超前帷幕注浆技术在蔡园煤矿导水断层治理中的应用

蔡园煤矿中部发育一条走向近NW向的正断层,对开采12煤层有影响,在分析断层特征及水文地质条件基础上,采用超前帷幕注浆技术对断层破碎带进行了加固,并对影响断层富水性的灰岩含水层进行了预注浆封堵,实现了对断层破碎带加固、堵水的双重效果,达到了巷道围岩加固及含水层改造的双重目的,保证了巷道的安全通过。     

超前探测及预注浆技术在巷道工程中的应用

本文结合巷道过断层的实例,总结了断层破碎带等不良地质体超前探测和断层破碎带宽度较大、坍塌、涌泥、涌水严重情况下的预注浆加固堵水,通过调整注浆参数、改变注浆顺序、调整注浆浓度和控制注浆压力等方法,可使预注浆加固取得更好的效果。     

崔家冲隧洞软弱围岩注浆工法的研究应用

长沙引水及水质环境工程崔家冲隧洞要穿越区域性高棱山压扭性断层F86,断层宽度达100余米,长度达1000余米,洞顶以上地表覆盖层达110 m,其规模为同类工程所罕见。由于断层破碎带岩体强度低,透水性好,穿越断层破碎带洞段的施工成为工程建设中的重点和难点。所以隧洞在施工过程中需采用多种方法穿越众多的不良地质段。主要介绍和探讨了该隧洞穿越F86断层破碎带所采用的超前预注浆技术、超前支护技术及长管棚施工技术,为今后在类似工程中提供施工借鉴。     

管棚支护及注浆技术在-380石门过刘桥断层中的应用

刘桥断层位于刘桥一矿东北侧,落差110～210m,通过钻探揭露、物探探查、流量测井技术,对刘桥断层破碎带的富、导水性进行了研究,在-380石门巷道过刘桥断层前进行了管棚支护及预注浆加固工程,以及在巷道过刘桥断层过程中,采取了一系列行之有效的掘进支护措施,确保了-380石门巷道安全通过刘桥断层。     

矿山采动垮塌机理及隐患结构探查

为了实现地下矿山采动垮塌区域边缘矿体的安全回采,首先采用数值模拟方法进行采动垮塌机理研究,确定垮塌区域大致范围,然后在垮塌区边缘矿体内部掘进巷道对隐患结构进行超前探测,进一步探明隐患结构分布情况,最后通过钻探对数值模拟和超前探测结果进行验证并注浆加固.研究表明:采空区两帮为充填体、上部为矿体时,其采动垮塌破坏机理可以概括为"两帮下部三角形平动-两帮上部圆弧形转动-顶板楔形垮塌-两侧采场条形滑移-上部采场整体下沉".通过对数值模拟、超前探测和钻孔验证的综合运用,可以实现对垮塌区域隐患结构的精确探查和控制.     

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

断层附近地应力扰动带宽度及其影响因素

在建立正断层模型的基础上,利用三维有限元数值模拟方法研究了断层附近地层中的地应力变化规律。其结果表明,由于断层活动,在断层附近普遍发育应力扰动带;在应力扰动带范围内,地应力方向和大小发生明显的变化,断层中部附近应力值普遍较低,而断层端部的应力值通常异常增大。应力扰动带的分布范围主要受断层规模的控制,与断裂带的岩石力学性质、断层走向、断层面形态和边界应力条件等因素也密切相关。随断层长度和断距逐步增大,应力扰动带的宽度相应增加。断裂带的岩石越破碎,其岩石弹性模量越低,断层对地应力的影响宽度越大。断层走向与区域最大水平主应力方向越接近垂直、断距与断层长度的比值越大,区域内的差应力越大,则扰动带宽度与断层规模的比值也越大。选择渤海湾盆地BZ-X油田进行验证,在建立油田实际三维地质模型基础上,根据边界应力条件,利用三维有限元方法对沙河街组二段的地应力分布进行了数值模拟计算。根据断层周围的地应力变化,确定了应力扰动带的分布范围,断层附近应力扰动带宽度的分布规律与正断层模型分析结果相一致。      

采动影响下软岩巷道破坏机理及控制

以淮北某煤矿109轨道大巷为研究对象,构建采动影响下大巷破坏的弹塑性力学模型,从而得出巷道围岩内表面的位移解。对轨道大巷进行“锚杆注浆”,通过现场实测,得出“锚杆注浆”能提高破碎围岩的强度,改善岩体的性质,有效控制围岩的变形。对采动影响下巷道围岩变化机理以及巷道围岩应力变化进行系统分析,为该矿后续巷道支护以及相近条件下巷道的治理提供了借鉴。      

软岩巷道锚注支护时机优化研究

锚注支护技术是维护软岩巷道围岩稳定的一种有效方式,支护时机的选择对巷道支护效果具有很大的影响。根据对破裂软岩注浆加固后的力学特性分析,运用FLAC2D软件的应变软化本构模型,对软岩巷道最佳锚注支护时机进行了数值模拟优化分析,结果表明：随着注浆时机的滞后,浆液在围岩中的流动渗透范围逐渐增大,但注浆加固后的围岩强度却逐渐降低,巷道围岩变形表现出“先减小、后增大”的趋势。据此,提出了一种综合运用数值模拟优化和现场监测确定巷道最佳锚注支护时机的方法,并应用于工程实践,取得了良好的效果。研究成果对软岩巷道锚注支护施工和设计具有指导意义     

超前自进式锚杆对断层角砾岩隧道稳定性影响研究

对于强风化断层角砾岩隧道,超前支护时易出现卡钻及难以成孔等问题,隧道开挖易引起掌子面坍塌,造成安全隐患。为解决断层角砾岩隧道超前施工难题,结合北京玉渡山隧道自进式中空注浆锚杆超前施工技术的成功应用,阐述了在断层角砾岩隧道施工中自进式中空注浆锚杆代替普通超前小导管作为超前支护的施工优点,并结合现场情况建立了断层角砾岩隧道力学模型对围岩塑性区进行分析。通过分析得出：合理增加断层角砾岩隧道初始支护强度可以一定程度上抑制隧道围岩塑性区的扩展,提升围岩稳定性。针对该情况,通过试验对比确定了自进式锚杆合理的支护参数与注浆压力。并根据掌子面开挖后超前支护效果验证了上述参数的合理性,为同类地层提供参考依据。     

不同尺度岩体结构面对页岩气储层水力压裂裂缝扩展的影响

储层岩体中的天然结构面对水力压裂缝网改造具有重要的影响。本文采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩体非均质性和岩体渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对不同尺度天然结构面影响的水力压裂裂缝扩展与演化行为进行了模拟分析和讨论,研究结果表明:（1）当水力裂缝遇天然非闭合裂隙时,在水力裂缝靠近非闭合裂隙区间形成拉张应力区,水力裂缝与区间非闭合裂隙间微元体累进性张拉破坏是导致水力裂缝与非闭合裂隙贯通的主要机制;（2）层理等优势结构对水力压裂裂缝扩展及缝网形态影响十分显著,当最大主应力方向与层理面走向小角度相交时,层理结构面对水力裂隙的扩展起主要作用,当最大主应力方向与层理面走向大角度相交时,最大主压应力与层理面共同对缝网扩展起主导作用,随着优势结构面的增多和差应力的增大,水力压裂形成的缝网范围和复杂性程度随之增大;（3）储层水力压裂是一种局部范围内的短暂动力扰动过程,尽管断层的存在可以极大地影响水力裂缝的扩展模式,增大水力裂隙扩展高度,但相比于储层埋深,水力压裂对断层封闭性的破坏范围和断层活动性的扰动程度十分有限。     

动静组合作用下刀具破岩机制数值分析

基于细观损伤有限元方法,模拟分析了刀具在单一动载、动静联合荷载、静态围压条件下动静联合荷载3种情况下岩体破碎的全过程。模型采用黏弹性人工边界剔除了边界应力波反射对模拟结果准确性的影响。数值模拟结果表明：在弹性情况下,静压的存在对岩体内部最小主应力值影响不大,却显著提高了材料内部最大主应力水平,增大了剪应力的大小,导致剪切破坏可能性增加;当有围压存在时,岩体内部受拉区域减少,岩体强度有所提高。单一动载和动静联合荷载破岩时,岩体内部除刀头附近呈现少量压破坏外,破坏均以拉破坏为主;而围压条件下,岩体破碎面积相对减小,裂纹在围压的作用下向两侧自由面延伸,岩体内部破坏形式则趋于多样化,压破坏比重明显增大,整体表现为拉压复合作用。模拟结果还表明,刀头侵入量主要受动载力大小影响,在相同幅值增量下,动载力增加导致的刀头侵入量远大于静压增加所导致的侵入量。相对单一动载和静压作用下的岩石破碎机制来说,动静组合加载破岩的研究还需更为深入的探讨。研究结果可望对岩体破坏机制以及地下工程作业等实际应用提供一定的参考。     

断层内部结构及其对封闭性的影响

先前的研究多考虑断层封堵和开启的2种极端状态,近来的研究认为,在多数情况下断层处于2种之间的状态,只有在静止期具有封闭能力的断层,才有可能对油气起封堵作用。分析断层对流体运移的影响,需要分析断层在演化过程中的内部结构特征。断层可以划分出破碎带、诱导裂缝带和围岩3部分,断层岩和伴生裂缝构成破碎带的主体部分。常见的断层岩包括断层角砾岩、断层泥和部分碎裂岩,它们充填在断层裂缝空间中,断层内部结构受断层形成时的构造应力性质、断层活动强度和围岩岩性因素的控制。从动态角度看,随着断距增加,断层活动伴随着裂缝的发育和岩石的破碎混杂,可用泥质源岩层厚度和断距的比值来划分不同的发育阶段。断层活动期为油气运移通道,在静止时表现出差异性的封闭,通常用断层渗透率和排替压力2个参数来定量评价断层的封闭程度。断层岩渗透率主要受断距、泥质含量、埋深等因素的控制;断层排替压力的预测方法有2种:一种是从断层岩成岩角度分析的"等效埋深法",另一种是分析实测排替压力与主控地质因素的"拟合法"。通过简化的断层模型,建立了渗透率、排替压力与主控因素的预测关系。和储层类似,流体在断层中的运移遵循多孔介质的渗流特征。利用断层两侧的流体压力和油气柱高度并不能直接评价封闭性能,还必须考虑油气充注史和流体压力变化历史。     

塔中地区构造应力场数值模拟研究

构造应力场研究对于油气运聚分析及储层特征描述具有重要的理论和实际意义。本文根据塔中隆起断裂特征及其演化史,结合钻井资料,选择中下奥陶统碳酸盐岩为主要研究对象,应用大型有限元分析软件ANSYS,在处理断层问题时运用非连续的接触算法,模拟了中奥陶世末、中泥盆世末、三叠纪末、新近纪末的构造应力场,研究了该区不同时期的古应力分布特征。研究表明,最大主压应力受东部车尔臣-星星峡走滑断裂影响显著,在隆起区沿断裂带呈条带状低值分布,在不同时期塔中Ⅰ号断裂带无一例外地位于最大主压应力的最低区,反映了塔中断裂带尤其是塔中Ⅰ号断裂带是油气运移的有利指向区。最小主压应力沿断裂带呈条带状高值分布,在断裂的上盘、断裂走向发生变化和断裂的倾末端是张应力高值区,为张裂缝发育的重要构造部位。最小主压应力和最大剪应力受车尔臣-星星峡走滑断裂的影响明显减弱。     

现今地应力对富有机质页岩断层封闭性的研究——以川东南丁山地区龙马溪组为例

断层的封闭性研究对油气藏的保存、评价工作及探索油气的分布规律具有重要的参考价值与指导意义。以川东南丁山地区龙马溪组页岩为例,利用FMI成像测井、震源机制解、现场水力压裂、三轴力学实验、有限元2D-σ方法等技术与方法分别对其现今地应力的方向、大小及岩石力学性质进行了分析,最后对井位附近断层封闭性进行了初步的评价。结果表明:丁山地区龙马溪组页岩现今地应力方向总体处于北东东-南西西（55°±5°）至南东东-北西西（110±5°）范围。DY2井龙马溪组页岩层现今最大主应力约145.0 MPa,断层面叠合正应力约188.4~218.3 MPa,岩石处于塑性变形阶段,破裂模式较为单一,脆性指数约41.6%~49.0%,破裂系数约0.197~0.355,断层封闭性总体较好,含气性与试气效果较好。DY1井龙马溪组页岩层现今最大主应力约52.0 MPa,断层面叠合正应力约75.8~83.1 MPa,岩石处于弹性变形阶段,破裂模式较为复杂,脆性指数约48.5%~55.0%,破裂系数约0.355~0.671,断层封闭性总体较差,含气性与试气效果较差。DY3井和DY4井龙马溪组附近断层封闭性一般。      

煤巷断层区顶板破断机制分析及支护对策研究

针对断层区煤巷顶板破断问题,分别建立了正断层和逆断层构造区的顶板弹性深梁力学模型,研究了顶板应力分布规律,并以Mohr-Coulomb破坏准则为判据,分析了不同顶板压力、支护强度、跨高比等因素下的顶板破断机制。理论分析表明,顶板深梁最大有效剪应力随跨高比增大而增大;其随跨高比不同而呈现出3种不同破断模式;穿越断层的巷道在断层区域应尽早使用强力支护系统,提高支护强度;穿越正断层的巷道在断层面附近应当提高护表效果。根据理论分析结论提出,在煤巷断层区使用让压型锚索箱梁支护系统,可对顶板围岩进行及时强力支护,实现“先控后让再抗”,既能有效发挥支护系统作用,又能充分发挥围岩自承能力。上述支护对策应用于巨野矿区断层区煤巷支护方案设计中,有效防止了顶板事故的发生,验证了理论分析的正确性。     

Numerical investigation of groundwater outbursts near faults in underground coal mines

Permeable geologic faults in the coal seam can cause intermittent production problems or unexpected amounts of groundwater outburst from the underlying aquifers. With the acknowledgment of the basic mechanism for groundwater outbursts, the groundwater outburst along the fault zones in coal mines are numerically investigated using RFPA, a numerical code based on FEM. The fracture initiation, propagation, and coalescence in the stressed strata and the seepage field evolution in the stress field are represented visually during the whole process of groundwater outburst. The numerically obtained damage evolution shows that the floor strata could be classified as three zones, i.e. mining induced fracture zone, intact zone and fault reactivation zone, in which the intact zone is the key part for resisting groundwater outburst and directly determines the effective thickness of water-resisting rock layer. With understanding of the evolution of stress field and seepage flow in floor strata, the groundwater outburst pathway is calibrated and the transformation of floor rock mass from water-resisting strata to outburst pathway is clearly illuminated. Moreover, it is shown that geometrical configuration, including inclination angle of faults and seam drop along faults, have an important influence on groundwater outburst. Finally, based on geological, hydrogeology survey and numerical results, the mechanism analysis of groundwater outburst in an engineering case is studied, which can provide significantly meaningful guides for the investigation on mechanism and prevention of groundwater outburst induced by faults in practice.     

The nature and origin of off-fault damage surrounding strike-slip fault zones with a wide range of displacements: A field study from the Atacama fault system, northern Chile

Damage surrounding the core of faults is represented by deformation on a range of scales from microfracturing of the rock matrix to macroscopic fracture networks. The spatial distribution and geometric characterization of damage at various scales can help to predict fault growth processes, subsequent mechanics, bulk hydraulic and seismological properties of a fault zone. Within the excellently exposed Atacama fault system, northern Chile, micro- and macroscale fracture densities and orientation surrounding strike-slip faults with well-constrained displacements ranging over nearly 5 orders of magnitude (0.12 m–5000 m) have been analyzed. Faults have been studied that cut granodiorite and have been passively exhumed from 6 to 10 km depth. This allows direct comparison of the damage surrounding faults of different displacements. The faults consist of a fault core and associated damage zone. Macrofractures in the damage zone are predominantly shear fractures orientated at high angles to the faults studied. They have a reasonably well-defined exponential decrease with distance from the fault core. Microfractures are a combination of open, healed, partially healed and fluid inclusion planes (FIPs). FIPs are the earliest set of fractures and show an exponential decrease in fracture density with perpendicular distance from the fault core. Later microfractures do not show a clear relationship of microfracture density with perpendicular distance from the fault core. Damage zone widths defined by the density of FIPs scale with fault displacement but appear to reach a maximum at a few km displacement. One fault, where damage was characterized on both sides of the fault core shows no damage asymmetry. All faults appear to have a critical microfracture density at the fault core/damage zone boundary that is independent of displacement. An empirical relationship for microfracture density distribution with displacement is presented. Preferred FIP orientations have a high angle to the fault close to the fault core and become more diffuse with distance. Models that predict off-fault damage such as a migrating process zone during fault formation, wear from geometrical irregularities and dynamic rupture are all consistent with our data. We conclude it is very difficult to distinguish between them on the basis of field data alone, at least within the limits of this study.     

Strength degradation and anchoring behavior of rock mass in the fault fracture zone

Rock mass in the fault fracture zone has some characteristics such as low strength and poor self-stability, so the control mechanism of stability has been a difficulty in the research of underground engineering. A set of laboratory simulation method of fault fractured rock mass is developed to reflect the natural forming process of fault fracture zone. Compared with intact rock mass, the fault fractured rock mass has an obvious degradation in strength and deformation parameters, and the degradation index is between 22.79 and 84.06%. The bolt has a certain supporting effect on the fault fractured rock mass, and in the situation of end anchoring, the greater the pretightening force is, the better the enforcement effect will be. The stress field produced by high pretightening force can relieve the stress concentration around the bolt hole and make the initial cracks of rock mass away from the bolt plate. The evolution curve of bolt axial force in the process of uniaxial compression of large-scale specimen shows four stages, which are the initial compression stage, pre-peak joint load-bearing stage, post-peak joint load-bearing stage and the residual stage. Research results could provide some theory reference for the stability control of rock mass in the fault fracture zone.     

高地应力条件下爆破开挖诱发围岩损伤的特性研究

高地应力条件下隧道或硐室钻爆开挖需考虑初始地应力动态卸荷效应,同时其最终损伤形态会受多个因素影响。采用三维有限差分软件FLAC3D讨论了爆破荷载与地应力动态卸荷复合作用下隧道围岩损伤分布,并重点研究了侧压力系数、岩体力学性质、卸荷速率对围岩损伤范围的影响,最后通过赣龙铁路梅花山隧道开挖损伤区检测结果进行了验证。研究表明,考虑动态卸荷效应的围岩损伤范围明显大于只考虑爆破荷载作用下的围岩损伤范围,在中高地应力条件下,初始地应力动态卸荷对围岩的损伤破坏作用不可忽视;随着侧压力系数逐渐增大,损伤区形态呈现明显的方向性,当侧压力系数为1时,损伤区沿开挖轮廓面分布较为均匀,侧压力系数不为1时,损伤区主要向小主应力方向集中;岩石力学性质越好,损伤范围越小;卸荷速率越快,围岩损伤范围越大,但影响并不十分显著。结果可为高地应力下隧道开挖稳定性分析和支护设计提供一定参考。