逆沖斷層周圍地應力分布數值模擬研究

宋錄生 李樹剛 顏廷旭

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；

2.河南義馬煤業集團股份有限公司，河南省義馬市，472300）

為了對斷層附近沖擊礦壓進行預測及防治，必須了解斷層對其周圍地應力分布規律的影響。目前，在斷層與地應力的關系方面己有較多的研究成果。本文采用FLAC3D 數值模擬軟件，以義馬礦區25采區地質條件為原型，對逆沖斷層周圍地應力分布進行數值模擬，分析了斷層剖面、斷層下盤剖面與煤層截面相交線處、沿煤層傾向方向剖面的地應力分布。

1 義馬礦區25采區概況

義馬礦區25采區的采掘工程布置如圖1所示，該采區受到南面F16 逆沖斷層的影響，據現場勘測資料，F16斷層為壓向壓扭性逆沖斷層，在陜澠～義馬礦區，走向110°，延展長度約45km，走向近東西，傾向南略偏東，淺部傾角75°，深部傾角15°～35°，逆沖面上陡下緩，落差50～500m，水平錯距120～1080m，北接千秋井田，向東延入躍進、常村井田，向西延入耿村、楊村井田。

圖1 采區的采掘工程布置圖

2 FLAC3D 數值模型的建立

2.1 模型建立

本次研究的數值模擬模型地質條件參考的是躍進煤礦25采區的地質條件，為了研究F16逆沖斷層對整個25采區、尤其是25110工作面回采前的影響，數值模擬對地質條件進行了適當簡化，巖層傾角按平均傾角12°考慮，并去掉了25采區中的附屬小斷層，模型尺寸為1365 m×1050 m×350 m（長×寬×高），共設267936 個單元，斷層剖面4個角坐標為 （310，0，0） （200，0，350） （240，1050，350）（120，1050，0），煤層巷道開挖區域單元進行細化。

2.2 煤巖體力學參數

數值模擬中用到的煤巖體力學參數參考躍進煤礦相關地質報告和實驗室測試結果，對于煤巖層厚度取整數考慮，具體的煤巖層力學參數見表1。

表1 煤巖力學參數

2.3 模型的邊界條件

研究結果表明，不同形式的斷層對應著主應力軸不同的大小關系，其中逆斷層的最小主應力軸為垂直狀態，最大主應力軸與中間主應力軸為水平狀態，因此在FLAC3D 中建立的三維數值模型如圖2所示，其中模型底部固定，四周區域施加最大水平主應力σ1=-29 MPa，方向為x 軸方向，中間水平主應力σ2=-24 MPa，方向為y 軸方向，頂部區域施加最小主應力σ3=-20.5 MPa，方向為z軸方向。

圖2 數值計算模型圖

3 逆沖斷層附近地應力分布規律

為了分析逆沖斷層影響下地應力的分布規律，當模型計算平衡后，運用Tecplot軟件對計算結果進行后處理。需要說明的是由于網格差異也會造成應力集中，因此在后續的應力分布規律分析過程中，不考慮由網格差異造成的應力集中。

3.1 垂直于y 方向剖面時地應力分布規律

根據圖3 所示的數值計算模型圖，取y=500m，沿該平面方向作剖面，得到剖面上的地應力分布見圖3 （a）～圖3 （e）。

從圖3可以看出，數值模型在受到x 方向兩邊擠壓力的邊界條件下，左右兩邊區域的x 方向應力值要高于中間區域；由于逆沖斷層的存在，斷層附近上下盤x 方向應力值出現了不連續現象，且x方向最高應力值發生在斷層的上盤頂部，大小約為22 MPa，x 方向最小應力值發生在斷層的下盤底部，大小約為6 MPa。

圖3 y=500m 時剖面地應力分布規律

逆沖斷層的存在使得y 方向應力值在上下盤出現了不一樣的變化規律，其中下盤的y 方向應力值出現了隨深度增加而降低的情況，最低值約為6 MPa，上盤的頂部出現了較大的y 方向應力值，其最大應力值約為17 MPa。

隨著z軸數值減小方向，該處的z方向應力值也不斷加大，其中最小垂直應力值發生在斷層上盤頂部，最小值約為14 MPa，最大垂直應力值發生在斷層上盤底部，最大值約為38 MPa。

最大主應力分布與垂直應力的分布規律基本一致，其模型內應力值大小也互相對應。最小主應力分布規律則和x 方向水平應力基本一致，數值和x方向水平應力相對應。

3.2 斷層下盤剖面與煤層截面相交處地應力分布規律

為了分析逆沖斷層附近地應力的分布規律，將斷層下盤剖面與煤層中間層截面相交線定為監測線，對監測線上應力值的變化規律進行了模擬。模擬結果表明監測線上z方向應力值與最大主應力值基本一致，而水平x 方向、水平y 方向應力值與最小主應力值基本一致，且最大主應力值在距離斷層一定范圍內，隨著距離值的加大，應力值不斷增大，即距離值達到一定值時，應力值將不再增大，這說明在斷層影響的一定范圍內，煤層由于受到較大的垂直z方向應力值，發生了塑性破壞，此時表現為隨著距離斷層越遠，應力值越高的情況。煤層內最小主應力值的變化受距斷層的距離影響不大，其值基本處于同一水平，約為8 MPa。

3.3 沿煤層傾向方向剖面時煤層中間層地應力分布規律

為了更全面地分析逆沖斷層影響下煤層中的地應力值分布規律，將煤層沿煤層傾角方向作剖面，模擬剖面上的地應力分布。

模擬結果表明：由于受到x 方向邊界力的擠壓作用，煤層中的水平x 方向應力值出現了波浪起伏的應力特征，且煤層中的應力值維持在9MPa左右。

煤層中的水平y 方向應力值與x 方向的應力值變化特點基本一致，也出現了波浪起伏的應力特征，此時煤層中的應力值維持在10 MPa左右，其值略高于x 方向的應力值。

斷層下盤煤層中間層的垂直應力值與水平應力值的變化特征是不一致的，由于煤層傾角的存在，z方向應力值隨著距斷層的接近出現了梯度性的增大，當距離斷層越近，由于受斷層下盤的影響，垂直應力值出現了梯度性的減小，而斷層上盤的巖層區域出現了與斷層下盤煤層區域截然不同的垂直應力值變化特征，這說明斷層的存在使得上下盤的應力出現了不連續，且巖層與煤層不同的物理力學性質在高應力作用下也表現出了不同的受力狀態。

最大主應力、最小主應力分布分別與z方向應力、水平x 方向應力基本一致。

4 結論

（1）斷層附近上下盤的x 方向應力值出現了不連續，最高應力值發生在斷層的上盤頂部，最小應力值發生在斷層的下盤底部；y 方向上，下盤的應力值隨深度增加而降低，上盤的頂部出現了較大的y 方向應力值；z方向應力值變化與y 方向上相反。

（2）最大主應力值在距離斷層一定范圍內，隨著距離值的加大，應力值不斷增大，當距離值達到一定值時，應力值將不再增大。

（3）斷層的存在使得上下盤的應力變化出現了不連續；最大主應力、最小主應力分布分別與z方向應力、水平x 方向應力基本一致。

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