采動(dòng)影響下斷層活化導(dǎo)水?dāng)?shù)值模擬研究-論文.pdf

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1、第11期江蘇科技信息No．1l2014年6月JiangsuScience&TechnologyInformationJune，2014采動(dòng)影響下斷層活化導(dǎo)水?dāng)?shù)值模擬研究王巖生，朱衛(wèi)琴z，張以高s(1．淮安市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，江蘇淮安223001；2．淮安市國土資源局，江蘇淮安223001；3．江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南通216001)摘要：文章通過分析采動(dòng)過程中斷層帶的力學(xué)特征及滲流變化規(guī)律，結(jié)合彈性力學(xué)及裂隙介質(zhì)水動(dòng)力學(xué)知識(shí)，推導(dǎo)出斷層活化導(dǎo)水的必要條件：地下水水壓P大于斷層破碎帶最小主應(yīng)力cr3，斷層的應(yīng)力屏障效應(yīng)導(dǎo)致斷層帶

2、附近出現(xiàn)應(yīng)力集中和高應(yīng)力梯度，這是斷層活化前的一個(gè)明顯特征。數(shù)值模擬結(jié)果一方面反演了2321工作面F4斷層活化導(dǎo)水過程，驗(yàn)證了斷層活化導(dǎo)水必要條件的可靠性；另一方面顯示當(dāng)23133-．作面開挖至距F6斷層面27m時(shí)達(dá)到活化導(dǎo)水臨界狀態(tài)，當(dāng)開挖至距斷層面17m時(shí)F6斷層可能發(fā)生活化導(dǎo)水。關(guān)鍵詞：斷層活化導(dǎo)水；地下水水壓；采動(dòng)影響；最小主應(yīng)力；條件0引言是斷層帶液體壓力大于最小主應(yīng)力(>，)。雖然目前對(duì)于斷斷層活化導(dǎo)水是指在原始狀態(tài)下為不導(dǎo)水或滲透性較弱層活化導(dǎo)水的研究不少，但在斷層活化導(dǎo)水判據(jù)的準(zhǔn)則上，還的斷層，在采動(dòng)過程中，受應(yīng)

3、力重分布的影響，特別是在應(yīng)力沒有統(tǒng)一而準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。釋放過程中，其滲透性發(fā)生明顯變化，繼而成為導(dǎo)水通道。據(jù)某礦目前開采的2313十分靠近F6斷層，其水文地質(zhì)特征文獻(xiàn)[卜2統(tǒng)計(jì)，在全國范圍內(nèi)突水量大于600m’／h的突水案例與F4斷層(2007年曾發(fā)生斷層活化導(dǎo)水，造成該礦2321工中，導(dǎo)水?dāng)鄬右鸬恼?8．7％，采動(dòng)斷層(一般為采動(dòng)作用下活作面突水)十分相似。F6斷層在開采中是否會(huì)活化導(dǎo)水，直接化導(dǎo)水)引起的突水占20％。由于斷層活化引起的突水，具有影響2313工作面開采的安全性。為此，文章通過理論分析，提明顯的滯后性、隱蔽性，一

4、般較難預(yù)測(cè)及防治，是煤礦開采過程出斷層活化導(dǎo)水的必要條件，數(shù)值模擬選取2321工作面及中的主要威脅之一。2313工作面為對(duì)象，對(duì)F4斷層活化導(dǎo)水過程進(jìn)行反演，同時(shí)李曉昭、姜耀東3-4認(rèn)為，在采動(dòng)影響下，斷裂帶往往出現(xiàn)對(duì)2313工作面近F6斷層開采斷層活化導(dǎo)水可能性進(jìn)行論較強(qiáng)烈的附加切向應(yīng)力和圍壓變化，導(dǎo)致構(gòu)造巖體力學(xué)性質(zhì)變證?；辛严兜陌l(fā)展及新生裂隙的產(chǎn)生與張開是斷層變形活化1斷層活化導(dǎo)水理論分析導(dǎo)水的主要原因，工作面距離斷層越近，越容易發(fā)生活化。于斷層活化導(dǎo)水過程是采動(dòng)應(yīng)力與滲流場(chǎng)耦合產(chǎn)生的結(jié)果。廣明、李利平刮將斷層帶物質(zhì)

5、分為彈性介質(zhì)及應(yīng)變?nèi)趸橘|(zhì)在開采過程中，斷層帶介質(zhì)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生新的節(jié)理、裂隙，兩部分，在采動(dòng)影響下，兩者應(yīng)力、應(yīng)變及滲流特征不同，同時(shí)造成介質(zhì)滲流能力增強(qiáng)，使得斷層導(dǎo)水。結(jié)合突變理論，得出斷層活化必要條件：斷層帶內(nèi)彈性介質(zhì)與1．1斷層帶介質(zhì)力學(xué)破壞機(jī)制應(yīng)變?nèi)趸橘|(zhì)的剛度比不大于1。I-萬奎、師本強(qiáng)[-s認(rèn)為，斷采動(dòng)過程中應(yīng)力的“集中一釋放一集中”導(dǎo)致斷層帶介質(zhì)內(nèi)層的破壞形式與斷層的傾角有很大關(guān)系，隨著斷層傾角的增大應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)，使得斷層帶介質(zhì)遭受破壞[12-14]。斷層帶介及工作面的推進(jìn)，斷層發(fā)生剪切、拉張破壞，同時(shí)斷層

6、越易活質(zhì)在采動(dòng)應(yīng)力變化過程中的破壞主要體現(xiàn)為：①在附加剪應(yīng)力化。Gudmundsson，AE9-10認(rèn)為，斷層活化導(dǎo)水應(yīng)滿足2個(gè)條件：作用下，原始張性或剪切裂隙被再次拉張，或直接形成新的拉張、剪應(yīng)力的集中將使得斷層活化，同時(shí)產(chǎn)生大量新裂隙，或使張或剪切節(jié)理；附加剪切應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，造成斷層兩盤得原有裂隙張開，從而使得斷層帶及其附近區(qū)域的滲透能力增滑移。②在附加法向應(yīng)力作用下，產(chǎn)生壓剪破壞。隨著開挖面到強(qiáng)；斷層帶的走向必須同地下水水力梯度方向平行。Henri斷層距離的縮短，由于斷層的“屏障效應(yīng)”]，最小主應(yīng)力顯著Leel~re根

7、據(jù)有效應(yīng)力比值、靜摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力，將斷層增加，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象和較高的應(yīng)力梯度，造成斷層面方向與周邊應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)合情況分為有利的、不利的和完全混帶介質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度減弱，產(chǎn)生大量新的微觀節(jié)理、裂隙。由于斷層亂的3類。其中在第3類中，發(fā)生斷層活化導(dǎo)水的唯一可能性帶介質(zhì)的力學(xué)強(qiáng)度不斷減弱，斷層“屏障效應(yīng)”逐漸消失，應(yīng)力作者簡(jiǎn)介：王巖生(1984一)，男，河北隆化，助理工程師；研究方向：水文地質(zhì)。一15—20第141年1期6月江蘇科技信息·技術(shù)探討No．11June，2014集中現(xiàn)象逐漸消失，最小主應(yīng)力逐漸減弱，使得斷層帶內(nèi)孔隙、薹[

8、eoE+4n(1一)(p一，)](2)裂隙張開，從而為斷層活化提供了良好的導(dǎo)水通道。式中：1．2斷層帶介質(zhì)滲流特征△e一張開度增加量；采動(dòng)引起斷層帶應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)出“集中一釋放一集中”的周期一巖體彈模；性變化。而斷層帶介質(zhì)的滲流特征說明了應(yīng)力場(chǎng)的這種變化。"一泊松比