摘要:通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过断层过程中煤岩内部应力场分布规律进行数值摸拟,研究巷道掘进过程中断层附近产生的应力值的变化,模拟结果分析和现场实际结果吻合较好,从而说明该模拟的方法能正确模拟煤岩过断层在开挖过程中受采动影响时内部应力场的变化规律,尽而可以有效地指导实践。
关键词: 采动煤层,断裂构造,数值模拟,应力分析
1 引言
断距在数十厘米至数米的小断层,是煤矿中最常见的断裂构造[1]。特别是石门揭煤过程中,在原岩中开挖巷道,破坏了围岩的原有应力平衡状态,使应力重新分布:一是径向应力减小,周边处为零;二是切向应力增加,产生了应力集中[2-4]。掘进巷道由岩层突然进入较松软的煤层,极易发生煤与瓦斯突出事故。
演马庄矿首次突出发生在1964年5月30日12121回风巷掘进时,突出地点标高-55m、垂深165m,突出煤量3~4t。截至到2001年6月共发生突出6次,平均突出强度502t。这6次突出有4次是受断层的影响。因此研究岩巷掘进过断层十分必要,焦煤科研所石门揭煤当掘进到岩柱3m时,进行煤与瓦斯突出危险性预测,预测不超指标,然后向前掘进至岩柱2m,然后远距离放炮揭开全断面煤层,安全的揭开煤层。本文就以演马庄矿27盘区,27111运输巷石门穿过F147断层揭煤为实例,运用FLAC3D软件对矿山巷道掘进过断层过程中煤岩内部应力场分布规律进行模拟研究[5]。
2 过断层岩巷掘进应力场的数值分析
2.1 地质构造介绍
27盘区位于演马庄矿东翼,东部为演马庄矿与九里山矿的井田边界。27盘区至今在采掘过程中未发生过突出,但有响煤炮、煤体位移等动力现象出现,与其相邻的25采区,发生过两次500t以上的突出。27111工作面位于27采区的东翼,上部为正在回采的27091顶层工作面,下部为未采区,左面为二七盘区三条上山和F147断层,右面为井田边界煤柱和F204-1断层。F147断层如图1所示。
揭煤处标高-193m,煤层平均厚度5.35m,倾角12°,煤层结构简单,以粉煤为主,中下部夹有块炭,局部含有薄层夹矸。直接顶为厚度5.57m的粉砂岩,老顶为厚度11.08m的大占砂岩。底板为厚度9m的粉砂岩,老底为厚度0.6m的L9灰岩,如图2所示。
图1 F147断层展布示意图 图2 模拟断层两盘岩性示意图
2.2 数值模型的建立
根据掘进巷道地质和煤岩等条件,在推进方向建立巷道的三维计算模型,模型范围100m(长)×40m(宽)×60m(高),(如图3所示)模型的几何模型、地质界面均在ANSYS中完成,网格划分后保存单元和节点几何信息,然后采用Visual C++语言编写的Ansys_To_Flac3D接口程序把模型导入FLAC3D中转化为FLAC3D的前处理数据格式。整个模型由四面体网格单元组成,共51000个节点,55692个单元。其中把断层做成一个弱面,用力学性质相对于周围岩体较低、可塑性较强的岩石代替[6-7]。煤层及其顶、底板等岩层均按实际厚度进行模拟,各煤岩层的物理力学参数的选取见表2-1。
表2-1 演马庄矿煤岩力学参数 演马参数 弹性模量
/kg∙m-3 泊松比 体模
/Gpa 切模
/Gpa 密度/kg∙m-3 摩擦角/(°) 抗拉强度/MPa 砂岩1 15 0.28 11.4 0.58 2.8 30 12 中粒砂岩 10 0.3 8.3 0.41 2.6 38 11.1 砂岩2 8 0.25 5.3 0.36 2.3 30 10 泥岩 0.9 0.3 0.75 0.2 2.67 28 1.25 煤层 1.5 0.32 1.34 0.25 1.5 26 2 砂质泥岩 5.5 0.23 3.4 0.33 2.3 32 7.2 砂岩3 12 0.3 10 0.5 3 35 11
图3 计算模型图
2.3边界条件和载荷条件确定
计算模型边界条件确定如下:
(1)模型左右边界施加水平约束,即边界水平位移为零;
(2)模型底部边界固定,即底部边界水平、垂直位移均为零;
(3)模型顶部为自由边界。
计算模型载荷条件确定:对模型先加载后开挖,通过三步巷道开挖模拟巷道过断层过程,其中每步开挖10m。(为了便于计算,假设巷道对实际巷道进行了简化,断层仅仅受到现代构造应力场作用、古构造应力场对断层产生的残余应力忽略不计。)然后根据具体地质条件给模型上部施加约为9Mpa的等效应力。水平压力6MPa。
3 FLAC3D模拟结果分析
断层对应力传递产生影响,导致应力场在空间上呈一复杂的分布状态。断层的端部和几何形态的拐点往往是高应力集中区,断层附近地应力方向会有不同程度的扰动,其中断层端部扰动尤为剧烈,而远离断层区应力趋于原始应力。正断层对煤岩原始应力有一定的影响范围,在断层的上盘的下部主应力方向平行于断层,在断层的下盘主应力方向垂直于断层,远离断层处主应力方向和边界应力方向一致。说明在断层下盘主要受到铅垂方向压应力为主,而断层上盘表现为受剪,体现为剪切滑移。断层端部附近应力方位混乱,表现十分复杂。未开挖时从初始应力云图上(图4 a)可以看出,应力在上盘下端部和下盘上端部比较大,在断层面附近上盘端部、下盘上端部都出现一定程度的应力集中现象,一般来说由于断层是一个不连续面,断层破碎带内通常是由大量的断层泥、断层角砾岩和蹂皱破坏的煤体等物质组成,黏结力和摩擦力都很小,自承能力很差,从而形成构造带弱面。采掘工作面采掘到断层附近时,工作面前方应力会受到断层的阻碍。因应力是靠变形传递的,断层的存在造成变形的不连续,应力也随之不连续,采动后的应力影响范围被弱面所干扰,致使应力梯度加大,造成应力向断层一端集中,因此我们在开挖巷道时应尽量避免断层的尖端。
a.巷道掘进前初始应力剖面图 b.巷道掘进35m时垂直应力剖面图
c.巷道掘进45m时垂直应力剖面图 d.巷道掘进55m时垂直应力剖面图
图4 巷道掘进前后垂直应力剖面图
当巷道开挖35m即距离断层面18m时(具体如图4 b所示),自然应力状态便遭受破坏,引起应力重新分布,应力主要集中位置在巷道的两帮和掘进头前方两米处,开挖对断层附近应力产生扰动,但影响不大。,
当巷道开挖45m距离断层面8m时(如图4 c所示),掘进巷道前方应力集中不再明显,此时开挖面距断层较近,开挖面处应力集中带逐渐向断层带应力集中带转移,断层的存在对于开挖面上的应力集中有一定的屏蔽作用。由此还可以看出,巷道已经掘进至断层带的影响带范围内,此时掘进至断层面的一段巷道危险性加大,应注意加强观测,
当巷道开挖55m揭露断层两米时(如图4 d所示),应力主要集中在巷道的顶、底板和掘进头的前方。这主要是巷道的开挖通过断层后,开挖面前方应力重新集中,因此在掘进过程中应注意巷道前方的应力集中问题,另外,巷道穿过断面部位由于断层面的存在造成此处应力也产生集中,断层面处仍然是一个弱面应注意加强支护工作。