基于flac3d的井下斷層數(shù)值模擬及其控煤分析

朱廷忠　魏廣群　蔣莉莉

【摘 要】通過對(duì)現(xiàn)有的勘察資料分析，結(jié)合運(yùn)用AutoCAD和Flac3d，對(duì)淮北劉店井田7煤1號(hào)勘探線斷層進(jìn)行數(shù)值建模，模擬分析局部斷層影響下煤層附近應(yīng)力分布情況，分析應(yīng)力集中區(qū)的形成因素。運(yùn)用構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)研究理論與方法，研究區(qū)域內(nèi)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，分析勘探線斷層的控煤模式和控煤作用，以及對(duì)煤層賦存的影響。為井下挖掘開采，工作布置和礦井災(zāi)害防治提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】Flac3d；Cad；數(shù)值模擬；控煤分析

0 引言

Flac3d是一種利用顯示拉格朗日差分方法為巖土工程和地質(zhì)力學(xué)方面研究提供有效數(shù)值模擬分析的工具。其采用判斷最大不平衡力是否隨時(shí)間階步的增加而收束的方法，來刻畫計(jì)算的收斂過程，反映計(jì)算是否趨于穩(wěn)定。Flac3d建模后，通過對(duì)其構(gòu)建的模型賦予相應(yīng)的物理性質(zhì)和巖體力學(xué)參數(shù)，設(shè)定相應(yīng)邊界條件，即可對(duì)研究區(qū)進(jìn)行井下斷層的數(shù)值模擬，對(duì)其控煤模式和控煤作用以及對(duì)煤層賦存的影響進(jìn)行有效計(jì)算和相關(guān)分析，具有較為理想的三維數(shù)值模擬計(jì)算分析能力[1]。為此，本文通過運(yùn)用autocad和flac3d對(duì)淮北劉店7煤1線斷層進(jìn)行數(shù)值模擬，得到斷層xyz各方面應(yīng)力云圖和最大最小主應(yīng)力圖，研究斷層煤層圍巖間的應(yīng)力分布規(guī)律，分析斷層的構(gòu)造控煤作用和對(duì)煤層賦存影響，從而對(duì)煤厚變化規(guī)律進(jìn)行研究，在井下開采掘進(jìn)和工作面布置上都具有積極的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

1.1 聚煤環(huán)境

劉店井田所在的兩淮地區(qū)形成于二疊世早期，沉積體系主要以海灣瀉湖和三角洲相交替出現(xiàn)。從K1灰頂?shù)?0煤層，兩淮地區(qū)沉積環(huán)境由淺海、濱海相漸變?yōu)闉a湖、濱海、潮坪相。隨著環(huán)境的逐漸演化，潮坪的范圍不斷擴(kuò)大，使之利于泥炭沼澤沉積相的發(fā)育，為煤炭的形成和聚集做出了準(zhǔn)備[2]。10煤上層鋁質(zhì)泥巖，表明聚煤作用的完成，煤層上層三角洲平原相發(fā)育。大量植物化石碎片的深灰色薄層狀的泥巖，代表了三角洲沉積體系的形成。十煤層之上的巖石顆粒由粗變細(xì)的層序特征，體現(xiàn)了兩淮地區(qū)三角洲沉積相的整體演化過程。

根據(jù)地質(zhì)資料綜合分析認(rèn)為：7、10煤層煤層之下為海灣一瀉湖一潮坪沉積體系；煤層上部為淺水三角洲沉積體系，煤層沉積時(shí)受到三角洲分流河道的沖刷作用，煤層的頂部是分流間灣靜水沉積相。

1.2 井下構(gòu)造特征

通過對(duì)地震、鉆探、測井和巷道資料進(jìn)行，研究區(qū)中組合落差3m以上的斷層297條。其中落差≥30m的斷層32條，≥15m～<30m的斷層37條，≥5m～<15m的斷層79條，落差<5m的段層149條。其中，F(xiàn)3正斷層位于礦區(qū)中部，北東東走向，北北西傾向，傾角約60°，平面延伸大于500m，落差斷距90m。同時(shí)影響7、10煤層。位于1044工作面J7點(diǎn)前17m對(duì)采區(qū)的巷道布置和回采有很大的影響[3]。F4正斷層位于礦區(qū)中部，近東西走向，南南西傾向，平面延伸約500m，落差斷距約140m。

1.3 煤層賦煤規(guī)律

劉店井田煤層的幾何形態(tài)深受聚煤環(huán)境的影響。井田的7、10煤層皆在潮坪、海灣、瀉湖中形成，因此煤層下方的沉積體系嚴(yán)重影響煤層的展布和格局。該區(qū)域內(nèi)煤層走向多為北東方向。受沼澤發(fā)育的開始時(shí)間、頂部碎屑物質(zhì)的推進(jìn)方向和速度的影響，導(dǎo)致煤層總體上呈由北向南逐漸增厚的發(fā)展趨勢[4]。

從十煤層煤厚等值線圖可以看出，受井田內(nèi)部褶皺構(gòu)造影響，煤層厚度的展布主要分為東西向和北東向兩個(gè)方向。劉店井田內(nèi)發(fā)育有DF60， DF61和DF33等逆斷層，由于受這幾個(gè)逆斷層上下兩盤的逆掩重疊或擠壓聚集，使得這些斷層附近的煤層厚度較大。F3和F4兩大正斷層的拖拽作用，使得附近的煤層厚度一般都很小，平均厚度在2米以下。

2 斷層模型的構(gòu)建

地質(zhì)模型是通過對(duì)斷層和層位的研究而建立的三維網(wǎng)格體。模型的三維網(wǎng)格體中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)被賦予像泊松比，體積模量，剪切模量等等的屬性參數(shù)。

Flac3d在前處理階段對(duì)于復(fù)雜三維地質(zhì)體建模上，存在明顯不足，模型數(shù)據(jù)點(diǎn)確定和網(wǎng)格劃分上的低效性，造成了建模的不便。通過利用autocad平面圖形轉(zhuǎn)化三維模型的方法，可以方便、快捷地建立可用于flac3d的地質(zhì)模型[5]。但通過此簡便方法建立的是對(duì)二維圖形進(jìn)行半空間延伸的三維模型，無法建立更為復(fù)雜的地質(zhì)模型。為此，遇到復(fù)雜的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，本文通過直接在cad上進(jìn)行三維圖形建模，提取相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總處理，將生成的數(shù)據(jù)文件以txt格式保存，最后通過flac3d命令導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，并添加邊界條件、初始條件以及本構(gòu)模型和具體材料參數(shù)，即可生成復(fù)雜的數(shù)值模型。

2.1 地層力學(xué)參數(shù)的確定

巖石力學(xué)參數(shù)的選取如表1。

2.2 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

根據(jù)勘探資料分析，F(xiàn)3斷層位于礦區(qū)中部偏北部，走向北東東，傾向北北西，傾角約60°，平面延伸大于500m，落差斷距約為90m，G15地震孔控制斷層?？碧骄€剖面圖1，區(qū)域等高線圖2如下：

從資料中可看出，兩側(cè)煤層傾向?yàn)楸睎|東，走向?yàn)楸北蔽?，傾角較小，為了方便模擬分析將其視為水平地層進(jìn)行建模。研究區(qū)將整個(gè)工作面作為模擬對(duì)象，地質(zhì)模型x方向沿勘探線方向進(jìn)行衍生，取1000m；Y軸方向，即垂直勘探線方向，取500m；模型Z軸垂直方向，取500m。按1：10的比例進(jìn)行圖形縮放如圖3，將模型長寬高分別縮小為100*50*50，減小模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，模型總計(jì)有16005個(gè)控制節(jié)點(diǎn)和13000個(gè)控制單元。取7、10煤層的底板等高線位置確定7、10煤埋深，估算煤層間巖層厚度，建立模型圖4如下：

2.3 添加相應(yīng)參數(shù)條件生成模型

建模原始模型后，通過添加邊界條件，以模型長寬高為邊界進(jìn)行限定，限制地板的移動(dòng)，賦予具體的本構(gòu)模型和材料參數(shù)，對(duì)模型所在應(yīng)力場進(jìn)行賦值，使平衡后模型與實(shí)際開挖工作面情況進(jìn)行最大限度的吻合[6]。模擬區(qū)域內(nèi)巖體受自重施加垂直方向上的載荷，數(shù)值模擬斷層煤層間應(yīng)力分布情況，研究周圍巖體的密度分布規(guī)律圖5。巖體平均強(qiáng)度圖6模擬如下：

3 斷層的控煤分析

煤層屬于沉積礦床，在無外界干擾的情況下，各煤層在一定范圍內(nèi)是連續(xù)分布的，局部可能會(huì)出現(xiàn)分叉和合并，但不影響整體的連續(xù)性。在斷層影響下，煤層被切割開，沿著斷層走向依次錯(cuò)動(dòng)錯(cuò)位，對(duì)開采工作面的布置有很大干擾。

作為沉積型礦床的煤層，賦存空間狀態(tài)是緩慢傾斜層狀連續(xù)分布的，而受到斷層影響，煤層的產(chǎn)狀會(huì)發(fā)生較大變化，傾角變化大，走向變化不定。在斷層影響下，煤層容易出現(xiàn)鏟失、擠壓變薄或變厚，媒體強(qiáng)度變低，自身的特性發(fā)生改變[7]。

劉店井田1號(hào)勘探線F3正斷層位于礦區(qū)中部偏北。走向北東東，傾向北北西，傾角約60°，平面延伸大于500m，落差斷距90m。同時(shí)影響7、10煤層。其分布于1044工作面J7點(diǎn)前17m處，對(duì)采區(qū)的巷道布置和回采有很大的影響。

經(jīng)過在z方向賦值巖體受重力施加向下的應(yīng)力，可以得到z方向上應(yīng)力云圖，和巖體強(qiáng)度應(yīng)力比分布圖。可以分析得到，在不受外界條件干擾下，受斷層影響，煤層和周圍巖體之間的應(yīng)力分布情況和巖體強(qiáng)度應(yīng)力比，可以直觀明顯的看出，煤層和巖體之間存在的脆弱易塌陷部位，為布置工作面和開采掘進(jìn)提供了指導(dǎo)依據(jù)。

結(jié)合z各向應(yīng)力云圖7與巖體強(qiáng)度應(yīng)力比分布圖8，可以分析斷層兩盤煤層和圍巖應(yīng)力分布情況和應(yīng)力強(qiáng)度比，判斷巖體穩(wěn)定與否和預(yù)測可能出現(xiàn)的破碎斷裂帶[8]。由上圖可知，斷層上盤，7、10煤層之間應(yīng)力強(qiáng)度比小，穩(wěn)定性差，較為脆弱。位于斷層上盤的煤層段部，受拉伸力影響較大，巖體較為脆弱，易受到破壞，這為確保開采掘進(jìn)工作安全進(jìn)行提供了很好的保障。

4 結(jié)論

以淮北劉店煤礦為例，建立研究區(qū)地質(zhì)模型。依據(jù)已知地質(zhì)地震勘探資料，確定邊界條件，施加應(yīng)力場，模擬斷層帶及其兩盤的應(yīng)力分布情況，得到x、y、z各向應(yīng)力云圖，獲取研究區(qū)域應(yīng)力平衡后的應(yīng)力場變化。研究斷層煤層圍巖間的應(yīng)力分布規(guī)律，分析斷層構(gòu)造的控煤作用和對(duì)煤層賦存影響，從而為對(duì)煤厚變化規(guī)律的研究做了準(zhǔn)備和鋪墊，對(duì)開采掘進(jìn)和工作面布置上都有積極的指導(dǎo)作用。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]