基于flac3d的井下断层数值模拟及其控煤分析

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1、基于flac3d的井下断层数值模拟及其控煤分析【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。中国8/vie　　【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�

2、力学方面研究提

3、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

4、，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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、为90m，G15地震孔控制断层。勘探线