含山陶厂石膏矿构造应力场数值模拟分析-

论文导读：
摘 要：为了分析井田内主要构造断裂的导水性，为断层岩柱留设提供依据，运用有限元法的三维数值模拟程序，对陶厂石膏矿现代构造应力场进行了模拟。模拟结果表明，在断层F17附近存在较大的压应力，在F1及F2断层附近的石膏矿体中存在拉应力，在石膏矿体中的应力水平相对较低且均一。断层附近的Z方向的应力相对石膏矿体的应力低。应力矢量分布中拉应力矢量主要分布在石膏矿体靠近断层附近，随着石膏矿体与断层距离的增加，逐渐转化为压应力，而在断层的交汇处压应力值较高。
关键词：石膏矿;地质构造；断层；应力场
1672-1098(2012)02-0045-05
收稿日期：2012-03-13
作者简介：李全（1966-），男，安徽淮南人，高级工程师，学士，主要从事地质工程及管理工作。
Numerical Simulation of Tectonic Stress Field in Taochang Gypsum Mine, Hanshan County
LI Qian,ZHANG Yong-tai,SUN Yuan-jin
(Wanbei Coal and Electricity Group Co．，SuzhouAnhui 234000，China)
Abstract:In order to analyze water permeability of big tectonic faults and provide the basis of fault waterproof rock pillar setting,modern tectonic stress field of Taochang gypsum mine was simulated by using three dimensional numerical simulation program of finite element method.The simulation results showed that relatively large compressive stress exists near the F17 fault，tensile stress in gypsum ore body near F1 and F2 fault. Relatively all stress uniformly distributes in th摘自：7彩论文网论文范文www.7ctime.com
e gypsum ore body. The stress in Z direction nearby the fault is lower than that in the ore body. Tensile stress vector in stress vector distribution mainly distributes in the ore bodies near fault. Stress gradually tranorms into compressive stress from tensile stress,with increase of distance between gypsum ore body and fault, and the compressive stress is higher at the crossroads of the faults.
Key words:Gypsum mine;geological structure; fault;stress field
陶厂石膏矿位于含山县城南17 km的陶厂集镇，是亚洲石膏储量最大的矿区之一。2008年3月18日在I22回风巷掘进过程中探眼遇断层突水，最大涌水量大于19 200 m3／h，，造成矿井被淹。其主要原因是巷道掘进遇导水断层，因此开展矿区构造应力场研究，对分析断层导水性，合理留设断层岩柱，保证矿井生产安全，采场设计及采房稳定性分析等具有一定意义。近年来随着计算机技术的高速发展，特别是把计算数学中的有限单元法用于构造应力场分析后，构造应力场数学模拟得到迅速发展和广泛应用，有限单元法已成为构造应力场定量研究的一个重要手段［1-4］。构造应力场三维数值模拟由于采用了更符合实际情况的边界条件，同时考虑了不同层位之间的相互影响、各层厚度变化、岩层产状、断裂产状变化，其模拟结果不仅可揭示矿层面在平面上的应力分布，还能反映剖面上的应力分布，能更好地揭示地质体在三度空间的应力特征和展布规律［5］。
1 地质概况
研究区出露的地层主要有三叠系下统和龙山组、南陵湖组、中统东马鞍山组、 月山组、 铜头尖组以及白垩系上统、第四系地层，硬石膏矿层为三叠系中统东马鞍山组，矿体控制厚度47.27～ 562.35 m，平均468.60 m，石膏储量达58.2亿吨。矿井采用竖井石门开拓方式，采用水平分层房式采矿法，目前，矿井生产水平为-400 m水平。
矿区区域构造位置属于含山—庐江隆褶带，其中次级褶皱—陈夏背斜(东段)位于本区北缘，太湖山背斜(东段)位于本区南侧［6］，两背斜之间为陶家厂向斜(见图1)。矿区南北被北东向F1和F2相向倾斜正断层切割，东西各北F13及耙齿山断层斜切， F19及F18断层为一组轴向北西的正断层，其间发育同走向F17逆断层。-400 m水平上，F1断层和F2断层之间是石膏矿体，在F1断层和F2断层下盘主要为灰岩(见图2～图3)。
图1 陶厂石膏矿区域构造图
图2 陶厂石膏矿4勘探线剖面图（单位：m）
2 模型的建立
本文主要研究含山陶厂石膏矿-400 m水平地质构造对矿体应力场的影响，为分析井田内主要构造断裂的导水性， 为断层岩柱留设提供依据。 因此， 计算模型的建立主要根据石膏矿体埋深-400 m构造分布（见图3）。图3 陶厂石膏矿-400 m构造分布图论文导读：拉应力为主；在4结论1)在断层F17附近存在较大了压应力，在F1及F2断层附近的石膏矿体中存在拉应力，石膏矿体中的应力水平相对较低且均一。其他断层则是以拉应力为主。Z方向的应力分布中断层位置的应力相对石膏矿体的应力低。2)对于构造影响的主应力分布情况压主应力值为

5.20MPa，拉主应力值为3.43

2.1 几何模型及边界条件

根据-400 m地质情况， 三维数值计算模型划分175 500个单元， 节点数213 510个(见图4)。 在数值计算模型中对原有的矿体边界和断层走向进行了简化， 即采用折线方式代替了矿体边界的曲线分布。在数值模型中主要包括石膏矿体、断层和灰岩。由于计算的目的主要是研究断层对矿体的应力场的影响，所以在数值模型的高度上只包括了200 m，即标高-400 m上、下各自100 m作为计算区域。断层岩体的最小宽度为100 m，以便消除数值计算模型的边界影响。
（a） 三维模型
(b) 平面计算模型
图4 数值计算模型
在模型前、后和左、右边界，采用零位移边界条件。图4a 前后和左右边界取u=0，v≠0(u为x方向位移，v为y方向位移)，即单约束边界；图4b 下部边界取u=v=0，为全约束边界。在模型上部施加载
荷以代替没有模拟的上覆岩层，每100 m埋深的地层自重载荷增加

2.5 MPa。然后计算至各个单元应力平衡后应力场值大小。

2.2 力学模型与破坏准则

模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏，并且均不考虑塑性流动(不考虑剪胀)。
材料产生拉伸破坏。

2.3 力学参数

由于石膏矿体总厚度在550 m左右，在数值计算模拟中开采层的上、下计算范围均在石膏矿体内，即开采层的顶板和底板均为石膏矿体。由于断层没有试验的力学参数，在本次模拟中参考相似矿区断层常规实验得到的强度和变形参数，作为断层力学参数；数值计算模型断层下盘岩体力学参数利用灰岩的力学参数(见表1)。
3 计算结果及分析
根据模拟计算结果，分别从不同方向反映了应力分布情况(见图5～图6)。X方向最大压应力值为5.699 MPa， 最大拉应力值为2.957 MPa， 在断层F17附近存在较大的压应力， 在F18断层附近的石膏矿体中存在拉应力， 在石膏矿体中的应力水平相对较低；Y方向最大压应力值为5.708 MPa， 最大拉应力值为2.479 MPa， 在石膏矿体中的应力水平相对较低， 分布均一， 而在断层F17附近存在较大的压应力，F1及F2断层周围以拉应力为主；Z方向的应力分布表现为最大压应力值为12.61 MPa， 最大拉应力值为1.555 MPa， F1及F2断层周围的应力值在6 MPa左右，在石膏矿体中的应力为9 MPa左右。
主压力分布（见图7）表明，压应力主要是在F17逆断层位置，拉主应力主要在F19断层和F17断层之间，最大压主应力值为5.20 MPa，拉主应力值为3.43 MPa，石膏矿体主要应力较均

一、应力值相对较低。

应力矢量分布图表明，主压应力主要分布在石膏矿体靠近断层附近，最大压应力为23.9 MPa，而最大拉应力为3.58 MPa，石膏矿体距离断层越远逐渐转化为压应力；在断层的交汇处压应力的水平较高，在F19断层和F17断层之间的矿体主要是拉应力为主；在
4 结论
1) 在断层F17附近存在较大了压应力，在F1及F2断层附近的石膏矿体中存在拉应力，石膏矿体中的应力水平相对较低且均一。其他断层则是以拉应力为主。Z方向的应力分布中断层位置的应力相对石膏矿体的应力低。
2) 对于构造影响的主应力分布情况压主应力值为5.20 MPa，拉主应力值为3.43 MPa。压应力主要是在F17逆断层位置，拉主应力主要是在F19断层和F17断层之间。石膏矿体主要应力较均

一、应力值相对摘自：7彩论文网毕业论文免费下载www.7ctime.com

较低。
3) 应力矢量分布中拉应力矢量，主要分布在石膏矿体靠近断层附近，随着石膏矿体与断层距离的增加，逐渐转化为压应力。而在断层的交汇处压应力的水平较高。在F19断层和F17断层之间的矿体表现拉应力为主，而在F17断层和F18断层之间的石膏矿体均分布有拉压应力。
4) F18断层以北区域，石膏矿体受力状态较均

一、仅在F1及F2断层附近局部出现应力异常。

参考文献：
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(责任编辑：何学华，范 君)