基于flac3d的井下斷層數值模擬及其控煤分析

朱廷忠　魏廣群　蔣莉莉

【摘 要】通過對現有的勘察資料分析，結合運用AutoCAD和Flac3d，對淮北劉店井田7煤1號勘探線斷層進行數值建模，模擬分析局部斷層影響下煤層附近應力分布情況，分析應力集中區的形成因素。運用構造地質學、煤田地質學研究理論與方法，研究區域內圍巖應力分布規律，分析勘探線斷層的控煤模式和控煤作用，以及對煤層賦存的影響。為井下挖掘開采，工作布置和礦井災害防治提供指導。

【關鍵詞】Flac3d；Cad；數值模擬；控煤分析

0 引言

Flac3d是一種利用顯示拉格朗日差分方法為巖土工程和地質力學方面研究提供有效數值模擬分析的工具。其采用判斷最大不平衡力是否隨時間階步的增加而收束的方法，來刻畫計算的收斂過程，反映計算是否趨于穩定。Flac3d建模后，通過對其構建的模型賦予相應的物理性質和巖體力學參數，設定相應邊界條件，即可對研究區進行井下斷層的數值模擬，對其控煤模式和控煤作用以及對煤層賦存的影響進行有效計算和相關分析，具有較為理想的三維數值模擬計算分析能力[1]。為此，本文通過運用autocad和flac3d對淮北劉店7煤1線斷層進行數值模擬，得到斷層xyz各方面應力云圖和最大最小主應力圖，研究斷層煤層圍巖間的應力分布規律，分析斷層的構造控煤作用和對煤層賦存影響，從而對煤厚變化規律進行研究，在井下開采掘進和工作面布置上都具有積極的指導作用。

1 研究區概況

1.1 聚煤環境

劉店井田所在的兩淮地區形成于二疊世早期，沉積體系主要以海灣瀉湖和三角洲相交替出現。從K1灰頂到10煤層，兩淮地區沉積環境由淺海、濱海相漸變為瀉湖、濱海、潮坪相。隨著環境的逐漸演化，潮坪的范圍不斷擴大，使之利于泥炭沼澤沉積相的發育，為煤炭的形成和聚集做出了準備[2]。10煤上層鋁質泥巖，表明聚煤作用的完成，煤層上層三角洲平原相發育。大量植物化石碎片的深灰色薄層狀的泥巖，代表了三角洲沉積體系的形成。十煤層之上的巖石顆粒由粗變細的層序特征，體現了兩淮地區三角洲沉積相的整體演化過程。

根據地質資料綜合分析認為：7、10煤層煤層之下為海灣一瀉湖一潮坪沉積體系；煤層上部為淺水三角洲沉積體系，煤層沉積時受到三角洲分流河道的沖刷作用，煤層的頂部是分流間灣靜水沉積相。

1.2 井下構造特征

通過對地震、鉆探、測井和巷道資料進行，研究區中組合落差3m以上的斷層297條。其中落差≥30m的斷層32條，≥15m～<30m的斷層37條，≥5m～<15m的斷層79條，落差<5m的段層149條。其中，F3正斷層位于礦區中部，北東東走向，北北西傾向，傾角約60°，平面延伸大于500m，落差斷距90m。同時影響7、10煤層。位于1044工作面J7點前17m對采區的巷道布置和回采有很大的影響[3]。F4正斷層位于礦區中部，近東西走向，南南西傾向，平面延伸約500m，落差斷距約140m。

1.3 煤層賦煤規律

劉店井田煤層的幾何形態深受聚煤環境的影響。井田的7、10煤層皆在潮坪、海灣、瀉湖中形成，因此煤層下方的沉積體系嚴重影響煤層的展布和格局。該區域內煤層走向多為北東方向。受沼澤發育的開始時間、頂部碎屑物質的推進方向和速度的影響，導致煤層總體上呈由北向南逐漸增厚的發展趨勢[4]。

從十煤層煤厚等值線圖可以看出，受井田內部褶皺構造影響，煤層厚度的展布主要分為東西向和北東向兩個方向。劉店井田內發育有DF60， DF61和DF33等逆斷層，由于受這幾個逆斷層上下兩盤的逆掩重疊或擠壓聚集，使得這些斷層附近的煤層厚度較大。F3和F4兩大正斷層的拖拽作用，使得附近的煤層厚度一般都很小，平均厚度在2米以下。

2 斷層模型的構建

地質模型是通過對斷層和層位的研究而建立的三維網格體。模型的三維網格體中每一個節點都會被賦予像泊松比，體積模量，剪切模量等等的屬性參數。

Flac3d在前處理階段對于復雜三維地質體建模上，存在明顯不足，模型數據點確定和網格劃分上的低效性，造成了建模的不便。通過利用autocad平面圖形轉化三維模型的方法，可以方便、快捷地建立可用于flac3d的地質模型[5]。但通過此簡便方法建立的是對二維圖形進行半空間延伸的三維模型，無法建立更為復雜的地質模型。為此，遇到復雜的構造結構，本文通過直接在cad上進行三維圖形建模，提取相應點坐標進行數據匯總處理，將生成的數據文件以txt格式保存，最后通過flac3d命令導入數據文件，并添加邊界條件、初始條件以及本構模型和具體材料參數，即可生成復雜的數值模型。

2.1 地層力學參數的確定

巖石力學參數的選取如表1。

2.2 計算模型設計

根據勘探資料分析，F3斷層位于礦區中部偏北部，走向北東東，傾向北北西，傾角約60°，平面延伸大于500m，落差斷距約為90m，G15地震孔控制斷層。勘探線剖面圖1，區域等高線圖2如下：

從資料中可看出，兩側煤層傾向為北東東，走向為北北西，傾角較小，為了方便模擬分析將其視為水平地層進行建模。研究區將整個工作面作為模擬對象，地質模型x方向沿勘探線方向進行衍生，取1000m；Y軸方向，即垂直勘探線方向，取500m；模型Z軸垂直方向，取500m。按1：10的比例進行圖形縮放如圖3，將模型長寬高分別縮小為100*50*50，減小模擬計算數據，模型總計有16005個控制節點和13000個控制單元。取7、10煤層的底板等高線位置確定7、10煤埋深，估算煤層間巖層厚度，建立模型圖4如下：

2.3 添加相應參數條件生成模型

建模原始模型后，通過添加邊界條件，以模型長寬高為邊界進行限定，限制地板的移動，賦予具體的本構模型和材料參數，對模型所在應力場進行賦值，使平衡后模型與實際開挖工作面情況進行最大限度的吻合[6]。模擬區域內巖體受自重施加垂直方向上的載荷，數值模擬斷層煤層間應力分布情況，研究周圍巖體的密度分布規律圖5。巖體平均強度圖6模擬如下：

3 斷層的控煤分析

煤層屬于沉積礦床，在無外界干擾的情況下，各煤層在一定范圍內是連續分布的，局部可能會出現分叉和合并，但不影響整體的連續性。在斷層影響下，煤層被切割開，沿著斷層走向依次錯動錯位，對開采工作面的布置有很大干擾。

作為沉積型礦床的煤層，賦存空間狀態是緩慢傾斜層狀連續分布的，而受到斷層影響，煤層的產狀會發生較大變化，傾角變化大，走向變化不定。在斷層影響下，煤層容易出現鏟失、擠壓變薄或變厚，媒體強度變低，自身的特性發生改變[7]。

劉店井田1號勘探線F3正斷層位于礦區中部偏北。走向北東東，傾向北北西，傾角約60°，平面延伸大于500m，落差斷距90m。同時影響7、10煤層。其分布于1044工作面J7點前17m處，對采區的巷道布置和回采有很大的影響。

經過在z方向賦值巖體受重力施加向下的應力，可以得到z方向上應力云圖，和巖體強度應力比分布圖。可以分析得到，在不受外界條件干擾下，受斷層影響，煤層和周圍巖體之間的應力分布情況和巖體強度應力比，可以直觀明顯的看出，煤層和巖體之間存在的脆弱易塌陷部位，為布置工作面和開采掘進提供了指導依據。

結合z各向應力云圖7與巖體強度應力比分布圖8，可以分析斷層兩盤煤層和圍巖應力分布情況和應力強度比，判斷巖體穩定與否和預測可能出現的破碎斷裂帶[8]。由上圖可知，斷層上盤，7、10煤層之間應力強度比小，穩定性差，較為脆弱。位于斷層上盤的煤層段部，受拉伸力影響較大，巖體較為脆弱，易受到破壞，這為確保開采掘進工作安全進行提供了很好的保障。

4 結論

以淮北劉店煤礦為例，建立研究區地質模型。依據已知地質地震勘探資料，確定邊界條件，施加應力場，模擬斷層帶及其兩盤的應力分布情況，得到x、y、z各向應力云圖，獲取研究區域應力平衡后的應力場變化。研究斷層煤層圍巖間的應力分布規律，分析斷層構造的控煤作用和對煤層賦存影響，從而為對煤厚變化規律的研究做了準備和鋪墊，對開采掘進和工作面布置上都有積極的指導作用。

【參考文獻】

[1]柴紅保，龍雪鳴.復雜地質體FLAC3D模型快速生成[J].礦業工程研究，2009（2）.

[2]劉丙祥，劉桂建，姜波，肖秀玲，張瑞剛.淮北煤田劉店井田含煤巖系沉積特征及主煤層對比研究[J].中國煤炭地質，2009（9）.

[3]李書奎，彭濤.淮北劉店煤礦構造特征及其形成機制分析[J].中國煤炭地質，2012（7）.

[4]姜波，王桂梁，等.安徽省淮南煤田穎鳳區推覆構造微觀變形特征及其成因機制[J].中國區域地質，1992（1）：60-67.

[5]周子龍，梁輝.基于AutoCAD和ANSYS的FLAC3D復雜地質體建模[J].中州煤炭，2014（5）.

[6]賈曉亮.基于FLAC3D的斷層數值模擬及其應用[D].河南理工大學，2010.

[7]王素娜，孫小巖.F16逆沖斷層的控煤模式及對煤層賦存的影響[J].煤炭技術，2015（12）.

[8]劉店煤礦10煤賦存特征與綜采塊段選擇研究[D].安徽理工大學，2012.

[責任編輯：田吉捷]