断层带强度对采动应力影响的数值模拟

断层带强度对采动应力影响的数值模拟
李先平
【摘要】以工作面沿断层走向推进为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件,根据岩体强度指标GSI确定断层带弹性模量,并分析了不同断层带岩体强度指标GSI条件下,断层带对采动应力分布的影响.研究表明:工作面沿断层走向推进时,下盘工作面断层煤柱以及工作面超前支承应力集中较上盘工作面回采时更高,断层对下盘工作面回采时采动应力分布的影响更明显.断层带岩体质量指标GSI值越小,断层煤柱以及工作面超前支承应力集中更明显,即断层岩体裂隙越发育对采动应力的阻隔作用越强.
【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2018(049)012
【总页数】4页(P208-211)
【关键词】断层;岩体地质强度指标;数值模拟;采动应力;弹性模量;超前支承应力【作者】李先平
【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 266590
【正文语种】中文
【中图分类】TD323
断层是煤矿井下最常见的构造之一，其内部节理裂隙发育，呈现出显著的散体结构特征，在断层附近进行采掘活动时，受断层应力阻隔作用，采动应力分布异常，造
成断层附近易发生严重的灾害事故，给煤矿安全生产带来重大隐患[1－3]。

数值模拟现已成为国内外学者研究断层影响区域采动应力分布的主要研究手段之一，但是，受断层带裂隙产状、发育程度以及充填物等因素的影响，断层带岩体力学参数的获取非常困难。

目前，断层带岩体力学参数研究往往是基于完整岩石乘以经验劣化系数获取，模拟精度方面有待进一步提高[4-6]，为此根据岩体地质强度指标GSI计
算断层带岩体弹性模量[7]，并分析了不同断层带岩体强度条件下采动应力分布规律，为实现断层影响区域工作面安全回采具有重要意义。

1 地质强度指标与断层弹性模量量化
在工程岩体发展过程中，随着施工环境的不断复杂，对工程质量的要求不断提高，需要对岩体做出合理的分类，以便根据不同岩体类型确定工程结构参数、工程管理方法，保证施工安全以及工程稳定。

目前，国内外学者提出了多种岩体分类方法，包括岩石质量指标RQD、岩体地质力学分类指标RMR、NGI隧道岩体质量指标等。

其中，Hoek等提出的地质强度指标（GSI）分类体系是1种可以与岩体参数
直接建立联系的分类体系，在工程应用中具有较强的可操作性，被广大学者普遍接受[8]。

岩体地质强度指标（GSI）能够反映各种地质条件对岩体强度的削弱程度，可以细致描述岩体特性，岩体地质强度指标GSI的变化范围从1至100，具体数值是根
据岩体结构特征和节理表面状态2个方面来确定，其中岩体结构特征包括节理数
量分布、块体数量和地质扰动程度，节理表面状态包括节理粗糙度、节理风化程度以及充填情况等确定，岩体地质强度指标（GSI）在0～80范围的量化表如图1。

图1 岩体地质强度指标（GSI）量化表
式中：Erm为岩体弹性模量；Elab为实验室试样弹性模量；GSI为岩体地质强度
指标。

因此，在对断层带进行数值模拟时，可根据断层带岩体地质强度指标GSI确定断
层带岩体弹性模量，使得数值模拟过程中所选取的断层带参数可靠性更高。

2 工程背景及数值模拟方法
2.1 工程背景
以红岭煤矿F505地质条件为背景，红岭煤矿位于安阳县内，主采煤层为二1煤层，煤层厚度5～7 m，平均厚度6 m，埋深630 m左右，F505断层为正断层，落差5～7 m，倾角60°～70°，直接顶为泥岩厚度5.3 m，基本顶为细粒砂岩厚度
11.62 m，基本顶较坚硬。

工作面长100 m左右，推进方向大体和断层走向方向
一致。

2.2 数值计算模型
在岩体地质轻度指标（GSI）的基础上，H.mitri建立了岩体弹性模量与实验室弹
性模量和岩体GSI的关系[7]：
采用FLAC3D数值模拟软件建立不同断层倾角条件下，工作面沿正断层走向布置
的分析模型，模型尺寸 400 m（长）×300 m（宽）×90 m（高），模型顶部施
加均布载荷16.5 MPa，水平方向施加梯形均布载荷，为垂直方向的0.5倍。

模拟煤层埋深630 m，断层用软弱带处理，断层带宽度为2 m，倾角70°，模拟不同
断层带岩体地质强度指标GSI条件下，断层对采动应力分布的影响。

断层带的GSI 值分别为10、20、30、40，参考式（1）以及断层带实验室试样弹性模量为
6.426 GPa，计算出对应的断层带岩体弹性模量分别为 0.35、0.94、1.77、2.73 GPa，断层带其余参数及岩层参数[9]见表1。

上盘工作面和下盘工作面分别开挖，工作面宽度100 m，推进长度150 m，断层煤柱宽度为20 m，开挖模型如图2。

计算采用摩尔-库伦强度准则，垮落带采用双屈服模型处理。

表1 岩层力学参数岩性厚度/m 剪切模量/GPa体积模量/GPa黏聚力/MPa内摩
擦角/（°）抗拉强度/MPa泥岩细砂岩砂质泥岩细砂岩泥岩煤层砂质泥岩细砂岩砂
质泥岩断层带9 15 15 12 66631 82 2.5 6.0 3.5 6.0 2.5 1.5 3.5 6.0 3.5-5.1 8.0 6.8 8.0 5.1 4.8 6.8 8.0 6.8-1.600 5.000 2.000 5.000 1.600 1.200 2.000 5.000 2.000 0.013 32 39 34 39 32 19 34 39 34 18 2.0 6.0 2.5 6.0 2.0 1.0 2.5 6.0 2.5 0.1
图2 计算网格模型网格划分
3 断层带GSI对采动应力分布的影响
3.1 断层带GSI对断层煤柱应力分布的影响
断层带岩体地质强度指标为10时，下盘工作面回采，断层煤柱垂直应力分布云图如图3，由图可知，受断层应力阻隔作用影响断层煤柱应力集中程度较高，断层煤柱侧的垂直应力远大于非断层侧的工作面侧向垂直应力。

图3 断层煤柱应力分布云图
不同断层带岩体地质强度指标GSI值条件下，断层煤柱应力峰值图如图4，由图4可知，下盘煤柱的应力集中程度大于上盘煤柱的应力集中程度，断层带岩体地质强度指标GSI对上、下盘断层煤柱应力值的影响均较大，且断层带岩体地质强度指标GSI值越小，断层煤柱的应力集中程度越高，断层带岩体质量指标GSI为10、20、30、40时，下盘断层煤柱应力峰值分别为 54.6、52.5、51.3、50.7 MPa，上盘断层煤柱应力峰值分别为49.9、47.7、46.1、45.2 MPa，即断层带岩体越破碎断层的应力阻隔作用越强，断层对采动应力分布的影响越大。

图4 不同断层带GSI值的煤柱应力峰值
3.2 断层带GSI对工作面超前支承应力分布影响
断层带岩体地质强度指标为10时，下盘工作面回采，工作面超前支承应力分布云图如图5，由图5可知，工作面超前支承应力峰值位于工作面前方12 m处，且工作面超前支承应力受断层影响呈现非对称性分布，断层煤柱侧工作面超前支承应力大于远离断层侧的工作面超前支承应力。

图5 工作面超前支承应力分布云图
不同GSI条件下，上、下盘工作面回采后工作面前方12 m处超前支承应力峰值
如图6和图7，由图可知，受断层影响，靠近断层侧的上、下盘工作面超前支承应力均大于远离断层侧的工作面超前支承应力，且下盘工作面超前支承应力峰值大于上盘工作面超前支承应力峰值；断层带岩体质量指标GSI越小，上下盘工作面断
层侧工作面超前支承应力峰值均越高，断层带岩体质量指标GSI为10、20、30、40时，下盘工作面靠近断层侧工作面超前支承应力峰值分别为41.1、40.4、39.7、39.1 MPa，上盘工作面靠近断层侧工作面超前支承应力峰值分别为39.8、38.8、38.1、37.5 MPa，远离断层侧工作面超前支承应力峰值基本保持不变。

图6 下盘工作面超前支承应力分布
图7 上盘工作面超前支承应力分布
4 结论
1）在对断层带进行数值模拟时，根据断层带岩体地质强度指标GSI值确定断层带岩体弹性模量，能够提高断层带模拟的精度。

2）工作面沿断层走向推进时，下盘工作面断层煤柱以及工作面超前支承应力集中较上盘工作面回采时更高，断层对下盘工作面回采时采动应力分布的影响更明显。

3）断层带岩体质量指标GSI值越小断层煤柱以及工作面超前支承应力集中更明显，即断层岩体裂隙越发育对采动应力的阻隔作用更明显。

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