本文關(guān)鍵詞：煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力的關(guān)系，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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　 33 卷第 7 期 第 　2008 年
7月

煤 　　 　　 　　 炭 學(xué) 報 JOURNAL OF CH I A COAL SOC IETY N

Vol 33 　No. 7 　 . July　 2008 　

　　 文章編號 : 0253 - 9993 ( 2008 ) 07 - 0738 - 05<

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煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力的關(guān)系
王勝本 , 張 　曉
1 2 (11天津大學(xué) 管理學(xué)院 , 天津 　300072; 21煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院 , 北京 　100013)
3D [2]

摘 　 : 在分析總結(jié)地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力方向關(guān)系的基礎(chǔ)上 , 采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件 FLAC , 要 建立了分析褶曲 、斷層等常見地質(zhì)構(gòu)造的數(shù)值模型 . 分析了地質(zhì)構(gòu)造附近巖層位移 、應(yīng)力場分布 特征與變化規(guī)律 , 以及巖層破壞狀況 , 模擬結(jié)果與理論分析相一致 . 關(guān)鍵詞 : 地質(zhì)構(gòu)造 ; 地應(yīng)力 ; 數(shù)值模擬 ; 應(yīng)力場 中圖分類號 : P6181102 　　　 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A
[1] [3 - 4]

3D

jing 　100013, Ch ina)

的構(gòu)造形跡

質(zhì)構(gòu)造形成時不同的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)

較確定的相關(guān)關(guān)系 . 需要說明的是 , 目前地層中絕大多數(shù)地質(zhì)構(gòu)造的存在形式都是經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動的 結(jié)果 , 每次構(gòu)造運(yùn)動對地應(yīng)力的影響也不盡相同 , 因此地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力的關(guān)系非常復(fù)雜 , 具體需要從構(gòu) 造上分析其演化期次 、先后成生關(guān)系進(jìn)行研究 . 由于其相關(guān)關(guān)系的復(fù)雜性 , 根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造分析結(jié)果只能是 定性或半定量地確定地應(yīng)力狀態(tài) , 難以十分準(zhǔn)確地確定其附近地應(yīng)力的大小和方向 , 要想準(zhǔn)確確定局部的 地應(yīng)力狀態(tài) , 惟一有效的方法是進(jìn)行地應(yīng)力現(xiàn)場測試 . 根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分析來研究區(qū)域 構(gòu)造應(yīng)力場 , 是較為科學(xué)的應(yīng)力場研究方法
. 因此 , 了解地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力的關(guān)系對研究區(qū)域應(yīng)力場

和工程穩(wěn)定性具有重要的科學(xué)實踐意義 . 為了便于分析 , 本文對地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力的關(guān)系研究僅對受一次 構(gòu)造運(yùn)動而形成的地質(zhì)構(gòu)造來進(jìn)行研究 .
收稿日期 : 2008 - 02 - 13 　　 責(zé)任編輯 : 畢永華 　　 作者簡介 : 王勝本 ( 1967 —) , 男 , 山東肥城人 , 高級工程師 , 博士研究生 . Tel: 0315 - 3725300, E - mail: wangshengben@1261 com

Abstract: Based on the analysis to the relations bet een geological structures and the in 2situ stresses, the numeri2 w cal models was set up for analysis on the normal geological structures, such as folds and fault using finite difference num errical sim ulation softw are FLAC . The strata disp lacem ent, stress fields distribution and variation law, the strata damage states in the vicinity of the geological structures were analysed. The numerrical sim ulation results are consistensied w ith those of theory analysis . Key words: geological structure; in 2situ stress; num erical sim ulation; stress fields

　　 褶曲 、斷層 、節(jié)理等所有地質(zhì)構(gòu)造無不是在構(gòu)造應(yīng)力的作用下引起的地殼巖石形變與斷裂而保存下來
. 不同應(yīng)力條件下形成的地質(zhì)構(gòu)造往往不同 , 因此不同地質(zhì)構(gòu)造在一定程度上可以反映地 . 對于一次構(gòu)造運(yùn)動形成的地質(zhì)構(gòu)造 , 其與形成時的主應(yīng)力有著比

( 11D epa rtm en t of M anagem ent, T ian jin U n iversity, Tian jin 　300072, Ch ina; 21 Coa lM in ing and D esign ing B ranch, Ch ina Coal R esea rch Institute, B ei2

Rela tion bet ween geolog ica l structures and in 2situ stresses in underground coa l m in es
WANG Sheng2ben , ZHANG Xiao
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王勝本等 : 煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力的關(guān)系

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1　 地質(zhì)構(gòu)造與主應(yīng)力方向的關(guān)系
斷層是地層中普遍存在的斷裂地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象 , 對生產(chǎn)實踐影響很大 . 應(yīng)用斷層確定主應(yīng)力軸的方法主 要有應(yīng)用典型共軛斷層對確定主應(yīng)力軸和通過斷層面產(chǎn)狀及斷層面上擦痕側(cè)伏角和移位符號確定主應(yīng)力軸 [5] 2 種 . 根據(jù)剪切破裂所產(chǎn)生的斷層兩盤位移形式將斷層分為正斷層 、逆斷層 、平移斷層 . 對于一次構(gòu)造 運(yùn)動形成的斷層 , 不同斷層在形成時對應(yīng)不同的地應(yīng)力狀態(tài) , 因此不同形式的斷層與主應(yīng)力軸的關(guān)系也不 [6 - 8] 同 , 如圖 1 所示 . 具體有如下對應(yīng)關(guān)系 . 正斷層的最大主應(yīng)力軸 (σ1 ) 為垂直狀態(tài) , 中間主應(yīng)力軸 (σ2 ) 與最小主應(yīng)力軸 (σ3 ) 為 水平狀態(tài) , 斷層走向與中間主應(yīng)力軸平行 , 如 圖 1 ( a ) 所示 . 逆斷層的最小主應(yīng)力軸為垂直狀態(tài) , 最大 主應(yīng)力軸與中間主應(yīng)力軸為水平狀態(tài) , 斷層走 向與中間主應(yīng)力軸平行 , 如圖 1 ( b ) 所示 . 平移斷層的中間主應(yīng)力軸為垂直狀態(tài) , 最
111 　 斷層與主應(yīng)力方向的關(guān)系

圖 1 　3 種斷層與主應(yīng)力軸的關(guān)系
Fig11 　The relations betw een three kinds of
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大主應(yīng)力軸與最小主應(yīng)力軸為水平狀態(tài) , 如圖 1 faults and p rincipal stress axes ( c ) 所示 . 由于斷層活動的長期性 、復(fù)雜性 , 需要分次確定活動性質(zhì) , 因此在研究斷層與地應(yīng)力的關(guān)系時 , 應(yīng)就 現(xiàn)存斷層活動的特點(diǎn)等進(jìn)行全面分析 , 以求獲得比較準(zhǔn)確的三軸應(yīng)力方向 . 112 　 褶皺與主應(yīng)力方向的關(guān)系 地殼中大多數(shù)褶皺屬于縱彎褶皺 , 主要是由于巖層水平運(yùn)動順層擠壓而形成的 . 當(dāng)縱彎褶皺變形簡 單 , 軸面近于直立時 , 軸面為壓性結(jié)構(gòu)面 . 其最大主應(yīng)力軸水平 , 中間主應(yīng)力與褶皺軸線平行 , 最小主應(yīng) 力軸直立 . 當(dāng)褶皺軸面傾斜 、倒轉(zhuǎn)或平臥時 , 則不易準(zhǔn)確確定 3 個主應(yīng)力軸的空間位置 , 大致可以根據(jù)軸 向確定中間主應(yīng)力軸與之平行 .
11211 　縱彎褶皺與主應(yīng)力方向的關(guān)系 11212 　 橫彎褶皺與主應(yīng)力方向的關(guān)系

橫彎褶皺是地殼受垂直巖層方向的差異升降運(yùn)動而形成的 . 其最大主應(yīng)力軸近于直立或陡傾 , 其它 2 個主應(yīng)力軸則近于水平 , 但有時 (如圓形彎隆 ) 難以確定其具體方向 . 如果為短軸直立背斜時 , 一般其 [9] 長軸方向為中間主應(yīng)力軸方向 , 與之垂直的水平方向為最小主應(yīng)力方向 .

2　 地質(zhì)構(gòu)造附近應(yīng)力場的數(shù)值模擬分析

根據(jù)以上地質(zhì)力學(xué)理論 , 結(jié)合各種地質(zhì)構(gòu)造形成的基本力學(xué)原理 , 利用 FLAC 數(shù)值軟件建立數(shù)值模 型 , 分析研究地層中常見的地質(zhì)構(gòu)造形成時的應(yīng)力狀態(tài)及附近的應(yīng)力場分布 . 211 　 褶曲應(yīng)力場的數(shù)值模擬分析 為了考慮褶曲 (背斜 、向斜 ) 的形成過程及褶曲附近應(yīng)力場的情況 , 建立物理模型 : 長 × × = 寬 高 60 m × m × m , 模擬水平地層在受到水平擠壓力的作用下形成褶曲的過程及褶曲附近的應(yīng)力場 . 60 12
21111 　 背斜附近應(yīng)力場的數(shù)值模擬分析

邊界條件 : 模型左右邊界施加 10 M Pa 的水平壓應(yīng)力 , 前后邊界施加 8 M Pa 的壓應(yīng)力 , 在模型高 6 m 處中間巖層施加向上 5 M Pa 的壓應(yīng)力 . 模型上下表面為自由面 , 可以模擬在應(yīng)力邊界條件下巖層的彎曲變 形形狀 . 當(dāng)模型計算到 1 600 步時形成的背斜附近應(yīng)力場情況如圖 2 ( a ) 所示 . 從圖中看出 , 在背斜核部 上部巖層出現(xiàn)垂直于背斜樞紐的張應(yīng)力 , 并在樞紐線附近出現(xiàn)一定范圍的張應(yīng)力集中區(qū) ; 在背斜的底部巖

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圖 2　 背斜 、向斜構(gòu)造應(yīng)力分布

層彎曲部分有壓應(yīng)力集中區(qū) , 集中程度與所加邊界應(yīng)力和巖石的力學(xué)特性有關(guān) . 21112 　 向斜附近應(yīng)力場的數(shù)值模擬分析 邊界條件 : 模型左右邊界施加 10 M Pa 的水平壓應(yīng)力 , 前后邊界施加 8 M Pa 的壓應(yīng)力 , 在模型高 8 m 處中間巖層施加向下 5 M Pa 的壓應(yīng)力 . 模型上下表面為自由面 , 模擬在應(yīng)力邊界條件下巖層的彎曲變形形 狀. 當(dāng)模型計算到 1 600 步時形成的向斜附近應(yīng)力場情況如圖 2 ( b ) 所示 . 在向斜軸部上部巖層出現(xiàn)垂 直于向斜樞紐的壓應(yīng)力集中區(qū) , 在向斜的軸部底部巖層附近出現(xiàn)一定范圍的張應(yīng)力集中區(qū) , 在兩翼巖層應(yīng) 力集中現(xiàn)象不明顯 , 應(yīng)力值小于同巖層的軸部部位巖層應(yīng)力值 . 212 　 斷層附近應(yīng)力場的數(shù)值模擬分析 為模擬斷層的形成過程及形成后斷層附近應(yīng)力場分布情況 , 建立原始模型如圖 3 所示 . 整個模型為長 60 m、寬 20 m、厚 30 m 的塊狀體 . 加載前接觸面處于黏結(jié)狀態(tài) , 即接觸面兩側(cè)為均質(zhì) 連續(xù)體 , 用于模擬斷層滑動所產(chǎn)生的斷層應(yīng)力場特征 . 為了模擬 不同斷層形成時的應(yīng)力狀態(tài)和斷層附近應(yīng)力場的情況 , 對于正斷
圖 3　 斷層形成之前的原始模型 層和逆斷層都采用同一種模型尺寸 , 模型巖層的物理力學(xué)參數(shù)都 取相同值 , 所不同的就是施加的應(yīng)力邊界條件不同 , 研究不同應(yīng) Fig13 　O rginal model before faults formation 力場下斷層的兩盤位移情況 , 也即斷層的形成過程 , 從而進(jìn)一步研究斷層和 3 個主應(yīng)力方向的關(guān)系 . 21211 　逆斷層附近應(yīng)力場模擬分析 為了模擬逆斷層形成時的主應(yīng)力條件 , 需要對模型施加合適的邊界條件 . 經(jīng)過分析 , 所加邊界條件 為 : ( 1 ) 模型邊界左右邊界加載最大水平主壓力為 10 M Pa, 前后邊界加載最小水平主壓應(yīng)力為 4 M Pa, 垂 直主應(yīng)力為 3 M Pa, 方向為鉛垂方向 . ( 2 ) 模型頂?shù)酌鏋樽杂擅?, 在水平壓應(yīng)力作用下可以上升或下降 . 圖 4 ( a ) 為模型在上述應(yīng)力邊界條件下計算 6 000 步時產(chǎn)生的斷層形態(tài) .

從圖 4 ( a ) 中看出 , 下 盤產(chǎn)生了向下的位移 , 上盤 產(chǎn)生了相對向上的位移 . 結(jié) 合應(yīng)力邊界條件和斷層上下 盤位移方向 , 可以看出逆斷 層的形成和 3 個主應(yīng)力如下 關(guān)系 : 逆斷層是在最小主應(yīng) 力軸為垂直狀態(tài) 、最大主應(yīng) 力軸與中間主應(yīng)力軸為水平 狀態(tài)下形成的 , 斷層走向與 中間主應(yīng)力軸平行 .

Fig12 　Stress distribution of anticline and syncline strucrure

圖 4　 逆斷層兩盤位移和巖層破壞狀況

Fig14 　D isp lacement and rock destruction of reversed fault walls

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圖 4 ( b ) 為斷層形成后斷層面附近巖石的破壞狀 況 . 巖層沿斷層面出現(xiàn)拉張 、剪切破壞 , 也即出現(xiàn)斷層 破碎帶 , 斷層在中心部位巖層塑性破壞區(qū)最大 . 圖 5 為逆斷層形成后水平應(yīng)力分布情況 . 在逆斷層 帶附近應(yīng)力值偏小 , 隨著離斷層面的距離增大 , 應(yīng)力值 也逐漸增大到原巖應(yīng)力狀態(tài) ( 10 M Pa ) , 斷層的形成根本 原因是 2 個主應(yīng)力差造成的剪應(yīng)力超過巖石的抗剪強(qiáng)度 時巖石就產(chǎn)生破裂并進(jìn)一步產(chǎn)生位移 , 造成應(yīng)力的釋放 . 因此在斷層面附近應(yīng)力值遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力 . 圖 6 為逆斷層面附近的最大主應(yīng)力等值線 . 最大主應(yīng)力值也隨著離斷層面的距離增大而增大 , 從 111 M Pa 增加到 918 M Pa, 近似等于所加應(yīng)力邊 界條件 , 因此可以看出斷層對原巖應(yīng)力有一定的 區(qū)域影響范圍 , 因此在進(jìn)行地應(yīng)力測量時測站選 取要遠(yuǎn)離斷層位置 , 否則測得的地應(yīng)力值不能代 表區(qū)域原巖應(yīng)力 , 而只能是該斷層附近應(yīng)力場的
圖 5　 逆斷層水平應(yīng)力分布
Fig15 　The horizontal stress distribution of reversed fault

情況 . 從應(yīng)力等值線圖上可以看出 , 應(yīng)力梯度在 圖 6　 逆斷層最大主應(yīng)力等值線 (單位 : M Pa ) 斷層端部比較大 , 也即斷層端部是應(yīng)力集中區(qū) . Fig16 　The maxi um p rincipal stress contour m 21212 　 正斷層附近應(yīng)力場模擬分析 of reversed fault ( unit: M Pa) 邊界條件 : ( 1 ) 模型上下邊界加載最大主壓 應(yīng)力為 8 M Pa, 垂直方向 ; 模型前后邊界加載中間主壓應(yīng)力為 4 M Pa, 左右邊界最小主應(yīng)力為 3 M Pa, 考 慮重力影響 . ( 2 ) 模型頂?shù)酌鏋樽杂擅?, 在水平或垂直壓應(yīng)力作用下可以上升或下降 . 圖 7 為模型在上述應(yīng)力邊界條件作用下計算 1 659 步 的斷層兩盤位移情況 , 也即斷層的形態(tài) . 上盤產(chǎn)生了向下 的位移 , 下盤具有相對向上的位移 , 其位移形式正好與逆 斷層位移形式相反 . 結(jié)合應(yīng)力邊界條件和斷層上下盤位移 方向 , 可以看出正斷層的形成和 3 個主應(yīng)力的狀態(tài)有如下 關(guān)系 : 正斷層是在最大主應(yīng)力軸為垂直狀態(tài) , 最小主應(yīng)力 軸與中間主應(yīng)力軸為水平狀態(tài)下形成的 , 斷層走向與中間 主應(yīng)力軸平行 . 圖 8 為正斷層最大主應(yīng)力等值線 . 最大主應(yīng)力呈梯度
圖 7　 正斷層兩盤位移

變化 , 應(yīng)力值隨著離斷層面的距離增大而增大 , 從 312 M Pa增加到 810 M Pa, 等于所加應(yīng)力邊界條件 , 因此可以看出 , 正斷層對原巖應(yīng)力也有一定的區(qū)域影響范 圍 . 從應(yīng)力等值線圖上可以看出 , 應(yīng)力梯度在上盤下端部和下盤上端部比較大 , 在斷層面附近上盤下端 部 、下盤上端部都出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象 .

3 　 　　 結(jié) 論

( 1 ) 大多數(shù)地質(zhì)構(gòu)造都是經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動的影響而保留下來的構(gòu)造形跡 , 受多次構(gòu)造運(yùn)動的影

響 , 其與地應(yīng)力的關(guān)系極其復(fù)雜 . 根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造分析主應(yīng)力方向難以準(zhǔn)確確定其應(yīng)力狀態(tài) , 根據(jù)地應(yīng)力測 量結(jié)果結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分析研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場 , 是較為科學(xué)的應(yīng)力場研究方法 . ( 2 ) 對于受一次構(gòu)造運(yùn)動形成的斷層 , 正斷層的最大主應(yīng)力軸為垂直狀態(tài) , 中間主應(yīng)力軸與最小主應(yīng) 力軸為水平狀態(tài) , 斷層走向與中間主應(yīng)力軸平行 ; 逆斷層的最小主應(yīng)力軸為垂直狀態(tài) , 最大主應(yīng)力軸與中

Fig17 　D isp lacement of normal fault walls

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間主應(yīng)力軸為水平狀態(tài) , 斷層走向與中間主應(yīng)力軸平行 ; 平移斷層中間主應(yīng)力軸為垂直狀態(tài) , 最大主應(yīng)力軸與最小 主應(yīng)力軸為水平狀態(tài) . ( 3 ) 在背斜核部上部巖層出現(xiàn)一定范圍的張應(yīng)力集中 區(qū) ; 在背斜的軸底部巖層有壓應(yīng)力集中區(qū) ; 在向斜的軸部 上部巖層出現(xiàn)垂直于向斜樞紐的壓應(yīng)力集中區(qū) , 在向斜的 軸部底部巖層附近出現(xiàn)一定范圍的張應(yīng)力集中區(qū) , 在兩翼 巖層應(yīng)力值小于同巖層的軸部部位巖層應(yīng)力值 . ( 4 ) 不同斷層形式是在不同的應(yīng)力狀態(tài)下形成的 , 在 斷層帶附近應(yīng)力值偏小 , 隨著離斷層面的距離增大 , 應(yīng)力 值也逐漸增大 , 在斷層面附近應(yīng)力值遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力 . 數(shù) 值模擬結(jié)果和理論分析相一致 . 在斷層上下盤的端部應(yīng)力

圖 8　 正斷層最大主應(yīng)力等值線 (單位 : M Pa )
Fig18 　The maxi um p rincipal stress contour m of normal fault ( unit: M Pa) 933.

梯度較大 , 出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象 . 參考文獻(xiàn) :

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