三維地質模型及其工程應用

葛明洋

(安徽省水利水電勘測設計院總院有限公司，安徽 蚌埠 233000)

某地區屬于推覆體下內部構造復雜，受區域推覆構造影響，已探明總體構造呈軸向近東西的不對稱倒轉褶曲形態。某礦處于推覆體斷層上盤，可采煤層為A組煤，主要包括1煤、1上煤。F斷層是推覆體下原地地層中最大的正斷層帶，東西走向。擬施工一條貫穿F斷層的石門，石門是穿過斷層帶用以連接斷層上下盤的巷道，石門的開挖將面臨大量的水文地質、工程地質問題。依據勘探資料和前期已測的F斷層區域原始地應力，進行工程地質模型的建立，通過數值模擬應用分析，為過斷層石門工程方案比選提供依據。

1 建立工程地質模型

工程地質模型的建立選用有限差分軟件進行，模型如圖1所示，其尺寸為：420m×360m×240m，地層近似水平，1煤和1上煤厚度取值分別為5m和3m，斷層破碎帶寬度為6m，傾角取值72°，斷層2盤地層落差為20m。在計算模型中，X軸為垂直于斷層走向，Y軸平行于斷層走向，Z軸為重力方向。石門位置依據不同模擬方案深度變動，工程地質平面平面模型及三維模型如圖1、圖2所示。

圖1 工程地質平面模型

圖2 工程地質三維模型

模型上邊界施加等效荷載，在具體模擬方案中為上覆巖體的計算有效重力值，前后左右各側面邊界施加法向約束固定，并賦予初始應力，底面采用全約束邊界條件，頂面為位移和應力的自由邊界。模型采用Mohr-Coulomb本構關系，巖體物理力學參數如表1所列。

表1 巖石物理力學參數[1]

2 確定數值模擬方案

該礦井共分為3個水平開采：-550m以上為“一水平”，標高為-550m；-550m～-750m為“二水平”，標高為-750m；-750m以下為“深度水平”，標高為-1000m。3種水平作為擬施工石門開挖的備選方案。結合礦區地應力特征[2]，最大主應力方向隨深度由近南北向轉變為近東西向，應力差隨深度的增加有減小的趨勢。為探討過F斷層石門的開挖條件，針對石門位置(水平選取)和掘進方向，結合實際地層，模擬開挖方案如表2所列。

表2 數值模擬方案

3 數值模擬結果與分析

3.1 垂直應力變化特征

在石門掘進過程中，迎頭的應力受到F斷層帶的阻礙，斷層帶的存在使應力的傳遞不連續，應變也不連續，掘進后的應力影響范圍受弱面的干擾，使之應力梯度增大，造成應力向上盤下端部位置集中[3]。由模擬結果來看，應力集中分布區是最佳方案選取的最重要依據之一。

圖3是數值模擬結果的后處理切片，方案1的最大主應力的方向是南北向，方案2與方案3則是東西向，不同深度位置，應力差、側壓比等不同，表現為自上而下呈減小趨勢。在SH方向一定的情況下，比較上述應力云圖方案2與方案3，可看出方案2豎向應力集中程度較大，呈“品”字形特征，且距離石門位置很近，最大豎向應力為66.67MPa。方案3應力集中程度相對較小，最大豎向應力為54.12MPa，與方案2相差12.55 MPa。這說明最大主應力方向和石門掘進方向不一致時對石門的影響較大，“二水平”不宜選取為石門位置，分析得出方案2的應力集中分布是應力差較大和東西向最大主應力的共同作用效果。所以依據彈性力學理論和數值模擬結果，同等條件下方案3較合適。

圖3 石門掘進過程中豎向應力云圖

比較方案1和3，因應力差隨深度的增加呈減小的趨勢。應力差較大時，掘進過程中豎向應力云圖應力集中現象較明顯，方案1應力集中區域較小，基本不會造成影響或者影響程度較小，這說明SH方向對石門的影響效果更明顯，模擬結果顯示方案1效果最好，應力集中位置位于X軸方向160m，距離斷層位置28m，進一步對比還需考慮水平應力變化。

3.2 水平應力變化特征

在圖4中，方案1中石門位于“一水平”位置，水平應力相對其他2個方案較低。石門兩幫受壓應力作用，壓應力變化范圍在0～2 MPa，壓應力較小。頂底板壓應力集中，底板壓應力集中區域較大，最大壓應力值17.326 MPa，在較高壓應力作用下頂板易發生擠壓破碎變形，底板水平應力集中，有可能出現底臌現象。

圖4 石門掘進過程中水平應力云圖

方案2中石門位于“二水平”位置，石門兩幫大部分受壓應力作用，壓應力變化范圍在0～5MPa，小部分受到拉應力作用，拉應力最大值0.26 MPa，兩幫位置受壓應力值較大，相對方案1發生變形破壞的可能性更大一些。頂底板壓應力集中，最大壓應力值25.154 MPa，較方案1壓應力值大。

方案3中石門位于“深部水平”， 水平應力云圖的分布與方案2相似，壓應力值較方案2整體增大，說明最大主應力方向一致的情況下，深部應力值的增大是石門兩幫破壞較嚴重的主要原因。當主應力方向為南北向時，圍巖應力變化較小。綜合考慮3種模擬方案，結合考慮實際情況，方案1相對較為合理。

3.3 塑性區變化特征

由于石門掘進造成頂底板和斷層破碎帶活化，掘進迎頭會產生導水裂隙，若連接活化斷層破碎帶的斷層水和上、下盤地層存在的承壓水，承壓水就會沿著活化帶導通進入掘進工作面，造成突水事故，這也是在正斷層上盤開挖易發生突水的原因[4]。F斷層閉合性較好，斷層破碎帶為泥質充填，富水性弱、導水性差，自然狀態下斷層帶一般具有一定的阻水特征，石門掘進擾動后，可能會因為礦壓或水壓的變化而被突破。圖5是方案1條件下石門掘進過程中塑性區分布圖，隨著掘進面逐漸向斷層推進，塑性區分別向頂底板和斷層方向擴展。

圖5 石門掘進不同長度時塑性區分布圖

石門開挖140m時頂底板主要以剪切破壞為主，最大影響范圍至頂板30m和底板15m位置，掘進方向上影響至24m處，斷層破碎帶部分活化。石門掘進188m時，即距離斷層12m時，受到高應力作用下，迎頭破壞程度變大，出現導水裂隙，最終和斷層活化帶導通。這時應注意預防突水災害，180m之前應做好超前探水工作。此外，斷層帶的塑性區僅占斷層破碎帶的一部分(約一半左右)，推測石門掘進過程造成斷層帶應力變化較大，整體破壞可能性較小，即石門工程的擾動造成F斷層活化的可能性較小。

4 結 論

三維工程地質模型更直觀的反應地質情況，有利于邊界條件的施加和石門工程的模擬開挖，較適用于工程實施方案的比選。數值模擬結果得出方案1較合理，即石門的最佳掘進方向是近正南北方向，根據已有地應力資料，石門掘進方向取NE60°，深度宜在“一水平”(標高-550m)處，更有利于巷道支護，減少應力集中現象出現，石門工程的擾動造成F斷層活化的可能性較小。