三维地质模型及其工程应用

葛明洋

(安徽省水利水电勘测设计院总院有限公司，安徽 蚌埠 233000)

某地区属于推覆体下内部构造复杂，受区域推覆构造影响，已探明总体构造呈轴向近东西的不对称倒转褶曲形态。某矿处于推覆体断层上盘，可采煤层为A组煤，主要包括1煤、1上煤。F断层是推覆体下原地地层中最大的正断层带，东西走向。拟施工一条贯穿F断层的石门，石门是穿过断层带用以连接断层上下盘的巷道，石门的开挖将面临大量的水文地质、工程地质问题。依据勘探资料和前期已测的F断层区域原始地应力，进行工程地质模型的建立，通过数值模拟应用分析，为过断层石门工程方案比选提供依据。

1 建立工程地质模型

工程地质模型的建立选用有限差分软件进行，模型如图1所示，其尺寸为：420m×360m×240m，地层近似水平，1煤和1上煤厚度取值分别为5m和3m，断层破碎带宽度为6m，倾角取值72°，断层2盘地层落差为20m。在计算模型中，X轴为垂直于断层走向，Y轴平行于断层走向，Z轴为重力方向。石门位置依据不同模拟方案深度变动，工程地质平面平面模型及三维模型如图1、图2所示。

图1 工程地质平面模型

图2 工程地质三维模型

模型上边界施加等效荷载，在具体模拟方案中为上覆岩体的计算有效重力值，前后左右各侧面边界施加法向约束固定，并赋予初始应力，底面采用全约束边界条件，顶面为位移和应力的自由边界。模型采用Mohr-Coulomb本构关系，岩体物理力学参数如表1所列。

表1 岩石物理力学参数[1]

2 确定数值模拟方案

该矿井共分为3个水平开采：-550m以上为“一水平”，标高为-550m；-550m～-750m为“二水平”，标高为-750m；-750m以下为“深度水平”，标高为-1000m。3种水平作为拟施工石门开挖的备选方案。结合矿区地应力特征[2]，最大主应力方向随深度由近南北向转变为近东西向，应力差随深度的增加有减小的趋势。为探讨过F断层石门的开挖条件，针对石门位置(水平选取)和掘进方向，结合实际地层，模拟开挖方案如表2所列。

表2 数值模拟方案

3 数值模拟结果与分析

3.1 垂直应力变化特征

在石门掘进过程中，迎头的应力受到F断层带的阻碍，断层带的存在使应力的传递不连续，应变也不连续，掘进后的应力影响范围受弱面的干扰，使之应力梯度增大，造成应力向上盘下端部位置集中[3]。由模拟结果来看，应力集中分布区是最佳方案选取的最重要依据之一。

图3是数值模拟结果的后处理切片，方案1的最大主应力的方向是南北向，方案2与方案3则是东西向，不同深度位置，应力差、侧压比等不同，表现为自上而下呈减小趋势。在SH方向一定的情况下，比较上述应力云图方案2与方案3，可看出方案2竖向应力集中程度较大，呈“品”字形特征，且距离石门位置很近，最大竖向应力为66.67MPa。方案3应力集中程度相对较小，最大竖向应力为54.12MPa，与方案2相差12.55 MPa。这说明最大主应力方向和石门掘进方向不一致时对石门的影响较大，“二水平”不宜选取为石门位置，分析得出方案2的应力集中分布是应力差较大和东西向最大主应力的共同作用效果。所以依据弹性力学理论和数值模拟结果，同等条件下方案3较合适。

图3 石门掘进过程中竖向应力云图

比较方案1和3，因应力差随深度的增加呈减小的趋势。应力差较大时，掘进过程中竖向应力云图应力集中现象较明显，方案1应力集中区域较小，基本不会造成影响或者影响程度较小，这说明SH方向对石门的影响效果更明显，模拟结果显示方案1效果最好，应力集中位置位于X轴方向160m，距离断层位置28m，进一步对比还需考虑水平应力变化。

3.2 水平应力变化特征

在图4中，方案1中石门位于“一水平”位置，水平应力相对其他2个方案较低。石门两帮受压应力作用，压应力变化范围在0～2 MPa，压应力较小。顶底板压应力集中，底板压应力集中区域较大，最大压应力值17.326 MPa，在较高压应力作用下顶板易发生挤压破碎变形，底板水平应力集中，有可能出现底臌现象。

图4 石门掘进过程中水平应力云图

方案2中石门位于“二水平”位置，石门两帮大部分受压应力作用，压应力变化范围在0～5MPa，小部分受到拉应力作用，拉应力最大值0.26 MPa，两帮位置受压应力值较大，相对方案1发生变形破坏的可能性更大一些。顶底板压应力集中，最大压应力值25.154 MPa，较方案1压应力值大。

方案3中石门位于“深部水平”， 水平应力云图的分布与方案2相似，压应力值较方案2整体增大，说明最大主应力方向一致的情况下，深部应力值的增大是石门两帮破坏较严重的主要原因。当主应力方向为南北向时，围岩应力变化较小。综合考虑3种模拟方案，结合考虑实际情况，方案1相对较为合理。

3.3 塑性区变化特征

由于石门掘进造成顶底板和断层破碎带活化，掘进迎头会产生导水裂隙，若连接活化断层破碎带的断层水和上、下盘地层存在的承压水，承压水就会沿着活化带导通进入掘进工作面，造成突水事故，这也是在正断层上盘开挖易发生突水的原因[4]。F断层闭合性较好，断层破碎带为泥质充填，富水性弱、导水性差，自然状态下断层带一般具有一定的阻水特征，石门掘进扰动后，可能会因为矿压或水压的变化而被突破。图5是方案1条件下石门掘进过程中塑性区分布图，随着掘进面逐渐向断层推进，塑性区分别向顶底板和断层方向扩展。

图5 石门掘进不同长度时塑性区分布图

石门开挖140m时顶底板主要以剪切破坏为主，最大影响范围至顶板30m和底板15m位置，掘进方向上影响至24m处，断层破碎带部分活化。石门掘进188m时，即距离断层12m时，受到高应力作用下，迎头破坏程度变大，出现导水裂隙，最终和断层活化带导通。这时应注意预防突水灾害，180m之前应做好超前探水工作。此外，断层带的塑性区仅占断层破碎带的一部分(约一半左右)，推测石门掘进过程造成断层带应力变化较大，整体破坏可能性较小，即石门工程的扰动造成F断层活化的可能性较小。

4 结 论

三维工程地质模型更直观的反应地质情况，有利于边界条件的施加和石门工程的模拟开挖，较适用于工程实施方案的比选。数值模拟结果得出方案1较合理，即石门的最佳掘进方向是近正南北方向，根据已有地应力资料，石门掘进方向取NE60°，深度宜在“一水平”(标高-550m)处，更有利于巷道支护，减少应力集中现象出现，石门工程的扰动造成F断层活化的可能性较小。