潘西煤矿断裂构造突水机制探讨

分析了潘西煤矿历年断裂构造突水资料,把其断层突水类型分为两大类:一是导水断层引起的突水;二是采动引起的断层“活化”突水。导水断层突水主要是由于构造岩带与底板裂隙相互贯通而致。采动引起的断层突水主要是在采动、矿山压力、地温应力、水应力、构造应力等共同作用下,断层产生滑移、张开,断层派生解理与裂隙发生蠕变、扩展、扩径、生长、相互贯通形成导水通道。应用断裂力学理论推导出断层产生滑移、解理发生扩展的计算公式。     

带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究

为了研究含断层的底板隔水层在采动影响下的破坏动态过程,以焦作煤田赵固二矿11011工作面为研究背景,采用相似模拟试验的研究方法,对断层在整个开采过程中的活化动态进行观测,记录模型各个测点的位移变化并进行整体分析。通过"下三带"理论,计算赵固二矿工作面底板岩层的最大破坏深度和承压水导升高度,验证试验结果的准确性。研究结果表明:在采动影响下,底板断层的活化过程可分为稳定期、初始期和活化活跃期。初始期断层带附近衍生裂隙与工作面底板塑性破坏区形成沟通,是断层完全活化的前兆信息;活跃期断层滑落失稳,断层面处于张开状态,此时导水通道形成造成突水事故发生。     

顶板导水裂缝带多段封堵同步测漏系统与应用

针对工作面回采后覆岩导水裂缝带发育高度探测难题,为掌握地下开采引起的岩层移动规律和确定导水裂缝带高度参数,研制了顶板导水裂缝带多段封堵同步测漏系统,并详细介绍系统的主要结构、功能和操作步骤.该系统主要包括探测子系统、封堵子系统、供给子系统和推进子系统,实现了顶板钻孔多探测单元、任意角度、同步精准连续测量,且与普通注水系统相比,该系统中测试探头移动次数减少了2/3.以新宏煤矿21010工作面开采条件为工程背景,在理论预计和数值模拟的基础上,将该系统运用到实际工程中.顶板导水裂缝带高度理论预计结果为40.25m,数值模拟结果为36.87m,而现场实测结果为38.50m.结果表明系统测量结果准确,观测过程高效.顶板导水裂缝带多段封堵同步测漏系统的研制和应用,不仅成倍减少工作量,而且实现连续精准测量,丰富了导高现场观测手段,对预防矿井突水灾害具有重要的实用价值.     

急倾斜煤层深部开采对浅部断层活化影响的数值模拟研究

淮南矿区某矿采区属倒转地层,灰岩含水层位于煤层顶板,断层的活化极易导通上部含水层,引发突水事故.面对急倾斜煤层开采深度不断增加的现状,采用FLAC3D数值模拟的方法,对急倾斜煤层深部开采对顶板浅部断层活化影响的规律进行了研究,总结了急倾斜煤层开采深度与断层活化之间的时空关系,验证了通过控制采高和隔离煤柱大小,可以有效降低急倾斜煤层开采对断层的扰动作用,对急倾斜煤层后期深部开采断层突水预测与防治具有重要的理论指导意义和工程应用价值.     

松散层下开采次生小断层影响工作面突砂机制——以山东省横河煤矿1931W工作面突砂事故为例

为研究松散层下开采次生小断层对工作面涌砂的影响,以山东省横河煤矿1931W工作面突砂事故为例,采用ANSYS有限元数值模拟方法,分析次生小断层对采动裂隙带高度发育的影响,根据模拟结果及流砂突出事故,对顶板流砂突出的机制和条件进行研究,得出在煤层开采过程中导水裂隙带受断层影响的一般规律,认为工作面推进过程中存在断层情况下,导水裂隙带最大发育高度和破坏程度会受到影响,导致其发育高度增大,引发涌水突砂事故。     

邹庄矿井F25逆断层保护煤柱合理留设研究

为研究大型逆断层保护煤柱留设问题,以邹庄矿井F_(25)逆断层为工程背景,对该断层切割煤层底板奥陶系灰岩可能导致87采区煤层回采过程中断层"活化"突水情况进行分析,利用FLAC3D软件对留设不同宽度煤柱下应力场、塑性破坏区、断层带附近岩体垂向应力变化及断层"活化"规律进行了研究。结果表明,随着留设煤柱宽度变小,采动应力穿越断层带,在上盘形成应力集中区,垂向应力的演化明显滞后于水平应力;当煤柱宽度减小到20 m时,煤层顶底板表现出不同应力演化特征,且塑性破坏区与断层带导通,从而导致煤层顶断层带先于煤层底断层带"活化",经分析得知邹庄矿井F_(25)逆断层保留煤柱为20 m较为合理,与该矿井实际生产吻合。本研究结果为分析类似工程背景下保护煤柱留设具有一定参考价值。     

义马煤田煤矿水害规律与防治技术

为了掌握义马煤田水害规律以正确指导煤矿的防治水工作,分析研究了历次突水资料、地质构造、小煤矿分布、河流流经区域、主要含水层和隔水层、采煤厚度及采后导水裂隙发育情况等,指出:随着小煤矿的关闭、河道疏浚、浅部地裂缝充填和大矿采掘活动向深部转移,矿井主要水害由大气降水、地表河水和小窑水转化为顶板水;顶板水威胁主要在义马向斜的核部、采深大于700 m的区域,断层尖灭端和断层带富水性较强,顶板突水及其强度与采厚、周期来压关系密切。针对顶板水害,提出了采用"三图—双预测法"对顶板突水的水源、通道和强度做出预测和评价;采用井上下物探方法,圈出顶板疑似富水区,并进行采前预疏放;完善工作面排水系统,提高抗水灾能力等防治水技术。     

范各庄矿5煤层顶板采动变形破坏规律

针对范各庄煤矿5煤层顶板稳定性问题,以范各庄煤矿的大量钻孔资料为基础,结合煤矿顶板的岩性经验分类理论,将范各庄煤矿5煤层顶板合理的分为坚硬型顶板、中硬型顶板和软弱型顶板,并依据相应经验公式计算出5煤层采动后顶板冒落带高度和顶板导水裂隙带高度.研究结果表明:范各庄煤矿5煤层顶板按开采冒落带高度可分为高冒落带、中冒落带、低冒落带以及微冒落带;按开采导水裂隙带高度可分为强导水裂隙带、中导水裂隙带以及弱导水裂隙带。研究初步确定了矿区顶板稳定性特征,为范各庄煤矿5煤层的安全开采提供了数据支持.     

底板隐伏导水断层安全性评价

构造地质断层存在着向工作面底板隐伏延伸的可能性,并成为沟通含水层的导水通道,对工作面的安全性造成影响。为了对底板隐伏导水断层的安全性进行评价,以鲁西南某矿三采区31336工作面为例,通过底板钻探,利用钻孔水压和水温异常定位了隐伏导水通道位置。运用递进导升突水的评价法,认为在回采过程中,隐伏导水断层不会和底板破坏区接通,不需要对导水通道治理也不会发生突水。工作面的安全回采证实了结论的正确性,研究成果对条件类似的工作面具有借鉴作用。     

基于裂纹扩展的含隐伏断层底板突水评价

 为研究承压水上开采时含隐伏断层底板的安全性,根据断裂力学理论建立导水断层活化扩展的理论模型。将煤层底板看做半平面无限体,把底板中含水层顶部以上的隐伏断层建模为有限宽度板条的倾斜边缘裂纹。根据采场底板的支承压力分布规律,将其简化为若干分段线性载荷加载至底板,纳入断层产状、断层在底板中埋深、工作面推进距离、含水层水压、断层面摩擦角等各种参数,推导得到底板内任意一点的应力公式。将其应用到隐伏断层面上各点,综合考虑各点法向应力、剪应力对裂纹活化的影响,计算得到采动条件下断层面上的有效切应力分布。该有效切应力剔除了裂纹面上摩擦效应对压剪裂纹扩展的影响,将其代入断裂力学相关公式,计算得到隐伏断层前缘的应力强度因子,最后通过定义突水安全指数建立了底板突水判据。以某矿带压开采工作面为例,根据相应水文和地质资料,计算得到在工作面推过隐伏断层的整个过程中断层活化突水危险性的变化规律,所得结论与工作面现场微震监测数据相符,即当工作面推进至采空区位于隐伏断层正上方区域时,断层面承受有效剪切最充分,剪切应力强度因子最大,突水安全指数达到峰值,这与现场微震监测结果中显示的在该推进阶段中,原有隐伏断层附近派生裂隙集中出现、突水危险性最高的结果相符合。     

矿井突（涌）水预测及预警研究

为了阐明不同地质条件下煤层底板突水机理,划分了三种突水模式：正常岩层底板突水模式、断层裂隙带突水模式、陷落柱突水模式,尽管模式不同,但都能统一归结为厚板微观压裂导升、薄板宏观整体破断导水两种最基本的突水机理。在宏观预测的基础上,形成了构造及其导水性的预测探查规范程序。在流一固耦合实验研究的基础上,建立了广义三重介质流一固耦合模型,为突（涌）水量预测奠定了基础。把煤矿突水的主控要素转化为灾害发生的监测预警指标体系,应用突水预兆信息原位拾取、适时检测、远程监控和智能判别技术,建立矿井水灾预警的硬件系统和识别系统。     

穿越富水断层带隧洞渗流特性正交模拟分析

为了解决福建某引水隧洞开挖过程中产生的(突)涌水问题,采用FLAC3D软件建立隧洞穿越断层破碎带模型。设计了正交模拟试验对不同围岩岩性、隧道埋深及地下水位3个因素下隧洞穿越断层破碎带过程中的渗流作用进行对比。试验结果表明围岩级别对位移影响最大,隧洞埋深影响次之,地下水位影响最小。在此基础上对隧洞进行不同厚度注浆加固设计,解析解与模拟解均表明防渗和加固效果明显。现场施工采用3 m厚注浆圈,穿越断层带引水隧洞的竖向位移和涌水量均得到了有效控制。     

砂泥互层地层断裂带结构特征及控油作用

通过露头区解剖、三维地震解释、测井曲线识别、岩心观察和薄片鉴定,对松辽盆地杏北油田葡萄花油层砂泥互层地层断裂带内部结构特征进行研究;建立基于测井曲线综合响应的断层破碎带厚度预测模型,进而探讨断裂带结构特征对断层边部剩余油富集和开采的控制作用。结果表明:断裂带由断层核和破碎带两部分组成,其中断层核发育泥岩涂抹的分段生长结构,破碎带发育破碎、滑动和变形3种特征;断层垂向上在葡Ⅰ4小层发生分段,造成系统取心井钻遇3个断点,其中断点1发育砂岩变形带的断层端部破碎带,断点2发育泥岩涂抹的主断层核,断点3发育泥质角砾岩和方解石充填泥岩裂缝的次断层核;断层面两侧随着距断层核距离增加破碎带微构造密度和碳酸盐含量逐渐降低。     

Slip on 'weak' faults by the rotation of regional stress in the fracture damage zone

Slip on unfavourably oriented faults with respect to a remotely applied stress is well documented and implies that faults such as the San Andreas fault and low-angle normal faults are weak when compared to laboratory-measured frictional strength. If high pore pressure within fault zones is the cause of such weakness, then stress reorientation within or close to a fault is necessary to allow sufficient fault weakening without the occurrence of hydrofracture. From field observations of a major tectonic fault, and using laboratory experiments and numerical modelling, here we show that stress rotation occurs within the fractured damage zone surrounding faults. In particular, we find that stress rotation is considerable for unfavourably oriented 'weak' faults. In the 'weak' fault case, the damage-induced change in elastic properties provides the necessary stress rotation to allow high pore pressure faulting without inducing hydrofracture.     

黄陵一号煤矿2号煤层顶板涌(突)水危险性分区预测

在分析黄陵一号煤矿水文地质条件与充水因素的基础上,认为直罗组下段含水层是2号煤层顶板涌(突)水的主要水源。通过经验公式计算与实测冒落带和裂隙带(简称"两带")高度的对比分析,认为经验公式不适合该区开采实际,适合该区的冒采比和裂采比分别为5.7和25.2.以裂采比32为阈值,对矿井中北部2号煤层待采区进行了顶板涌(突)水危险性分区预测,为矿井防治顶板水害提供了依据。     

基于组合赋权法的煤层顶板突水危险性评价

传统的富水性评价中往往采用单一的赋权方法,为准确评价煤层顶板直接充水含水层的突水危险性,提出了一种组合赋权法.首先,在充分分析矿井水文地质资料的基础上,选取岩芯采取率、渗透系数、含水层厚度、脆塑性岩厚度比、砂泥岩互层特征作为富水性评价指标,通过拉格朗日乘子法将层次分析法与熵权法得到的各评价指标权重进行优化组合,得到其组...     

隧道穿越高烈度地震区断层带围岩地震响应分析

考虑地震荷载特征及隧道特点,运用多点同时激振的动力时程分析方法,采用结构面单元与实体单元组合模拟断层带的方法,研究了某穿越断层破碎带铁路隧道在未支护条件下的动力响应特性。分析了沿隧道横向、纵向和竖向激振地震动工况下与断层破碎带接触部位所产生的位移差、加速度放大倍率和屈服单元等。结果表明：结构面单元与实体单元组合合理模拟了断层破碎带的地震响应特性;地震运动引起断层破碎带接触部位产生明显的位移差,横向输入地震动时位移差值最大,达到51.8 mm,而沿纵向和竖向输入时,位移差值仅为横向输入的44.3%和23.1%;同一高程处断裂带的加速度放大倍率明显大于混合花岗岩;断裂带与混合花岗岩过渡段出现明显的剪切屈服区域,且横向、竖向输入地震动时尤其突出;断层破碎带对隧道在地震动作用下的响应规律影响显著,穿越断裂带隧道的断裂带部位与过渡段为抗震设计控制性区域,应深入加强抗震措施研究。     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。