基于古構造應力場的井田小構造預測研究

孟 達，張 梅

(1.中國科學院力學研究所，北京 100190；2.河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，河北 保定 071000)

地質(zhì)找礦

基于古構造應力場的井田小構造預測研究

孟 達1，張 梅2

(1.中國科學院力學研究所，北京 100190；2.河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，河北 保定 071000)

本文首先收集并綜合華北平原的區(qū)域地質(zhì)綱要資料，其次對邢臺地區(qū)顯德汪礦區(qū)古構造應力場進行了分析，確定了歷次構造運動對本礦區(qū)構造產(chǎn)生的影響，基于構造應力演化規(guī)律，通過建立了礦區(qū)的三維數(shù)字地質(zhì)構造模型，結合巖石力學，彈塑性力學，斷裂力學，進行數(shù)值計算。通過理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實驗相結合，預測了該井田小構造分布區(qū)域和分布規(guī)律。得到礦區(qū)的斷層分布區(qū)域圖。該研究結果可為礦田現(xiàn)在采區(qū)及未開采區(qū)采掘設計提供最優(yōu)方案，最大限度避免經(jīng)濟損失，也可為瓦斯地質(zhì)分布、奧灰水賦存提供幫助。

古構造應力場；井田小構造；數(shù)字高程模型(DEM)；數(shù)值模擬；區(qū)域預測

1 背景介紹

地質(zhì)構造復雜程度中等及以下的礦區(qū)勘察孔間距一般在300～500m，中大型構造可以普遍探測到，但是對于工程尺度的小構造很難在勘察階段查明。小構造是普遍存在的，其密度不同，分布具有不均勻性。小構造的存在，使得瓦斯和承壓水賦存具有空間，頂板冒頂大多也是小構造造成的。因此小構造會直接影響煤礦生產(chǎn)的安全和工作效率。例如，對于斷距較大的斷層，會影響綜采機的壽命，斷層破碎帶大的煤層開采時會直接影響原煤的生產(chǎn)質(zhì)量，由于導水性增強會引起礦井水害，或者引起煤與瓦斯的突出等問題[1-4]。

目前的科技發(fā)展水平，小構造的預測只靠任何一種方法都很難預測準確，因此，需要多種方法的綜合預測，相互校正，得到較為準確的結果。顯德汪礦位于河北省邢臺地區(qū)，礦區(qū)地質(zhì)構造、水文地質(zhì)條件較為復雜。為了確保煤礦安全生產(chǎn)，對煤礦井田范圍內(nèi)的地質(zhì)小構造進行預測是尤為重要的。首先要按地學的方法研究煤礦構造發(fā)育特征和構造區(qū)域分類，并對構造進行分期，根據(jù)已探明的中大型構造的分布特點及規(guī)律，根據(jù)構造地質(zhì)學原理，可能產(chǎn)生的同期構造、伴生構造以及混合構造等小構造進行預測；其次根據(jù)歷次構造在該礦區(qū)的產(chǎn)生的構造力進行數(shù)值模擬，最后根據(jù)現(xiàn)場的抽水試驗驗證以及以揭露的小構造臺賬數(shù)據(jù)，綜合三種方法相互驗證得到的小構造的預測區(qū)域和分布范圍。

小構造預測可以對礦區(qū)的賦水分布和瓦斯地質(zhì)區(qū)域進行分析，對不同構造區(qū)域進行回采巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化，對于保證回采巷道的正常使用，降低巷道的維護費用，滿足綜采面快速推進的要求，實現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)等具有重要現(xiàn)實意義和理論價值。

2 工程概況

2.1 井田位置

邢臺地區(qū)顯德汪礦位于武安斷陷北部，太行山隆起帶東側，為新生代華北盆地的西部邊緣，隆堯南正斷層上盤(南側)至名河一線，與隆堯南正斷層平行展布的向斜、背斜的褶皺構造位置。該礦井開采山西組的1#、2#煤層。

2.2 邢臺地區(qū)的古構造應力場分析

對邢臺地區(qū)造成顯著影響的構造運動可綜合歸納為三次：第一次是燕山晚期，在邢臺地區(qū)的SWW向產(chǎn)生板塊壓縮，板內(nèi)變形速度是5.2cm/a，在邢臺地區(qū)廣泛產(chǎn)生的走向接近SW-SWW的褶皺，并在太行山東部產(chǎn)生逆斷層帶。第二次是四川晚期的構造運動，在邢臺地區(qū)NNE向產(chǎn)生板塊壓縮，板內(nèi)變形速度為2.7cm/a，在邢臺地區(qū)廣泛產(chǎn)生走向為NNE向、角度較緩的褶皺，與燕山期產(chǎn)生的SW-SWW的褶皺進行了重合，形成復合構造，并在太行山東側右行走滑-正斷層帶。第三次是中國大陸華北期和喜馬拉雅構造運動(因存在某些共同特征，這里將兩期合并)，其特點是南北向的斷層發(fā)生張裂，許多地方出現(xiàn)近南北延伸的追蹤張節(jié)理，太行山東側的正斷層，沿著這些規(guī)模較大的斷層明顯地表現(xiàn)出東西向伸展的特征，控制了新近紀近南北向延展的張裂盆地。

3 地學分析小構造的分布規(guī)律

3.1 顯德汪礦井田的構造分析

該礦區(qū)井田的構造較為復雜，屬于典型的伸展構造發(fā)育區(qū)。礦區(qū)內(nèi)小斷層分布比較集中地分布在井田東部和南部。根據(jù)礦井地質(zhì)資料顯示的小構造資料，采用模糊數(shù)學的聚類分析法可以得到。大中型斷層結構面優(yōu)勢產(chǎn)狀的聚類分析見圖1，小斷層的結果如圖2所示。

圖1 大中斷層結構面傾向枚瑰圖及極點圖

圖2 結構面傾向枚瑰圖及極點圖

分析模糊熵指標Hc、分類系數(shù)Fc、模糊超體積Fhv和平均劃分密度Pda等四個聚類效果檢驗指標，均可發(fā)現(xiàn)巖體中的結構面劃分為兩組較為合理。第一組結構面優(yōu)勢方位為傾向98.4°，傾角55.5°；第二組結構面優(yōu)勢方位為傾向277.1°，傾角59.5°。

產(chǎn)業(yè)融合、空間集聚已成為我國文化與旅游業(yè)的重要特征[15]81，陳建軍等[19]分析得出促進產(chǎn)業(yè)融合的現(xiàn)實空間平臺就是產(chǎn)業(yè)協(xié)同集聚。本文循此分析脈絡提出，文化和旅游產(chǎn)業(yè)之間存在較強的產(chǎn)業(yè)關聯(lián)和協(xié)同互動，兩者的融合使兩大產(chǎn)業(yè)鏈的要素相互交叉滲透，這一融合過程促使兩大產(chǎn)業(yè)的企業(yè)在空間上渴望鄰近分布以形成協(xié)同集聚態(tài)勢。這種協(xié)同集聚具有雅各布斯(Jacobs)外部性收益，不僅能減少文化與旅游產(chǎn)業(yè)部門之間的搜尋、訂約、監(jiān)督等交易成本，也有利于文化與旅游企業(yè)間的要素資源的專業(yè)化共享與多樣化溢出，提高要素投入結構和產(chǎn)出結構的匹配程度，實現(xiàn)旅游產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部結構優(yōu)化。據(jù)此，本文提出：

3.2 構造地質(zhì)學原理分析

華北地區(qū)在印支運動之前為水平沉積層。印支期產(chǎn)生了近南北向板內(nèi)壓縮變形速度是1.6cm/a，在同地區(qū)同時代沉積巖層呈水平狀態(tài)時，都有一對普遍發(fā)育的直立或近直立的共扼剪節(jié)理，說明是在成巖時期至變形前構造成因的?；居兴慕M節(jié)理:兩個正向系列和兩個斜向系列：①EW向節(jié)理；② NNE向節(jié)理；③NE向節(jié)理；④NW 向節(jié)理。還有一套“X”型節(jié)理，兩組呈菱形的節(jié)理，可以從中大型聚類分析看到兩組優(yōu)勢節(jié)理面的情況。

邢臺地區(qū)共產(chǎn)生兩期的褶皺變形作用，即NNE向和近EW向的褶皺，可能在褶皺的核部產(chǎn)生小裂紋，因此在這兩期復合褶皺的背斜和向斜核部會有正扇形的張節(jié)理，可能是一組也可能是多組。還有的就是褶皺復合部位，產(chǎn)生壓或張的裂紋。同時也可能產(chǎn)生層間錯動所產(chǎn)生的破劈理，從小構造聚類分析圖可以看到。

再者就是伴生構造，斷裂的一側往往有共生的節(jié)理，其力學解釋同上述的分析。對于張節(jié)理與主干斷裂的關系如圖3(a)、圖3(b)所示相交的銳角指向本盤的滑動方向；而節(jié)理則有直線與弧形的區(qū)別，它們與主干斷裂的方位關系如圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)所示，與主干斷裂相交成大銳角的銳角指向?qū)γ姹P滑動的方向，成小銳角的指向本盤滑動方向，特別注意的是，不論哪一種節(jié)理都只是與主干相交為止，絕不穿過，這是由它們的從屬關系和力學成因決定的。

圖3 伴生構造

4 三維數(shù)值模擬預測小構造區(qū)域

為了直觀地、準確地分析顯德汪井田在這幾次構造運動下產(chǎn)生的地質(zhì)變形和地質(zhì)構造，根據(jù)該煤礦提供的實際鉆孔資料，建立三維地質(zhì)模型，三維地質(zhì)建模是實現(xiàn)數(shù)字礦山的重要環(huán)節(jié)之一。本文利用顯德汪礦上提供的鉆孔資料先建立礦區(qū)的多層DEM模型[3-12]，然后通過獲得不同位置的剖面數(shù)據(jù)建立三維的有限元計算模型，對礦區(qū)內(nèi)井田小構造區(qū)域進行預測。

4.1 建立三維的有限元地質(zhì)模型

有了剖面的數(shù)據(jù)和斷層的位置，即可利用自底向上的建模方式建立三維的有限元地質(zhì)模型。建立起來的三維有限元模型不僅可以計算各種地質(zhì)構造運動產(chǎn)生的影響，還可以通過給定相關的外載荷和邊界條件模擬開采引起的破壞區(qū)域及其擴展演化，并給出合理的保安煤柱預留距離。建立的三維地質(zhì)模型如圖4所示。

圖4 三維地質(zhì)模型圖

4.2 小構造區(qū)域預測

4.2.1 數(shù)值模型的建立

模擬顯德汪礦區(qū)在這幾次構造運動下，產(chǎn)生的地質(zhì)變形和地質(zhì)構造時，分別取礦區(qū)的燕山期W-E向和華北期的W-E向的縮短擠壓運動，取四川期的N-S縮短和擠壓運動進行數(shù)值模擬。由于喜馬拉雅期的沉積運動對東部地區(qū)影響不大可以近似忽略這個時期對小構造產(chǎn)生的影響。

這里對地質(zhì)模型做了一定處理，認為基本的大褶皺先于斷層產(chǎn)生，這樣數(shù)值模擬所需的剖面模型是在基于形成基本褶皺的基礎上建立的。建立的地質(zhì)模型共分為五個地層，并且認為煤與覆土之間、煤與奧灰頂之間為均勻的細砂巖，奧灰?guī)r用較硬的灰?guī)r模擬。模擬的五層分別為新生界覆土、細紗巖、煤、細紗巖、灰?guī)r。其參數(shù)如表1所示。

表1 各地層材料參數(shù)(僅供數(shù)值模擬用)

考慮到礦區(qū)成東西向窄南北向?qū)挼木匦螀^(qū)域。從已建立的多層DEM模型中獲取從左至右9個橫向剖面和從上到下5個縱向剖面，剖面在礦區(qū)中的具體位置見圖5。

4.2.2 對橫向擠壓運動數(shù)值模擬與分析

以下為建立的各橫向剖面有限元模型、計算塑性破壞區(qū)云圖、以及結果分析。由于篇幅所限，橫剖面圖選取1、5、9，縱剖面圖選取1、3、5進行分析，其余剖面圖分析過程與此類似，這里不再贅述。橫剖面1、5、9有限元網(wǎng)格及塑性應變云圖見圖6。

在橫剖面1中，出現(xiàn)塑性應變集中的區(qū)域位置主要在兩端褶皺的兩翼，這也是斷層的高密度區(qū)。在第一個區(qū)域揭露的斷層有3條斷層。第二個區(qū)域中鉆孔較為密集，揭露了大斷層2條斷層。其次在剖面的中間小褶皺區(qū)域是斷層密度較高區(qū)域，在該區(qū)域揭露的斷層為2條；橫剖面6中，由塑性應變可以得到斷層高密度區(qū)有4條。其次斷層密度較高的區(qū)域有3條；橫剖面9中，由塑性應變可得到斷層高密度區(qū)有6條在該區(qū)。

圖5 剖面位置在礦區(qū)的示意圖

圖6 橫剖面1、5、9有限元網(wǎng)格及塑性應變云圖

圖7 縱剖面1、3、5的有限元網(wǎng)格模型及其塑性應變云圖

4.2.3 對縱向擠壓運動數(shù)值模擬與分析

以下為建立的各縱向剖面1、3、5的有限元模型、計算塑性破壞區(qū)云圖、以及結果分析。

縱向剖面1、3、5的有限元模型、計算塑性破壞區(qū)云圖見圖7。

在縱剖面1中，由塑性應變云圖可以看出，塑性應變集中在中間大褶皺(欒卸北向斜)的兩翼，在該區(qū)域揭露的斷層有6條及若干小斷層。在該區(qū)域揭露的斷層是1條；在縱剖面3中，由塑性應變云圖可以看出，斷層高密度區(qū)域斷層有12條；在縱剖面6中，有塑性應變云圖可以看出，斷層的高密度區(qū)域有3條斷層被揭露。

根據(jù)計算結果，可以得出如下結論：N-S向或近N-S向斷層的高密度區(qū)集中在顯德汪向斜的兩側；W-E向或近W-E向斷層集中在欒卸北向斜和李石崗向斜的兩側(圖8)。如果我們認為橫向剖面和縱向剖面的斷層高密度區(qū)域是相互貫通的，我們可以將這些區(qū)在礦區(qū)平面圖上連接起來，作為礦區(qū)斷層高密度區(qū)，見圖9。

在該項目完成五年了，隨著礦區(qū)生產(chǎn)的不斷推進，預測的四個小構造預測高密區(qū)，都得到了相應的驗證，有兩個小構造高密度區(qū)還進行了抽水實驗，與預測區(qū)域結果相符。

(粗斷線為井田邊界，細斷線為斷層或向斜，網(wǎng)格為剖面線，虛線為已開采揭露的斷層)圖8 顯德汪井田構造綱要圖

圖9 礦區(qū)斷層高密度區(qū)位置預測結果

5 結 語

本文通過地學分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場小構造揭露、抽水實驗相結合相互驗證的綜合方法。對礦區(qū)井田范圍內(nèi)的小構造進行預測，可以得到以下幾點結論。

1)首先對礦區(qū)的構造期進行確定，并確定板內(nèi)受力特點；其次是地學小構造產(chǎn)生推測；然后是數(shù)值分析，這樣就可以較為準確地確定小構造的分布范圍和規(guī)律。將這些斷層高密度區(qū)域在礦區(qū)平面圖上連接起來，作為礦區(qū)斷層高密度區(qū)域。該研究可為礦田現(xiàn)在采區(qū)及未開采區(qū)采掘設計提供最優(yōu)方案，最大限度避免經(jīng)濟損失。

2)可以從數(shù)值模擬的云圖中看到應力、應變異常區(qū)圖也是小構造分布密度密切有關，可以相互對應。可以進一步的研究中可以建立精確的關系。小構造的預測為礦區(qū)開采影響、瓦斯突出、突水建立了可用的計算模型。但是我們?nèi)匀灰吹剑撃Ｐ偷臏蚀_程度依賴于鉆孔的密集程度及數(shù)據(jù)的準確程度。當然在從剖面線得到斷層位置時我們用到了些數(shù)值方法的模擬計算，如何將這些數(shù)值結果所依賴的參數(shù)實際化，還需要實際工程給出借鑒。

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The regional forecast of the coal mine structure based on the paleotectonic stress field

MENG Da1，ZHANG Mei2

(1.Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;2.Agricultural University of Hebei，College of Urban and Rural Construction，Baoding 071000，China)

The paper collected and synthesized the regional geological outline information of the North China Plain，and analyzed the paleotectonic stress field of Xiandewang Coal Mine area in Xingtai，determined the effects on the mine structure produced by the previous tectonic movement.Based on the evolution of tectonic stress，combined with rock mechanics，elastic-plastic mechanics and fracture mechanics to proceeded the numerical calculation，established a three-dimensional digital geological structure model of the mine.Through theoretical analysis，numerical simulation and field experiments，predicted the small structures distribution area and the distribution law of the mine field，got the mine fault distribution area map.Not only the research results can provide the optimal mining design solution for the mining area and no mining area，but also help for the gas geology distribution and the Ordovician limestone water occurrence.

paleotectonic stress field；coal mine structure；DEM(Digital Elevation Model)；numerical simulation；regional forecast

2014-09-20

國家自然科學基金項目資助(編號：51274185)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目資助(編號：2010CB731500)

孟達(1969-)，女，遼寧蓋州人，副教授，博士，主要從事巖土工程和采礦工程方面的研究。E-mail:mengfanda@126.com。

張梅(1973-)，河北保定人，副教授，主要從事巖土工程及采礦工程方面的研究。E-mail:zhangmei@hebau.edu.cn。

TD-0

A

1004-4051(2015)06-0071-05