构造作用下煤层变形、破坏特征数值模拟研究
|
摘要
瓦斯含量、涌出量大小和煤与瓦斯突出的发生受地质构造演化条件的控制,并且存在着明显的分区、分带特征。地质构造在形成过程中,对于煤层原有形态进行了强烈的改造,构造演化过程中剪切挤压作用不仅使煤层的结构遭到破坏,而且改变着煤层中的应力场,这对于煤层中的瓦斯的生成、赋存和运移都具有重要的影响。地质构造是将煤层中瓦斯、地应力和煤的物理力学性质三者联系起来的纽带。
在古构造应力场的作用下,地质构造演化对煤层结构的变形破坏起到作用,它主要影响的是煤体的结构和力学性质,以及瓦斯的生成和保存。已存在的地质构造在现今构造应力场的作用下,对于煤与瓦斯突出有直接控制作用。基于此观点,本文通过对水平煤层在构造应力作用下生成褶皱和断层的过程进行有限元数值模拟,研究在一次构造作用下,煤层的变形破坏情况。定量的解释了无论是背斜还是向斜,在轴部附近煤层容易破坏的原因,同时确定了破坏发生的大概范围,对煤层中瓦斯的逸散、聚集情况做了出了定性的分析。还发现接近断层面的下盘煤层底部和接近断层面的上盘顶部,煤层容易遭受破坏,是容易生成瓦斯含量异常区的地方。然后对含有褶皱和断层构造的煤层做了其在现代构造应力场下的地应力数值模拟,研究地质构造带煤层中地应力场的分布特征,确定出了这两类地质构造中容易积聚弹性能的部位,对煤与瓦斯突出的可能性做了定性分析。通过对煤层古今地质构造带受力变形、破坏的数值研究,有助于更加准确的预测煤与瓦斯突出在煤层中的分区和分带特征。
Gas content, emission size and coal and gas outburst happened is controlled by the evolution process of the geological structure. And there is a clear partition, sub-band characteristics. In the process of forming geological structure,the original form of seam had been strongly transformed. Shear and extrusion process of the tectonic evolution not only destructed the coal structure but changed the stress field in coal seam. It had an important implication on coal seam gas production, storage and migration. Geological structure is the bonds that link the coal seam gas, the in-situ stress and the physical and mechanical properties of coal.
At the ancient tectonic stress field, the geological structure evolution played a role on the coal seam deformation and failure. It mainly affected the coal structure and mechanical properties, as well as gas generation and preservation. The modern tectonic stress dominates the earth stress,and takes part in outburst directly.Based on this opinion, through finite element simulation on the process of seam generating folding and fault at the level of tectonic stress ,the paper analyzed the coal seam deformation and failure situations. It made a quantitative interpretation on the reasons for the destruction in the easy axis of either the anticline or syncline. Also, it determined the probably destruction scope and made a qualitative analysis on the gas oven or gather situation. It also found seam was vulnerable to damage at the bottom of seam footwall and the top of hanging wall where may contain abnormal gas content. Then it simulated the seam in-situ stress in coal seam when the seam had contained geological structures such as its modern tectonic stress field folding and fault. From the results, it identified where elastic energy was easily accumulated in these two types of geological structures and made a qualitative analysis of the possibility of coal and gas outburst. Through the numerical study on ancient and geological structure it would contribute to a more accurate grasp of coal and gas outburst district and sub-band characteristics in coal seams.
在古构造应力场的作用下,地质构造演化对煤层结构的变形破坏起到作用,它主要影响的是煤体的结构和力学性质,以及瓦斯的生成和保存。已存在的地质构造在现今构造应力场的作用下,对于煤与瓦斯突出有直接控制作用。基于此观点,本文通过对水平煤层在构造应力作用下生成褶皱和断层的过程进行有限元数值模拟,研究在一次构造作用下,煤层的变形破坏情况。定量的解释了无论是背斜还是向斜,在轴部附近煤层容易破坏的原因,同时确定了破坏发生的大概范围,对煤层中瓦斯的逸散、聚集情况做了出了定性的分析。还发现接近断层面的下盘煤层底部和接近断层面的上盘顶部,煤层容易遭受破坏,是容易生成瓦斯含量异常区的地方。然后对含有褶皱和断层构造的煤层做了其在现代构造应力场下的地应力数值模拟,研究地质构造带煤层中地应力场的分布特征,确定出了这两类地质构造中容易积聚弹性能的部位,对煤与瓦斯突出的可能性做了定性分析。通过对煤层古今地质构造带受力变形、破坏的数值研究,有助于更加准确的预测煤与瓦斯突出在煤层中的分区和分带特征。
Gas content, emission size and coal and gas outburst happened is controlled by the evolution process of the geological structure. And there is a clear partition, sub-band characteristics. In the process of forming geological structure,the original form of seam had been strongly transformed. Shear and extrusion process of the tectonic evolution not only destructed the coal structure but changed the stress field in coal seam. It had an important implication on coal seam gas production, storage and migration. Geological structure is the bonds that link the coal seam gas, the in-situ stress and the physical and mechanical properties of coal.
At the ancient tectonic stress field, the geological structure evolution played a role on the coal seam deformation and failure. It mainly affected the coal structure and mechanical properties, as well as gas generation and preservation. The modern tectonic stress dominates the earth stress,and takes part in outburst directly.Based on this opinion, through finite element simulation on the process of seam generating folding and fault at the level of tectonic stress ,the paper analyzed the coal seam deformation and failure situations. It made a quantitative interpretation on the reasons for the destruction in the easy axis of either the anticline or syncline. Also, it determined the probably destruction scope and made a qualitative analysis on the gas oven or gather situation. It also found seam was vulnerable to damage at the bottom of seam footwall and the top of hanging wall where may contain abnormal gas content. Then it simulated the seam in-situ stress in coal seam when the seam had contained geological structures such as its modern tectonic stress field folding and fault. From the results, it identified where elastic energy was easily accumulated in these two types of geological structures and made a qualitative analysis of the possibility of coal and gas outburst. Through the numerical study on ancient and geological structure it would contribute to a more accurate grasp of coal and gas outburst district and sub-band characteristics in coal seams.
引文
[1]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2000:425.
[2]于不凡.论地应力对煤与瓦斯突出的控制作用[J].世界煤炭技术, 1990,7:28-31.
[3]蔡成功,王佑安.煤与瓦斯突出一般规律定性定量分析研究[J].中国安全科学学报,2004,14(6):109-112.
[4]冯士安,唐修义.具有瓦斯突出危险性的构造煤特征及其意义[J].中国煤田地质,1998,10(1):24-26.
[5]林舸,赵重斌,张晏华,等.地质构造变形数值模拟研究的原理、方法及相关进展[J].地球科学进展,2005,20(5):549-555.
[6]季明,高峰,朱金艳,等.煤岩正断层处的力学分析与数值模拟[J].煤矿安全,2008,39(3):48-50.
[7]徐志斌.京西煤田燕山早期逆冲推覆构造成因机理的有限元模拟[J].中国矿业大学学报,1990,19(3):78-84.
[8]李志华,窦林名,牟宗龙.断层对顶板型冲击矿压的影响[J].采矿与安全工程学报,2008,25(2):154-158.
[9]周叶,林舸,龚发雄,等.单层褶皱变形过程中最大主应力与水平应变的变化及其影响因素[J].大地构造与成矿学,2007,31(1):37-43.
[10]段庆伟,何满潮.复杂条件下围岩变形特征数值模拟研究[J].煤炭科学技术,2002,30(6):55-58.
[11]孙振武煤层厚度局部变化区域地应力场分布的数值模拟[J].矿山压力与顶板管理,2003.20(3):95-97.
[12]刘程,李向东,杨守国.地质构造对煤层厚度的影响研究[J].煤矿安全,2008,39(5):14-16.
[13]王生全,王贵荣,常青.褶皱中和面对煤层的控制性研究[J].煤田地质与勘探,2006,34(4):16-18.
[14]韩军,张宏伟,霍丙杰.向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨[J].煤炭学报, 2008, 33(8):908-913.
[15]何俊,刘明举,颜爱华.煤田地质构造与瓦斯突出关系分形研究[J].煤炭学报,2002,27(6):623-626.
[16] HeJun,ChenXinsheng. Study on Characteristics of Gas Dynamic Emission Preceding Coaland Gas Outburst [J]. PROGRESS IN SAFETY SCIENCE AND TECHNOLOGY,2008,VOLⅦ:1676-1679.
[17]王颖,王英民,赵锡奎.构造模拟实验在构造研究中的应用——以桩西潜山为例[J].石油实验地质,2004,26(3):308-312.
[18]曾佐勋,樊光明.构造地质学(第三版)[M].武汉:中国地质大学出版社,2008:45-61.
[19]蔡美峰,何满潮,刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2005:58.
[20]张文佑.断块构造导论[M].北京:石油工业出版社,1984:63.
[21]韩军.构造及其演化对煤与瓦斯突出的控制作用研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学采矿学院,2008.
[22] Ramsay J.G.岩石的褶皱作用和断裂作用(单文琅等译)[M].北京:地质出版社,1985.
[23]徐开礼,朱志澄.构造地质学(第二版)[M].北京:地质出版社,2006.
[24]汪吉林,李仁东,姜波.构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用[J].煤炭科学技术,2008,36(4):47-50.
[25]朱兴珊,徐凤银.论构造应力场及其演化对煤和瓦斯突出的主控作用[J].煤炭学报,1994,19(3):304-313.
[26]梁金火.矿区地质构造对煤与瓦斯突出地段的控制[J] .中国煤田地质.1991,3(2)29-33.
[27]于不凡.地应力对煤和瓦斯突出的控制作用[C]//第三届全国地应力会议专辑.北京:地震出版社,1994,78–86.
[28]何俊,陈新生.地质构造对煤与瓦斯突出控制作用研究现状与发展趋势[J].河南理工大学学报,2009,28(1):1-7.
[29]苏生瑞,黄润秋,王士天.断裂构造对地应力场的影响及其工程应用[M].北京:科学出版社,2002.
[30]杨孟达,刘新华,王瑛等.煤矿地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
[31]徐学峰.地质构造对煤与瓦斯突出的影响研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学采矿学院,2004.
[32]张子敏.瓦斯地质基础[M].北京:煤炭工业出版社,2008:168-169.
[33] Yunxing Cao, Dingdong He, David C. Glick. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults[J].International Journal of Coal Geology, 2001,48(1-2): 47-63.
[34]练章华,现代CAE技术与应用教程[M].北京:石油工业出版社,2004:3.
[35]廖红建,王铁行.岩土工程数值分析[M].北京:机械工业出版社,2006:91-146.
[36]卢延浩.岩土数值分析[M].北京:中国水利水电出版社,2008:28-29.
[37]岳戈,陈权.ADINA应用基础与实例详解[M].北京:人民交通出版社,2008:39.
[38]刘全林.软岩巷道变形的相似模型试验与计算方法的研究[D].安徽理工大学结构工程,2005.
[39]朱伯芳,有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社,1998:494-495.
[40]郭兴明.矿山工程力学[M].北京:化学工业出版社,2007:215-233.
[41]侯明勋,葛修润.岩体初始地应力场分析方法研究[J].岩土力学,2008.28(8):1626-1630.
[42]朱付广,王世杰,胡伟,等.岩体初始地应力场的反演分析方法[J].科技咨询导报,2007,9:213.
[43]孙礼健,朱元清.初始地应力场分析方法的研究[J].地震地磁观测与研究,2008,29(3):14-22.
[44]张子敏,张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M].北京:煤炭工业出版社,2005:77-83,9.
[45]谢洪波,徐亚富,康继武.豫西煤田构造煤反射率及其与古构造应力场的关系[J].煤田地质与勘探,2008,36(4):1-4.
[46]河南煤田地质公司.河南省晚古生代聚煤规律[M].武汉:中国地质大学出版社,1991:181-189.
[47]万天丰.中国大地构造学纲要[M].北京:地质出版社,2007:214.
[48]韩军,张宏伟,宋卫华.煤与瓦斯突出矿区地应力场研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(增2):3852-3840.
[49]夏洪春,郑学军,李金奎,等.三软煤层超长工作面采场矿压显现规律研究[J].大连大学学报,2008,29(3):124-128.
[50]中国矿业大学.“豫西‘三软’不稳定突出煤层增加透气性与煤体卸压技术研究”专题[R].郑州煤业(集团)有限责任公司:2007.
[2]于不凡.论地应力对煤与瓦斯突出的控制作用[J].世界煤炭技术, 1990,7:28-31.
[3]蔡成功,王佑安.煤与瓦斯突出一般规律定性定量分析研究[J].中国安全科学学报,2004,14(6):109-112.
[4]冯士安,唐修义.具有瓦斯突出危险性的构造煤特征及其意义[J].中国煤田地质,1998,10(1):24-26.
[5]林舸,赵重斌,张晏华,等.地质构造变形数值模拟研究的原理、方法及相关进展[J].地球科学进展,2005,20(5):549-555.
[6]季明,高峰,朱金艳,等.煤岩正断层处的力学分析与数值模拟[J].煤矿安全,2008,39(3):48-50.
[7]徐志斌.京西煤田燕山早期逆冲推覆构造成因机理的有限元模拟[J].中国矿业大学学报,1990,19(3):78-84.
[8]李志华,窦林名,牟宗龙.断层对顶板型冲击矿压的影响[J].采矿与安全工程学报,2008,25(2):154-158.
[9]周叶,林舸,龚发雄,等.单层褶皱变形过程中最大主应力与水平应变的变化及其影响因素[J].大地构造与成矿学,2007,31(1):37-43.
[10]段庆伟,何满潮.复杂条件下围岩变形特征数值模拟研究[J].煤炭科学技术,2002,30(6):55-58.
[11]孙振武煤层厚度局部变化区域地应力场分布的数值模拟[J].矿山压力与顶板管理,2003.20(3):95-97.
[12]刘程,李向东,杨守国.地质构造对煤层厚度的影响研究[J].煤矿安全,2008,39(5):14-16.
[13]王生全,王贵荣,常青.褶皱中和面对煤层的控制性研究[J].煤田地质与勘探,2006,34(4):16-18.
[14]韩军,张宏伟,霍丙杰.向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨[J].煤炭学报, 2008, 33(8):908-913.
[15]何俊,刘明举,颜爱华.煤田地质构造与瓦斯突出关系分形研究[J].煤炭学报,2002,27(6):623-626.
[16] HeJun,ChenXinsheng. Study on Characteristics of Gas Dynamic Emission Preceding Coaland Gas Outburst [J]. PROGRESS IN SAFETY SCIENCE AND TECHNOLOGY,2008,VOLⅦ:1676-1679.
[17]王颖,王英民,赵锡奎.构造模拟实验在构造研究中的应用——以桩西潜山为例[J].石油实验地质,2004,26(3):308-312.
[18]曾佐勋,樊光明.构造地质学(第三版)[M].武汉:中国地质大学出版社,2008:45-61.
[19]蔡美峰,何满潮,刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2005:58.
[20]张文佑.断块构造导论[M].北京:石油工业出版社,1984:63.
[21]韩军.构造及其演化对煤与瓦斯突出的控制作用研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学采矿学院,2008.
[22] Ramsay J.G.岩石的褶皱作用和断裂作用(单文琅等译)[M].北京:地质出版社,1985.
[23]徐开礼,朱志澄.构造地质学(第二版)[M].北京:地质出版社,2006.
[24]汪吉林,李仁东,姜波.构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用[J].煤炭科学技术,2008,36(4):47-50.
[25]朱兴珊,徐凤银.论构造应力场及其演化对煤和瓦斯突出的主控作用[J].煤炭学报,1994,19(3):304-313.
[26]梁金火.矿区地质构造对煤与瓦斯突出地段的控制[J] .中国煤田地质.1991,3(2)29-33.
[27]于不凡.地应力对煤和瓦斯突出的控制作用[C]//第三届全国地应力会议专辑.北京:地震出版社,1994,78–86.
[28]何俊,陈新生.地质构造对煤与瓦斯突出控制作用研究现状与发展趋势[J].河南理工大学学报,2009,28(1):1-7.
[29]苏生瑞,黄润秋,王士天.断裂构造对地应力场的影响及其工程应用[M].北京:科学出版社,2002.
[30]杨孟达,刘新华,王瑛等.煤矿地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
[31]徐学峰.地质构造对煤与瓦斯突出的影响研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学采矿学院,2004.
[32]张子敏.瓦斯地质基础[M].北京:煤炭工业出版社,2008:168-169.
[33] Yunxing Cao, Dingdong He, David C. Glick. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults[J].International Journal of Coal Geology, 2001,48(1-2): 47-63.
[34]练章华,现代CAE技术与应用教程[M].北京:石油工业出版社,2004:3.
[35]廖红建,王铁行.岩土工程数值分析[M].北京:机械工业出版社,2006:91-146.
[36]卢延浩.岩土数值分析[M].北京:中国水利水电出版社,2008:28-29.
[37]岳戈,陈权.ADINA应用基础与实例详解[M].北京:人民交通出版社,2008:39.
[38]刘全林.软岩巷道变形的相似模型试验与计算方法的研究[D].安徽理工大学结构工程,2005.
[39]朱伯芳,有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社,1998:494-495.
[40]郭兴明.矿山工程力学[M].北京:化学工业出版社,2007:215-233.
[41]侯明勋,葛修润.岩体初始地应力场分析方法研究[J].岩土力学,2008.28(8):1626-1630.
[42]朱付广,王世杰,胡伟,等.岩体初始地应力场的反演分析方法[J].科技咨询导报,2007,9:213.
[43]孙礼健,朱元清.初始地应力场分析方法的研究[J].地震地磁观测与研究,2008,29(3):14-22.
[44]张子敏,张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M].北京:煤炭工业出版社,2005:77-83,9.
[45]谢洪波,徐亚富,康继武.豫西煤田构造煤反射率及其与古构造应力场的关系[J].煤田地质与勘探,2008,36(4):1-4.
[46]河南煤田地质公司.河南省晚古生代聚煤规律[M].武汉:中国地质大学出版社,1991:181-189.
[47]万天丰.中国大地构造学纲要[M].北京:地质出版社,2007:214.
[48]韩军,张宏伟,宋卫华.煤与瓦斯突出矿区地应力场研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(增2):3852-3840.
[49]夏洪春,郑学军,李金奎,等.三软煤层超长工作面采场矿压显现规律研究[J].大连大学学报,2008,29(3):124-128.
[50]中国矿业大学.“豫西‘三软’不稳定突出煤层增加透气性与煤体卸压技术研究”专题[R].郑州煤业(集团)有限责任公司:2007.
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |