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摘 要：为判别井田内主要构造断裂的导水性，利用ANSYS 软件，对任楼井田72煤层构造应力场和断层受力状态进行了模拟分析，表明该井田断层导水性受多期构造应力场，尤其是燕山二期构造NEE向主压应力控制，使井田南部F3至F5之间大中型断层及井田北部NE向断层普遍出现淋水现象。
关键词：地质构造； 应力场模拟；ANSYS ；导水断层
中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：1672-1098(2008)01-0016-04
收稿日期：2007-11-19
作者简介：储党生（1964-），男，安徽安庆人，高级工程师，工程硕士，主要从事煤矿地质及采矿技术方面的工作和研究。
Analysis of Tectonic Stress Field Molding Based on ANSYS
——A Case Study Based on Conditions of Coalbed 72 in Renlou Coal Mine
CHU Dang-sheng1,TONG Hong-shu1,LI Quan1,ZHANG Yong-tai1
WANG Hong-zhi2, XU De-jin2
(1. Wanbei Coal & Electricity Group Company, Suzhou Anhui 234001, China；2. Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract: In order to estimate water permeability of big tectonic faults in mine field, tectonic stress field andpressure in faults of Coalbed 72inRenlou Coal Mine were simulated and analyzed with software
ANSYS. The results present that water permeability of the faults in the mine field is controlled by multiple stage tectonic stress field, especially by principal compressive stress in NEE direction of Yanshan dichophase tectonic, which caused water spray from big and intermediate faults between F3 and F5 in the south of the mine field.
Key words:tectonic; stress field modeling; ANSYS; fault with water permeability
任楼煤矿位于安徽省宿州市西南约30 km的濉溪、蒙城二县交界处。该井田属于童亭背斜东南翼，F3断层以北地区为向东倾斜的单斜构造，F3断层以西地区的走向转为北西西（见图1），区内地层产状较平缓，一般为13°～20°，尤其是西部童庄向斜部分地层倾角更缓，仅为8°～15°。区内揭露地层有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系。该井田可采煤层有5层，分别是31、52、71、72和82煤层，目前主要开采72煤层。矿井生产期间曾经发生突水淹井事故，且多次出现断层出水现象。利用ANSYS有限单元软件对井田在煤系地层形成后不同构造期所受力状态进行分析［1］，以判别井田内主要断裂构造的导水性，为矿井防治水提供依据。
1 模型的建立
1.1 应力场方向的确定
根据区域构造地质条件［2-3］，结合煤的镜质组有限元分析［4］，任楼井田煤系地层形成后，经历了印支期构造、燕山期北东东向和新构造运动等多期构造复合应力场作用。其中印支期构造主压应力(σ1)方向近南北(179°～359°)，燕山一期主压应力(σ1)方向近南北 (140°～320°)；燕山二期主压应力(σ1)方向来自75°方向［5］（见图1）。
本次构造应力场数值模拟范围，北以界沟断层为界，南至F8断层，西起72煤层露头线， 东至72煤层～800 m投影线。 地质模型格架长10.7 km、宽9.0 km。主要研究72煤层构造特征， 在研究区范围内， 可将72煤层顶底板厚度近80 m左右的岩体看成一薄壳，采用二维地质模型。二维地质模型有限元网格单元划分的方法和步骤为：
(1) 分别进行沉积相区和断裂带单元划分，单元以四边形为主；
(2) 在施加应力边界条件和位移边界条件后，进行计算；
(3) 研究区在印支期构造应力作用下发生构造破裂，为了研究燕山期应力场早期断裂构造导水性的影响，进行单元剖分时，在各主要断层附近，均提高了剖分密度。根据该井田F3、F4断层带岩体工程地质特征将断层破碎带影响宽度定为30～50 m。
在构造展布特征及7煤段沉积特征的研究基础上，将研究区分为5个块段， 用四边形单元， 对模型进行划分， 并对主要断层影响带进行细化， 将模型分为2 810单元， 计2 910节点(见图2)。
1.3 位移边界条件确定
依据研究区格架特征，在结合地质模型和数学模型的基础上，确定了本区构造应力场的边界条件，即南北边界为Y轴固定，X轴自由，东西分别为压应力作用边界，为自由边界（见表1）。
1.4 应力边界条件的确定
应力边界条件是指作用于地质体外力的类型、大小和方向。在燕山一期模型东西边界施加SE140°方向的压力，在燕山二期模型东西边界施加NE75°方向的压力。由于具有走滑作用，在南北边界施加一定的剪应力。
不同时期应力值的大小主要参考区域构造应力值,其中燕山一期构造应力值确定为100 MPa。燕山二期构造应力值确定为50～70 MPa（见表1）。
1.5 模型岩石力学参数的确定
因地质模型的不均一性，要正确确定各单元的岩石力学参数是比较困难的，一般是根据一定的规则来选取。本次数值模拟材料参数的确定，在72煤层顶底板沉积相研究和样品岩石力学性质测试的基础上，利用纯砂岩和泥岩力学参数的实验分析结果，采用加权平均的方式，确定不同块段砂泥岩的力学参数，以反映地质体因相带变化所造成的非均质性。同时断层给予30～50 m宽度，并用较小的弹性模量模拟断裂带内的变形（见表2）。
1.6 力学模型类型
研究重点是在长期稳定地应力作用下的岩体受力平衡状态，不研究诸如断裂发生、断层应力的迅速释放、地震等动力学问题；也不研究应力的耗散、岩体变形的时间过程，即塑性和粘性因素。因此采用弹性静力学模型，主要分析在矿区受到边界区域应力作用下的岩体应力—应变关系。
2 结果分析
在分析讨论应力计算结果前应说明一点，计算输出的应力分量是按弹性力学的张量符号定义，张应力为正，压应力为负。
2.1 燕山一期
该期X方向主应力的变化范围多在-180 MPa～80 MPa之间。从主应力分布图上可以看出（见图3），X方向主应力负高值区分布在井田中部F3~F2之间； 应力正高值位于童庄向斜地区。 Y方向主应力的极值变化范围在-200 MPa～113 MPa之间， 主要应力值在-28.6 MPa~37.5 MPa之间。 Y方向主应力正高值区分布在井田北部， 应力负高值分布在南部童庄向斜地区。 NWW向断层受X方向压应力， Y方向拉应力及剪应力作用明显（见图4）。 最小主应力的大小反映了断层的张开程度， 从模拟结果来看， 任楼井田断层在该期具有NWW向断层出现张剪特征， 而NNE向断层出现压剪的特征。
2.2 燕山二期
该期X方向主应力的变化范围多在-115 MPa～45.6 MPa之间（见图5），Y方向主应力的变化范围多在-104 MPa～264 MPa之间。X方向主应力和Y方向正高值区均分布于王大庄向斜地区，两者的差值较小。F7、F3 和F5断层在该期Y方向拉应力明显大于X方向拉应力（见图6）。可以判断任楼井田断层在该期应力作用下，南部地应力较大导致断层发育，而北部F7、F3 和F5等断层主要表现为张剪的特征。
3 结论
(1) 石炭—二叠系煤系地层形成后，本区受到多期主应力轴大角度相交构造应力场作用叠加复合，使井田及其外围的宏观地质构造(褶曲和断层)呈现出双重力学性质和“S”形展布井田地质构造形迹特征。
(2) 由于受多期构造应力大角度复合作用，任楼井田各方向断层破碎带普遍较发育，断层破碎带宽度与断层落差具有较明显的关系，即断层落差越大，破碎带宽度越大。
(3) 根据以上构造应力场分析，本区NE向断层及童亭背斜转折段部位的断层主要表现为张剪性。井下揭露断层时发现，井田南部F3至F5之间大中型断层及井田北部NE向断层普遍出现淋水现象,这主要是由于受到燕山二期构造NEE向主压应力作用断层表现为张剪性的原因。
参考文献：
［1］ ［美］莫维尼（MOAVENI S）.有限元分析：ANSYS理论与应用［M］.欧阳宇，译.北京：高等教育出版社,2003：112-130.
［2］ 万天丰.中国东部中•新生代板内变形构造应力场及其应用［M］.北京：地质出版社，1993：20-32.
［3］ 万天丰,朱鸿.中国大陆及邻区中生代—新生代大地构造与环境变迁［J］.现代地质,2002,14(2)：107-120.
［4］ 李全, 胡宝林,张永泰,等.皖北任楼煤矿72煤层煤镜质组有限应变特征分析［J］.中国煤炭，2006，32(4)：37-39.
［5］ 胡宝林,宋晓梅,车遥,等.刘桥矿区多期构造复合断层导水性分析［J］.煤炭科学技术, 2002，30(8)：50-53.
(责任编辑：宋晓梅)
关键词：地质构造； 应力场模拟；ANSYS ；导水断层
中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：1672-1098(2008)01-0016-04
收稿日期：2007-11-19
作者简介：储党生（1964-），男，安徽安庆人，高级工程师，工程硕士，主要从事煤矿地质及采矿技术方面的工作和研究。
Analysis of Tectonic Stress Field Molding Based on ANSYS
——A Case Study Based on Conditions of Coalbed 72 in Renlou Coal Mine
CHU Dang-sheng1,TONG Hong-shu1,LI Quan1,ZHANG Yong-tai1
WANG Hong-zhi2, XU De-jin2
(1. Wanbei Coal & Electricity Group Company, Suzhou Anhui 234001, China；2. Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract: In order to estimate water permeability of big tectonic faults in mine field, tectonic stress field andpressure in faults of Coalbed 72inRenlou Coal Mine were simulated and analyzed with software
ANSYS. The results present that water permeability of the faults in the mine field is controlled by multiple stage tectonic stress field, especially by principal compressive stress in NEE direction of Yanshan dichophase tectonic, which caused water spray from big and intermediate faults between F3 and F5 in the south of the mine field.
Key words:tectonic; stress field modeling; ANSYS; fault with water permeability
任楼煤矿位于安徽省宿州市西南约30 km的濉溪、蒙城二县交界处。该井田属于童亭背斜东南翼，F3断层以北地区为向东倾斜的单斜构造，F3断层以西地区的走向转为北西西（见图1），区内地层产状较平缓，一般为13°～20°，尤其是西部童庄向斜部分地层倾角更缓，仅为8°～15°。区内揭露地层有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系。该井田可采煤层有5层，分别是31、52、71、72和82煤层，目前主要开采72煤层。矿井生产期间曾经发生突水淹井事故，且多次出现断层出水现象。利用ANSYS有限单元软件对井田在煤系地层形成后不同构造期所受力状态进行分析［1］，以判别井田内主要断裂构造的导水性，为矿井防治水提供依据。
1 模型的建立
1.1 应力场方向的确定
根据区域构造地质条件［2-3］，结合煤的镜质组有限元分析［4］，任楼井田煤系地层形成后，经历了印支期构造、燕山期北东东向和新构造运动等多期构造复合应力场作用。其中印支期构造主压应力(σ1)方向近南北(179°～359°)，燕山一期主压应力(σ1)方向近南北 (140°～320°)；燕山二期主压应力(σ1)方向来自75°方向［5］（见图1）。
本次构造应力场数值模拟范围，北以界沟断层为界，南至F8断层，西起72煤层露头线， 东至72煤层～800 m投影线。 地质模型格架长10.7 km、宽9.0 km。主要研究72煤层构造特征， 在研究区范围内， 可将72煤层顶底板厚度近80 m左右的岩体看成一薄壳，采用二维地质模型。二维地质模型有限元网格单元划分的方法和步骤为：
(1) 分别进行沉积相区和断裂带单元划分，单元以四边形为主；
(2) 在施加应力边界条件和位移边界条件后，进行计算；
(3) 研究区在印支期构造应力作用下发生构造破裂，为了研究燕山期应力场早期断裂构造导水性的影响，进行单元剖分时，在各主要断层附近，均提高了剖分密度。根据该井田F3、F4断层带岩体工程地质特征将断层破碎带影响宽度定为30～50 m。
在构造展布特征及7煤段沉积特征的研究基础上，将研究区分为5个块段， 用四边形单元， 对模型进行划分， 并对主要断层影响带进行细化， 将模型分为2 810单元， 计2 910节点(见图2)。
1.3 位移边界条件确定
依据研究区格架特征，在结合地质模型和数学模型的基础上，确定了本区构造应力场的边界条件，即南北边界为Y轴固定，X轴自由，东西分别为压应力作用边界，为自由边界（见表1）。
1.4 应力边界条件的确定
应力边界条件是指作用于地质体外力的类型、大小和方向。在燕山一期模型东西边界施加SE140°方向的压力，在燕山二期模型东西边界施加NE75°方向的压力。由于具有走滑作用，在南北边界施加一定的剪应力。
不同时期应力值的大小主要参考区域构造应力值,其中燕山一期构造应力值确定为100 MPa。燕山二期构造应力值确定为50～70 MPa（见表1）。
1.5 模型岩石力学参数的确定
因地质模型的不均一性，要正确确定各单元的岩石力学参数是比较困难的，一般是根据一定的规则来选取。本次数值模拟材料参数的确定，在72煤层顶底板沉积相研究和样品岩石力学性质测试的基础上，利用纯砂岩和泥岩力学参数的实验分析结果，采用加权平均的方式，确定不同块段砂泥岩的力学参数，以反映地质体因相带变化所造成的非均质性。同时断层给予30～50 m宽度，并用较小的弹性模量模拟断裂带内的变形（见表2）。
1.6 力学模型类型
研究重点是在长期稳定地应力作用下的岩体受力平衡状态，不研究诸如断裂发生、断层应力的迅速释放、地震等动力学问题；也不研究应力的耗散、岩体变形的时间过程，即塑性和粘性因素。因此采用弹性静力学模型，主要分析在矿区受到边界区域应力作用下的岩体应力—应变关系。
2 结果分析
在分析讨论应力计算结果前应说明一点，计算输出的应力分量是按弹性力学的张量符号定义，张应力为正，压应力为负。
2.1 燕山一期
该期X方向主应力的变化范围多在-180 MPa～80 MPa之间。从主应力分布图上可以看出（见图3），X方向主应力负高值区分布在井田中部F3~F2之间； 应力正高值位于童庄向斜地区。 Y方向主应力的极值变化范围在-200 MPa～113 MPa之间， 主要应力值在-28.6 MPa~37.5 MPa之间。 Y方向主应力正高值区分布在井田北部， 应力负高值分布在南部童庄向斜地区。 NWW向断层受X方向压应力， Y方向拉应力及剪应力作用明显（见图4）。 最小主应力的大小反映了断层的张开程度， 从模拟结果来看， 任楼井田断层在该期具有NWW向断层出现张剪特征， 而NNE向断层出现压剪的特征。
2.2 燕山二期
该期X方向主应力的变化范围多在-115 MPa～45.6 MPa之间（见图5），Y方向主应力的变化范围多在-104 MPa～264 MPa之间。X方向主应力和Y方向正高值区均分布于王大庄向斜地区，两者的差值较小。F7、F3 和F5断层在该期Y方向拉应力明显大于X方向拉应力（见图6）。可以判断任楼井田断层在该期应力作用下，南部地应力较大导致断层发育，而北部F7、F3 和F5等断层主要表现为张剪的特征。
3 结论
(1) 石炭—二叠系煤系地层形成后，本区受到多期主应力轴大角度相交构造应力场作用叠加复合，使井田及其外围的宏观地质构造(褶曲和断层)呈现出双重力学性质和“S”形展布井田地质构造形迹特征。
(2) 由于受多期构造应力大角度复合作用，任楼井田各方向断层破碎带普遍较发育，断层破碎带宽度与断层落差具有较明显的关系，即断层落差越大，破碎带宽度越大。
(3) 根据以上构造应力场分析，本区NE向断层及童亭背斜转折段部位的断层主要表现为张剪性。井下揭露断层时发现，井田南部F3至F5之间大中型断层及井田北部NE向断层普遍出现淋水现象,这主要是由于受到燕山二期构造NEE向主压应力作用断层表现为张剪性的原因。
参考文献：
［1］ ［美］莫维尼（MOAVENI S）.有限元分析：ANSYS理论与应用［M］.欧阳宇，译.北京：高等教育出版社,2003：112-130.
［2］ 万天丰.中国东部中•新生代板内变形构造应力场及其应用［M］.北京：地质出版社，1993：20-32.
［3］ 万天丰,朱鸿.中国大陆及邻区中生代—新生代大地构造与环境变迁［J］.现代地质,2002,14(2)：107-120.
［4］ 李全, 胡宝林,张永泰,等.皖北任楼煤矿72煤层煤镜质组有限应变特征分析［J］.中国煤炭，2006，32(4)：37-39.
［5］ 胡宝林,宋晓梅,车遥,等.刘桥矿区多期构造复合断层导水性分析［J］.煤炭科学技术, 2002，30(8)：50-53.
(责任编辑：宋晓梅)