构造分析研究区域构造应力场, 是较为科学的应力场研究方法. 2 对于受一次构造运动形成的断层,正断层的最大主应力轴为垂直状态, 中间主应力轴与最小主应 力轴为水平状态, 断层走向与中间主应力轴平行;逆断层的最小主应力轴为垂直状态,最大主应力轴与中 741 煤 炭 学 报 2008年第 33卷 图 8 正断层最大主应力等值线 单位 M Pa Fig8 Themaxi mum principal stress contour of nor mal fault unit M Pa 间主应力轴为水平状态,断层走向与中间主应力轴平行; 平移断层中间主应力轴为垂直状态,最大主应力轴与最小 主应力轴为水平状态. 3 在背斜核部上部岩层出现一定范围的张应力集中 区;在背斜的轴底部岩层有压应力集中区;在向斜的轴部 上部岩层出现垂直于向斜枢纽的压应力集中区,在向斜的 轴部底部岩层附近出现一定范围的张应力集中区,在两翼 岩层应力值小于同岩层的轴部部位岩层应力值. 4 不同断层形式是在不同的应力状态下形成的,在 断层带附近应力值偏小,随着离断层面的距离增大,应力 值也逐渐增大,在断层面附近应力值远小于原岩应力.数 值模拟结果和理论分析相一致. 在断层上下盘的端部应力 梯度较大,出现应力集中现象. 参考文献 [ 1] 刘志刚. 煤矿构造学[M ]. 北京 世界图书出版社, 1990. 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