朱廷忠　魏广群　蒋莉莉

【摘 要】通过对现有的勘察资料分析，结合运用AutoCAD和Flac3d，对淮北刘店井田7煤1号勘探线断层进行数值建模，模拟分析局部断层影响下煤层附近应力分布情况，分析应力集中区的形成因素。运用构造地质学、煤田地质学研究理论与方法，研究区域内围岩应力分布规律，分析勘探线断层的控煤模式和控煤作用，以及对煤层赋存的影响。为井下挖掘开采，工作布置和矿井灾害防治提供指导。

【关键词】Flac3d；Cad；数值模拟；控煤分析

0 引言

Flac3d是一种利用显示拉格朗日差分方法为岩土工程和地質力学方面研究提供有效数值模拟分析的工具。其采用判断最大不平衡力是否随时间阶步的增加而收束的方法，来刻画计算的收敛过程，反映计算是否趋于稳定。Flac3d建模后，通过对其构建的模型赋予相应的物理性质和岩体力学参数，设定相应边界条件，即可对研究区进行井下断层的数值模拟，对其控煤模式和控煤作用以及对煤层赋存的影响进行有效计算和相关分析，具有较为理想的三维数值模拟计算分析能力[1]。为此，本文通过运用autocad和flac3d对淮北刘店7煤1线断层进行数值模拟，得到断层xyz各方面应力云图和最大最小主应力图，研究断层煤层围岩间的应力分布规律，分析断层的构造控煤作用和对煤层赋存影响，从而对煤厚变化规律进行研究，在井下开采掘进和工作面布置上都具有积极的指导作用。

1 研究区概况

1.1 聚煤环境

刘店井田所在的两淮地区形成于二叠世早期，沉积体系主要以海湾泻湖和三角洲相交替出现。从K1灰顶到10煤层，两淮地区沉积环境由浅海、滨海相渐变为泻湖、滨海、潮坪相。随着环境的逐渐演化，潮坪的范围不断扩大，使之利于泥炭沼泽沉积相的发育，为煤炭的形成和聚集做出了准备[2]。10煤上层铝质泥岩，表明聚煤作用的完成，煤层上层三角洲平原相发育。大量植物化石碎片的深灰色薄层状的泥岩，代表了三角洲沉积体系的形成。十煤层之上的岩石颗粒由粗变细的层序特征，体现了两淮地区三角洲沉积相的整体演化过程。

根据地质资料综合分析认为：7、10煤层煤层之下为海湾一泻湖一潮坪沉积体系；煤层上部为浅水三角洲沉积体系，煤层沉积时受到三角洲分流河道的冲刷作用，煤层的顶部是分流间湾静水沉积相。

1.2 井下构造特征

通过对地震、钻探、测井和巷道资料进行，研究区中组合落差3m以上的断层297条。其中落差≥30m的断层32条，≥15m～<30m的断层37条，≥5m～<15m的断层79条，落差<5m的段层149条。其中，F3正断层位于矿区中部，北东东走向，北北西倾向，倾角约60°，平面延伸大于500m，落差断距90m。同时影响7、10煤层。位于1044工作面J7点前17m对采区的巷道布置和回采有很大的影响[3]。F4正断层位于矿区中部，近东西走向，南南西倾向，平面延伸约500m，落差断距约140m。

1.3 煤层赋煤规律

刘店井田煤层的几何形态深受聚煤环境的影响。井田的7、10煤层皆在潮坪、海湾、泻湖中形成，因此煤层下方的沉积体系严重影响煤层的展布和格局。该区域内煤层走向多为北东方向。受沼泽发育的开始时间、顶部碎屑物质的推进方向和速度的影响，导致煤层总体上呈由北向南逐渐增厚的发展趋势[4]。

从十煤层煤厚等值线图可以看出，受井田内部褶皱构造影响，煤层厚度的展布主要分为东西向和北东向两个方向。刘店井田内发育有DF60， DF61和DF33等逆断层，由于受这几个逆断层上下两盘的逆掩重叠或挤压聚集，使得这些断层附近的煤层厚度较大。F3和F4两大正断层的拖拽作用，使得附近的煤层厚度一般都很小，平均厚度在2米以下。

2 断层模型的构建

地质模型是通过对断层和层位的研究而建立的三维网格体。模型的三维网格体中每一个节点都会被赋予像泊松比，体积模量，剪切模量等等的属性参数。

Flac3d在前处理阶段对于复杂三维地质体建模上，存在明显不足，模型数据点确定和网格划分上的低效性，造成了建模的不便。通过利用autocad平面图形转化三维模型的方法，可以方便、快捷地建立可用于flac3d的地质模型[5]。但通过此简便方法建立的是对二维图形进行半空间延伸的三维模型，无法建立更为复杂的地质模型。为此，遇到复杂的构造结构，本文通过直接在cad上进行三维图形建模，提取相应点坐标进行数据汇总处理，将生成的数据文件以txt格式保存，最后通过flac3d命令导入数据文件，并添加边界条件、初始条件以及本构模型和具体材料参数，即可生成复杂的数值模型。

2.1 地层力学参数的确定

岩石力学参数的选取如表1。

2.2 计算模型设计

根据勘探资料分析，F3断层位于矿区中部偏北部，走向北东东，倾向北北西，倾角约60°，平面延伸大于500m，落差断距约为90m，G15地震孔控制断层。勘探线剖面图1，区域等高线图2如下：

从资料中可看出，两侧煤层倾向为北东东，走向为北北西，倾角较小，为了方便模拟分析将其视为水平地层进行建模。研究区将整个工作面作为模拟对象，地质模型x方向沿勘探线方向进行衍生，取1000m；Y轴方向，即垂直勘探线方向，取500m；模型Z轴垂直方向，取500m。按1：10的比例进行图形缩放如图3，将模型长宽高分别缩小为100*50*50，减小模拟计算数据，模型总计有16005个控制节点和13000个控制单元。取7、10煤层的底板等高线位置确定7、10煤埋深，估算煤层间岩层厚度，建立模型图4如下：

2.3 添加相应参数条件生成模型

建模原始模型后，通过添加边界条件，以模型长宽高为边界进行限定，限制地板的移动，赋予具体的本构模型和材料参数，对模型所在应力场进行赋值，使平衡后模型与实际开挖工作面情况进行最大限度的吻合[6]。模拟区域内岩体受自重施加垂直方向上的载荷，数值模拟断层煤层间应力分布情况，研究周围岩体的密度分布规律图5。岩体平均强度图6模拟如下：

3 断层的控煤分析

煤层属于沉积矿床，在无外界干扰的情况下，各煤层在一定范围内是连续分布的，局部可能会出现分叉和合并，但不影响整体的连续性。在断层影响下，煤层被切割开，沿着断层走向依次错动错位，对开采工作面的布置有很大干扰。

作为沉积型矿床的煤层，赋存空间状态是缓慢倾斜层状连续分布的，而受到断层影响，煤层的产状会发生较大变化，倾角变化大，走向变化不定。在断层影响下，煤层容易出现铲失、挤压变薄或变厚，媒体强度变低，自身的特性发生改变[7]。

刘店井田1号勘探线F3正断层位于矿区中部偏北。走向北东东，倾向北北西，倾角约60°，平面延伸大于500m，落差断距90m。同时影响7、10煤层。其分布于1044工作面J7点前17m处，对采区的巷道布置和回采有很大的影响。

经过在z方向赋值岩体受重力施加向下的应力，可以得到z方向上应力云图，和岩体强度应力比分布图。可以分析得到，在不受外界条件干扰下，受断层影响，煤层和周围岩体之间的应力分布情况和岩体强度应力比，可以直观明显的看出，煤层和岩体之间存在的脆弱易塌陷部位，为布置工作面和开采掘进提供了指导依据。

结合z各向应力云图7与岩体强度应力比分布图8，可以分析断层两盘煤层和围岩应力分布情况和应力强度比，判断岩体稳定与否和预测可能出现的破碎断裂带[8]。由上图可知，断层上盘，7、10煤层之间应力强度比小，稳定性差，较为脆弱。位于断层上盘的煤层段部，受拉伸力影响较大，岩体较为脆弱，易受到破坏，这为确保开采掘进工作安全进行提供了很好的保障。

4 结论

以淮北刘店煤矿为例，建立研究区地质模型。依据已知地质地震勘探资料，确定边界条件，施加应力场，模拟断层带及其两盘的应力分布情况，得到x、y、z各向应力云图，获取研究区域应力平衡后的应力场变化。研究断层煤层围岩间的应力分布规律，分析断层构造的控煤作用和对煤层赋存影响，从而为对煤厚变化规律的研究做了准备和铺垫，对开采掘进和工作面布置上都有积极的指导作用。

【参考文献】

[1]柴红保，龙雪鸣.复杂地质体FLAC3D模型快速生成[J].矿业工程研究，2009（2）.

[2]刘丙祥，刘桂建，姜波，肖秀玲，张瑞刚.淮北煤田刘店井田含煤岩系沉积特征及主煤层对比研究[J].中国煤炭地质，2009（9）.

[3]李书奎，彭涛.淮北劉店煤矿构造特征及其形成机制分析[J].中国煤炭地质，2012（7）.

[4]姜波，王桂梁，等.安徽省淮南煤田颖凤区推覆构造微观变形特征及其成因机制[J].中国区域地质，1992（1）：60-67.

[5]周子龙，梁辉.基于AutoCAD和ANSYS的FLAC3D复杂地质体建模[J].中州煤炭，2014（5）.

[6]贾晓亮.基于FLAC3D的断层数值模拟及其应用[D].河南理工大学，2010.

[7]王素娜，孙小岩.F16逆冲断层的控煤模式及对煤层赋存的影响[J].煤炭技术，2015（12）.

[8]刘店煤矿10煤赋存特征与综采块段选择研究[D].安徽理工大学，2012.

[责任编辑：田吉捷]