煤礦井下地質構造對地應力分布影響的數值模擬分析

劉華姣

（成都理工大學，四川 成都 610059）

1.引言

煤炭井下開采中，應對地質構造進行分析，明確構造具體類型，如斷層、向斜和裂隙等等，并且結合具體力學性質，研究煤巖體力學形式，對影響地應力分布的因素進行控制，關注構造應力變化。實踐表明，地應力場變化與地質構造密切相關，相關人員應分析地應力場力學性質，對相關影響因素進行識別。

2.核心概念淺析

2.1 地質構造

地質構造是地殼運動變化形成的地理環境，受到內外應力變化，是地下巖層和巖體發生變形或位移留下的形態。通常情況下，地質構造類型主要包括背斜、向斜、地壘和斷層等等。相關構造會影響煤礦井下地基基礎穩定性與滲漏性。在煤礦井下作業中，為確保安全性，應充分考慮地質構造情況，施工作業中，應避開巖石破碎、強度較低的地質結構環境，并且加強對施工現場的技術監控[1]。

2.2 地應力

地應力即存在于地殼中的應力，是巖石發生形變后，作用在內部介質上的力，具體包括兩部分，一是覆蓋巖石重量引起的應力；二是地球自轉和引力變化形成的慣性離心力[2]。在煤礦井下作業時，應充分考慮地質構造對地應力影響，并制定有效防護措施，提升開采作業安全性。實際開采中，不同開采面地應力具有較大差異。造成這一現象的主要原因是我國煤炭資源豐富，地下煤巖體存在不同類型，相關要素會對煤礦井下地質構造穩定造成實質影響[3]。

3.礦井地質構造影響

3.1 確定數值模型

為加深地質構造與地應力之間關系的認識程度，以某地礦區（主要是向斜地質構造）為研究對象，使用FLAC 軟件對相關數值進行模擬。研究結果能夠為實際工作提供理論參考，發揮研究工作實用價值[4]。實踐分析中，鑒于多層向斜構造中，FLAC 數值模型十分復雜，為實現科學研究目標，構建了接近現場實際情況的三維動態化模式，使用Rhinoceros 軟件，對模型進行構建，并且對三維單元進行劃分。劃分單元需要導入到FLAC 軟件系統中，達到獲取準確數據目的[5]。

模型構建中，根據該地區鉆孔柱狀圖、煤層底板等高線、井上井下作業圖，對相關材料進行整合分析，確定數值模型。實際操作中，確定了模型范圍。模型為長2000 m，寬1000 m，高1000 m 的長方體。研究中，考慮到地應力是造成地殼運動和變化的主要力量，可具體分為內應力與外應力，不同地質構造會受到不同地應力影響，因此，需要結合現場施工實際條件，明確模擬條件和參數[6]。

為明確向斜構造中水平應力場分布特征，需要將數值模型中上覆蓋巖層去除，在此基礎上，對基本頂和直接頂內容進行研究，實現對水平應力情況的有效了解。通過對基本頂的研究，也能夠檢驗數值模型的準確性，對相關參數和數值變化情況進行分析，使得理論研究更加具有應用價值[7]。煤層地質構造中，應對向斜軸向的水平應力進行分析，明確最大值。水平應力變化沿著向斜翼部發生變化，具有逐漸變小的趨勢，并且能在向斜軸內部達到受力平衡。

數值模型分析基礎建立在巖層結構穩定，具有一致性前提條件下。值得注意的是，在確定數值模型中，應確保基本頂位于向斜軸部范圍內，并且要求水平應力值大于垂直應力值。而煤層部分數值模型的研究中，需要確保煤層位于斜軸相關部位，其水平應力值應小于垂直應力值。但是，數值模型研究中，也考慮到造成各層水平應力增加量的因素多變，并且相互之間不存在關聯性，彈性模量基本頂水平應力將遠遠大于煤層部分水平應力變化。

本文在相對完整的基本頂砂巖中，對地應力具體變化值進行數值模型構建，并且對相關數值進行測量，提升結構準確率。由于直接頂與煤層結構相對破碎，不具有完整性特征，因此在研究地質構造對地應力產生的具體影響時，經常忽略相關因素變化[8]。研究數值模型，可得到相對有價值的結論：巖層彈性模量降低，則水平應力值出現下降趨勢，并且其應力狀態以構造力為主，轉向自重力為主。

3.2 條件模擬與參數確定

根據煤礦井下實際情況，分析煤巖體應力變化，其主要包括兩個部分，一是巖體自重應力引發的水平應力分量；二是構造運動引起的水平應力分量。計算最大水平應力可使用以下公式：

條件模擬的過程主要分兩個階段進行，第一階段是模擬自重應力場，在這一過程中，應控制模型底面的垂直位移變化量。當4 個側面朝向水平位移方向固定時，模型在自重下運算結果平衡。第二階段是模擬構造應力場，這一階段主要是規范模型右側面的法向水平位移固定邊界條件，并且對其施加速度邊界條件，達到理想控制目標，同時，對相關參數進行明確。

研究中，根據礦井所在地測量結果，通過后10 個測站地應力大小、方向，實現對整體水平應力的合理模擬。經過權威計算，后10 個測站的最大水平應力平均值為21.7MPa，平均垂直應力11.8MPa。此時自重應力在水平方向產生的分量為4.1MPa（根據泊松比μ=0.25 計算得出）。

條件模擬和參數確定是研究地質構造對地應力產生影響的理論基礎，相關人員應綜合分析礦區實際情況，根據井下作業實際情況，對模型條件和相關參數進行分析，并對運算結果進行獲取，在此基礎上，構建基于地質條件分析有效模型，提升參數研究價值。同時，也應對計算結果進行分析，重點關注結果的真實性與合理性[9]。

條件模擬中，對地應力實測值與數值模擬結果進行比較，并且結合礦區實際情況，對模擬結果的真實性與準確性進行分析，提升理論研究價值。文中理論研究部分主要基于10 個觀測站數值。垂直應力變化也應根據上覆蓋層的厚度進行估算，并考慮構造基本情況。地形起伏變化主要受到地質構造影響，因此，在分析具體參數和數據模型過程中，對地質構造實際情況進行明確，根據模擬結果，對向斜軸部局部地段進行分析，此時垂直力增加較為明顯。

3.3 計算結果分析

研究地質構造對應力產生的具體應用，需要關注煤巖體自重應力場變化，分析重力作用下，各層巖體的壓實情況，通過科學有效分析，獲取準確的參考值和影響程度。實踐分析中，通過對模型的研究可知，煤巖體內垂直應力的大小與巖層的密度和重力加速度有關。實踐應用中，考慮煤巖體各部分情況受力不同，因此在模型中，各煤巖層具有較大變化，但是相關數值在煤巖層以外的變化不大，造成這一現象出現的主要原因是各煤巖層密度差別較小，垂直密度仍沿水平梯度變化，并且具有正向相關性，即實際埋深越大則垂直應力增加。

水平應力的產生過程與重力因素有關，巖煤層水平方向移動受到限制。分析煤巖層水平方向變化，主要考慮模型中的泊松比，同時，自重應力形成中，水平應力也會呈現出階梯變化規律。變化規律與巖體埋深有關，埋深增加，則水平應力增加。

結果分析中，也考慮了構造應力場演化過程，分析水平擠壓作用下，構造應力場出現的具體變化規律。實踐中，考慮地層變形模量相對較大，在相同擠壓速度下，巖層結構向上隆起的程度出現明顯差別。具體變化情況，主要分析向斜滑動面[10]。在滑動面左側，地層整體變形模量與右側比較相對較小，形成的地質構造特點，是左側地層隆起較大，而右側地層隆起較小。相關變化情況如圖1 所示。

如圖，在構造應力的影響下，煤巖層內水平應力變大，并且具有持續增加的趨勢。根據以上討論結果可知，水平應力增加量與彈性模量變化具有線性關系，因此，各層煤巖體的彈性模量相差較大。原有的水平應力值中，應充分考慮地質構造影響，使得自重應力下能夠形成水平應力扭轉，而彈性模量較小巖層中，實際承載力也相對較小，因此，需要對水平承載力進行控制。

圖1 水平應力演化過程

4.結語

在研究地質構造對地應力產生的影響中，首先應明確具體構造類型，對不同構造類型下，地應力的變化情況進行有效分析，在此基礎上，構建理論模型，分析相關參數與實際值，使得研究過程更加科學。文章在明確數值類型的基礎上，對相關參數進行檢驗，并且對計算結果進行分析與驗證，系統合理分析了地應力場類型和相關影響因素，構建了地質構造與地應力場變化的模型，為礦井安全開采提供技術理論支撐。