儲黨生　童宏樹　李　全　張永泰　汪宏志　徐德金

摘 要：為判別井田內(nèi)主要構(gòu)造斷裂的導(dǎo)水性，利用ANSYS 軟件，對任樓井田7₂煤層構(gòu)造應(yīng)力場和斷層受力狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析，表明該井田斷層導(dǎo)水性受多期構(gòu)造應(yīng)力場，尤其是燕山二期構(gòu)造NEE向主壓應(yīng)力控制，使井田南部F₃至F₅之間大中型斷層及井田北部NE向斷層普遍出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)構(gòu)造； 應(yīng)力場模擬；ANSYS ；導(dǎo)水?dāng)鄬?/p>

中圖分類號：P553文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-1098(2008)01-0016-04

收稿日期：2007-11-19

作者簡介：儲黨生（1964-），男，安徽安慶人，高級工程師，工程碩士，主要從事煤礦地質(zhì)及采礦技術(shù)方面的工作和研究。

Analysis of Tectonic Stress Field Molding Based on ANSYS

——A Case Study Based on Conditions of Coalbed 7₂ in Renlou Coal Mine

CHU Dang-sheng1,TONG Hong-shu1,LI Quan1,ZHANG Yong-tai1

WANG Hong-zhi2, XU De-jin2

(1. Wanbei Coal & Electricity Group Company, Suzhou Anhui 234001, China；2. Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: In order to estimate water permeability of big tectonic faults in mine field, tectonic stress field andpressure in faults of Coalbed 7₂inRenlou Coal Mine were simulated and analyzed with software

ANSYS. The results present that water permeability of the faults in the mine field is controlled by multiple stage tectonic stress field, especially by principal compressive stress in NEE direction of Yanshan dichophase tectonic, which caused water spray from big and intermediate faults between F₃ and F₅ in the south of the mine field.

Key words:tectonic; stress field modeling; ANSYS; fault with water permeability

任樓煤礦位于安徽省宿州市西南約30 km的濉溪、蒙城二縣交界處。該井田屬于童亭背斜東南翼，F(xiàn)₃斷層以北地區(qū)為向東傾斜的單斜構(gòu)造，F(xiàn)₃斷層以西地區(qū)的走向轉(zhuǎn)為北西西（見圖1），區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀較平緩，一般為13°～20°，尤其是西部童莊向斜部分地層傾角更緩，僅為8°～15°。區(qū)內(nèi)揭露地層有奧陶系、石炭系、二疊系、第三系和第四系。該井田可采煤層有5層，分別是3₁、5₂、7₁、7₂和8₂煤層，目前主要開采7₂煤層。礦井生產(chǎn)期間曾經(jīng)發(fā)生突水淹井事故，且多次出現(xiàn)斷層出水現(xiàn)象。利用ANSYS有限單元軟件對井田在煤系地層形成后不同構(gòu)造期所受力狀態(tài)進(jìn)行分析［1］，以判別井田內(nèi)主要斷裂構(gòu)造的導(dǎo)水性，為礦井防治水提供依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 應(yīng)力場方向的確定

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)條件［2-3］，結(jié)合煤的鏡質(zhì)組有限元分析［4］，任樓井田煤系地層形成后，經(jīng)歷了印支期構(gòu)造、燕山期北東東向和新構(gòu)造運(yùn)動等多期構(gòu)造復(fù)合應(yīng)力場作用。其中印支期構(gòu)造主壓應(yīng)力(σ₁)方向近南北(179°～359°)，燕山一期主壓應(yīng)力(σ₁)方向近南北 (140°～320°)；燕山二期主壓應(yīng)力(σ₁)方向來自75°方向［5］（見圖1）。

本次構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬范圍，北以界溝斷層為界，南至F₈斷層，西起7₂煤層露頭線， 東至7₂煤層～800 m投影線。 地質(zhì)模型格架長10.7 km、寬9.0 km。主要研究7₂煤層構(gòu)造特征， 在研究區(qū)范圍內(nèi)， 可將7₂煤層頂?shù)装搴穸冉?0 m左右的巖體看成一薄殼，采用二維地質(zhì)模型。二維地質(zhì)模型有限元網(wǎng)格單元劃分的方法和步驟為：

(1) 分別進(jìn)行沉積相區(qū)和斷裂帶單元劃分，單元以四邊形為主；

(2) 在施加應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件后，進(jìn)行計(jì)算；

(3) 研究區(qū)在印支期構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生構(gòu)造破裂，為了研究燕山期應(yīng)力場早期斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性的影響，進(jìn)行單元剖分時，在各主要斷層附近，均提高了剖分密度。根據(jù)該井田F₃、F₄斷層帶巖體工程地質(zhì)特征將斷層破碎帶影響寬度定為30～50 m。

在構(gòu)造展布特征及7煤段沉積特征的研究基礎(chǔ)上，將研究區(qū)分為5個塊段， 用四邊形單元， 對模型進(jìn)行劃分， 并對主要斷層影響帶進(jìn)行細(xì)化， 將模型分為2 810單元， 計(jì)2 910節(jié)點(diǎn)(見圖2)。

1.3 位移邊界條件確定

依據(jù)研究區(qū)格架特征，在結(jié)合地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，確定了本區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的邊界條件，即南北邊界為Y軸固定，X軸自由，東西分別為壓應(yīng)力作用邊界，為自由邊界（見表1）。

1.4 應(yīng)力邊界條件的確定

應(yīng)力邊界條件是指作用于地質(zhì)體外力的類型、大小和方向。在燕山一期模型東西邊界施加SE140°方向的壓力，在燕山二期模型東西邊界施加NE75°方向的壓力。由于具有走滑作用，在南北邊界施加一定的剪應(yīng)力。

不同時期應(yīng)力值的大小主要參考區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力值,其中燕山一期構(gòu)造應(yīng)力值確定為100 MPa。燕山二期構(gòu)造應(yīng)力值確定為50～70 MPa（見表1）。

1.5 模型巖石力學(xué)參數(shù)的確定

因地質(zhì)模型的不均一性，要正確確定各單元的巖石力學(xué)參數(shù)是比較困難的，一般是根據(jù)一定的規(guī)則來選取。本次數(shù)值模擬材料參數(shù)的確定，在7₂煤層頂?shù)装宄练e相研究和樣品巖石力學(xué)性質(zhì)測試的基礎(chǔ)上，利用純砂巖和泥巖力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，采用加權(quán)平均的方式，確定不同塊段砂泥巖的力學(xué)參數(shù)，以反映地質(zhì)體因相帶變化所造成的非均質(zhì)性。同時斷層給予30～50 m寬度，并用較小的彈性模量模擬斷裂帶內(nèi)的變形（見表2）。

1.6 力學(xué)模型類型

研究重點(diǎn)是在長期穩(wěn)定地應(yīng)力作用下的巖體受力平衡狀態(tài)，不研究諸如斷裂發(fā)生、斷層應(yīng)力的迅速釋放、地震等動力學(xué)問題；也不研究應(yīng)力的耗散、巖體變形的時間過程，即塑性和粘性因素。因此采用彈性靜力學(xué)模型，主要分析在礦區(qū)受到邊界區(qū)域應(yīng)力作用下的巖體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。

2 結(jié)果分析

在分析討論應(yīng)力計(jì)算結(jié)果前應(yīng)說明一點(diǎn)，計(jì)算輸出的應(yīng)力分量是按彈性力學(xué)的張量符號定義，張應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

2.1 燕山一期

該期X方向主應(yīng)力的變化范圍多在-180 MPa～80 MPa之間。從主應(yīng)力分布圖上可以看出（見圖3），X方向主應(yīng)力負(fù)高值區(qū)分布在井田中部F₃~F2之間； 應(yīng)力正高值位于童莊向斜地區(qū)。 Y方向主應(yīng)力的極值變化范圍在-200 MPa～113 MPa之間， 主要應(yīng)力值在-28.6 MPa~37.5 MPa之間。 Y方向主應(yīng)力正高值區(qū)分布在井田北部， 應(yīng)力負(fù)高值分布在南部童莊向斜地區(qū)。 NWW向斷層受X方向壓應(yīng)力， Y方向拉應(yīng)力及剪應(yīng)力作用明顯（見圖4）。 最小主應(yīng)力的大小反映了斷層的張開程度， 從模擬結(jié)果來看， 任樓井田斷層在該期具有NWW向斷層出現(xiàn)張剪特征， 而NNE向斷層出現(xiàn)壓剪的特征。

2.2 燕山二期

該期X方向主應(yīng)力的變化范圍多在-115 MPa～45.6 MPa之間（見圖5），Y方向主應(yīng)力的變化范圍多在-104 MPa～264 MPa之間。X方向主應(yīng)力和Y方向正高值區(qū)均分布于王大莊向斜地區(qū)，兩者的差值較小。F₇、F₃ 和F₅斷層在該期Y方向拉應(yīng)力明顯大于X方向拉應(yīng)力（見圖6）。可以判斷任樓井田斷層在該期應(yīng)力作用下，南部地應(yīng)力較大導(dǎo)致斷層發(fā)育，而北部F₇、F₃ 和F₅等斷層主要表現(xiàn)為張剪的特征。

3 結(jié)論

(1) 石炭—二疊系煤系地層形成后，本區(qū)受到多期主應(yīng)力軸大角度相交構(gòu)造應(yīng)力場作用疊加復(fù)合，使井田及其外圍的宏觀地質(zhì)構(gòu)造(褶曲和斷層)呈現(xiàn)出雙重力學(xué)性質(zhì)和“S”形展布井田地質(zhì)構(gòu)造形跡特征。

(2) 由于受多期構(gòu)造應(yīng)力大角度復(fù)合作用，任樓井田各方向斷層破碎帶普遍較發(fā)育，斷層破碎帶寬度與斷層落差具有較明顯的關(guān)系，即斷層落差越大，破碎帶寬度越大。

(3) 根據(jù)以上構(gòu)造應(yīng)力場分析，本區(qū)NE向斷層及童亭背斜轉(zhuǎn)折段部位的斷層主要表現(xiàn)為張剪性。井下揭露斷層時發(fā)現(xiàn)，井田南部F₃至F₅之間大中型斷層及井田北部NE向斷層普遍出現(xiàn)淋水現(xiàn)象,這主要是由于受到燕山二期構(gòu)造NEE向主壓應(yīng)力作用斷層表現(xiàn)為張剪性的原因。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：宋曉梅)