煤矿井下地质构造对地应力分布影响的数值模拟分析

刘华姣

（成都理工大学，四川 成都 610059）

1.引言

煤炭井下开采中，应对地质构造进行分析，明确构造具体类型，如断层、向斜和裂隙等等，并且结合具体力学性质，研究煤岩体力学形式，对影响地应力分布的因素进行控制，关注构造应力变化。实践表明，地应力场变化与地质构造密切相关，相关人员应分析地应力场力学性质，对相关影响因素进行识别。

2.核心概念浅析

2.1 地质构造

地质构造是地壳运动变化形成的地理环境，受到内外应力变化，是地下岩层和岩体发生变形或位移留下的形态。通常情况下，地质构造类型主要包括背斜、向斜、地垒和断层等等。相关构造会影响煤矿井下地基基础稳定性与渗漏性。在煤矿井下作业中，为确保安全性，应充分考虑地质构造情况，施工作业中，应避开岩石破碎、强度较低的地质结构环境，并且加强对施工现场的技术监控[1]。

2.2 地应力

地应力即存在于地壳中的应力，是岩石发生形变后，作用在内部介质上的力，具体包括两部分，一是覆盖岩石重量引起的应力；二是地球自转和引力变化形成的惯性离心力[2]。在煤矿井下作业时，应充分考虑地质构造对地应力影响，并制定有效防护措施，提升开采作业安全性。实际开采中，不同开采面地应力具有较大差异。造成这一现象的主要原因是我国煤炭资源丰富，地下煤岩体存在不同类型，相关要素会对煤矿井下地质构造稳定造成实质影响[3]。

3.矿井地质构造影响

3.1 确定数值模型

为加深地质构造与地应力之间关系的认识程度，以某地矿区（主要是向斜地质构造）为研究对象，使用FLAC 软件对相关数值进行模拟。研究结果能够为实际工作提供理论参考，发挥研究工作实用价值[4]。实践分析中，鉴于多层向斜构造中，FLAC 数值模型十分复杂，为实现科学研究目标，构建了接近现场实际情况的三维动态化模式，使用Rhinoceros 软件，对模型进行构建，并且对三维单元进行划分。划分单元需要导入到FLAC 软件系统中，达到获取准确数据目的[5]。

模型构建中，根据该地区钻孔柱状图、煤层底板等高线、井上井下作业图，对相关材料进行整合分析，确定数值模型。实际操作中，确定了模型范围。模型为长2000 m，宽1000 m，高1000 m 的长方体。研究中，考虑到地应力是造成地壳运动和变化的主要力量，可具体分为内应力与外应力，不同地质构造会受到不同地应力影响，因此，需要结合现场施工实际条件，明确模拟条件和参数[6]。

为明确向斜构造中水平应力场分布特征，需要将数值模型中上覆盖岩层去除，在此基础上，对基本顶和直接顶内容进行研究，实现对水平应力情况的有效了解。通过对基本顶的研究，也能够检验数值模型的准确性，对相关参数和数值变化情况进行分析，使得理论研究更加具有应用价值[7]。煤层地质构造中，应对向斜轴向的水平应力进行分析，明确最大值。水平应力变化沿着向斜翼部发生变化，具有逐渐变小的趋势，并且能在向斜轴内部达到受力平衡。

数值模型分析基础建立在岩层结构稳定，具有一致性前提条件下。值得注意的是，在确定数值模型中，应确保基本顶位于向斜轴部范围内，并且要求水平应力值大于垂直应力值。而煤层部分数值模型的研究中，需要确保煤层位于斜轴相关部位，其水平应力值应小于垂直应力值。但是，数值模型研究中，也考虑到造成各层水平应力增加量的因素多变，并且相互之间不存在关联性，弹性模量基本顶水平应力将远远大于煤层部分水平应力变化。

本文在相对完整的基本顶砂岩中，对地应力具体变化值进行数值模型构建，并且对相关数值进行测量，提升结构准确率。由于直接顶与煤层结构相对破碎，不具有完整性特征，因此在研究地质构造对地应力产生的具体影响时，经常忽略相关因素变化[8]。研究数值模型，可得到相对有价值的结论：岩层弹性模量降低，则水平应力值出现下降趋势，并且其应力状态以构造力为主，转向自重力为主。

3.2 条件模拟与参数确定

根据煤矿井下实际情况，分析煤岩体应力变化，其主要包括两个部分，一是岩体自重应力引发的水平应力分量；二是构造运动引起的水平应力分量。计算最大水平应力可使用以下公式：

条件模拟的过程主要分两个阶段进行，第一阶段是模拟自重应力场，在这一过程中，应控制模型底面的垂直位移变化量。当4 个侧面朝向水平位移方向固定时，模型在自重下运算结果平衡。第二阶段是模拟构造应力场，这一阶段主要是规范模型右侧面的法向水平位移固定边界条件，并且对其施加速度边界条件，达到理想控制目标，同时，对相关参数进行明确。

研究中，根据矿井所在地测量结果，通过后10 个测站地应力大小、方向，实现对整体水平应力的合理模拟。经过权威计算，后10 个测站的最大水平应力平均值为21.7MPa，平均垂直应力11.8MPa。此时自重应力在水平方向产生的分量为4.1MPa（根据泊松比μ=0.25 计算得出）。

条件模拟和参数确定是研究地质构造对地应力产生影响的理论基础，相关人员应综合分析矿区实际情况，根据井下作业实际情况，对模型条件和相关参数进行分析，并对运算结果进行获取，在此基础上，构建基于地质条件分析有效模型，提升参数研究价值。同时，也应对计算结果进行分析，重点关注结果的真实性与合理性[9]。

条件模拟中，对地应力实测值与数值模拟结果进行比较，并且结合矿区实际情况，对模拟结果的真实性与准确性进行分析，提升理论研究价值。文中理论研究部分主要基于10 个观测站数值。垂直应力变化也应根据上覆盖层的厚度进行估算，并考虑构造基本情况。地形起伏变化主要受到地质构造影响，因此，在分析具体参数和数据模型过程中，对地质构造实际情况进行明确，根据模拟结果，对向斜轴部局部地段进行分析，此时垂直力增加较为明显。

3.3 计算结果分析

研究地质构造对应力产生的具体应用，需要关注煤岩体自重应力场变化，分析重力作用下，各层岩体的压实情况，通过科学有效分析，获取准确的参考值和影响程度。实践分析中，通过对模型的研究可知，煤岩体内垂直应力的大小与岩层的密度和重力加速度有关。实践应用中，考虑煤岩体各部分情况受力不同，因此在模型中，各煤岩层具有较大变化，但是相关数值在煤岩层以外的变化不大，造成这一现象出现的主要原因是各煤岩层密度差别较小，垂直密度仍沿水平梯度变化，并且具有正向相关性，即实际埋深越大则垂直应力增加。

水平应力的产生过程与重力因素有关，岩煤层水平方向移动受到限制。分析煤岩层水平方向变化，主要考虑模型中的泊松比，同时，自重应力形成中，水平应力也会呈现出阶梯变化规律。变化规律与岩体埋深有关，埋深增加，则水平应力增加。

结果分析中，也考虑了构造应力场演化过程，分析水平挤压作用下，构造应力场出现的具体变化规律。实践中，考虑地层变形模量相对较大，在相同挤压速度下，岩层结构向上隆起的程度出现明显差别。具体变化情况，主要分析向斜滑动面[10]。在滑动面左侧，地层整体变形模量与右侧比较相对较小，形成的地质构造特点，是左侧地层隆起较大，而右侧地层隆起较小。相关变化情况如图1 所示。

如图，在构造应力的影响下，煤岩层内水平应力变大，并且具有持续增加的趋势。根据以上讨论结果可知，水平应力增加量与弹性模量变化具有线性关系，因此，各层煤岩体的弹性模量相差较大。原有的水平应力值中，应充分考虑地质构造影响，使得自重应力下能够形成水平应力扭转，而弹性模量较小岩层中，实际承载力也相对较小，因此，需要对水平承载力进行控制。

图1 水平应力演化过程

4.结语

在研究地质构造对地应力产生的影响中，首先应明确具体构造类型，对不同构造类型下，地应力的变化情况进行有效分析，在此基础上，构建理论模型，分析相关参数与实际值，使得研究过程更加科学。文章在明确数值类型的基础上，对相关参数进行检验，并且对计算结果进行分析与验证，系统合理分析了地应力场类型和相关影响因素，构建了地质构造与地应力场变化的模型，为矿井安全开采提供技术理论支撑。