三种应力的断层阻隔效应的数值模拟研究——以正断层下盘开采为例

断层附近应力分布研究对于断层错动诱发的天然地震、矿震等地质灾害的机理分析及预防具有重要意义.断层具有软弱、破碎的特点,会阻碍采动应力的传播,这将增加断层滑移和煤体冲击的危险.为了探究断层阻隔效应,以兖矿集团济三煤矿6303工作面地质条件为背景建立FLAC~(3D)数值模型并计算.模型中包括13个岩层和1个45°倾角的正断层.采用界面单元模拟断层接触面和岩层接触面.获得了工作面推进过程中,垂直、水平和剪切应力的时空分布规律.通过考察断层附近煤层的应力差和断层下盘应力高值区的尺寸及应力增量,评价断层阻隔效应强弱.当工作面煤壁距断层水平距离为40～50 m时,工作面煤壁附近垂直、水平和剪切应力的高值区临近断层且受断层阻隔效应影响.随着工作面向前推进,上述高值区逐渐向断层上盘扩展.当工作面煤壁距断层水平距离相同时,断层对煤层垂直、水平及剪切应力的阻隔效应通常依次减弱;当其由50 m减至20 m时,断层阻隔效应增强.煤层垂直和水平应力最大值或工作面煤壁距断层水平距离为20 m和30 m时靠近工作面煤壁的峰值通常分别位于工作面煤壁前方10.5 m和11.5～13.5 m;剪切应力最大值位于工作面煤壁前方11.5～14.5 m.     

孤岛工作面动力灾害预防控制方法研究

为研究孤岛工作面安全开采方法,理论分析其动力灾害多发的岩层运动及应力条件,并提出其安全开采的准则。认为只要合理设计开采参数,就可以避免孤岛工作面动力灾害的发生。分析表明:孤岛工作面长度大于相邻工作面支承压力影响范围之和时,孤岛工作面支承压力无法叠加,工作面较安全;相邻工作面长度大于关键层断裂步距时,覆岩关键层可充分塌垮,孤岛工作面无动压冲击危险;在稳定的内应力场开掘回采巷道时,回采巷道无冲击危险。     

煤矿冲击地压的微地震监测研究

为了研究煤矿冲击地压与岩层在三维空间破裂之间的关系,进而探索依据岩层破裂规律预测和预报冲击地压的可能性,文中采用自行研制的防爆型微地震定位监测（MS）系统,基于定位原理,监测了山东华丰煤矿冲击地压煤层（四层煤）及其解放层（六层煤）开采过程中的岩层破裂过程和二次应力场分布变化的过程,得到了如下结论：冲击地压的发生与岩层破裂密切相关,四层煤下顺槽处于六层煤顶板破裂区的外边缘时,正处于高应力区内,在此处掘进容易引发冲击地压,必须将六层煤下顺槽位置向实体煤侧移动20 m以上,或将四层煤下顺槽位置内移20 m以上,才能消除四层煤的冲击地压;六层煤和四层煤开采时,工作面前方断层活化的距离分别为250 m和350 m左右,根据这一距离,及时对断层带进行卸压处理,可以消除由断层带引发的冲击地压;监测显示了工作面周围岩层的三维破裂形态和范围,为矿井确定防水煤柱的高度提供了可靠的依据;监测证明了厚层砾岩的破裂、断层活化、采场附近关键层的破裂是引起冲击地压的主要原因,证明了所研制的硬件和定位软件具有较高的精度和实用性,可以在煤矿和边坡、隧道等领域应用.     

煤矿煤层开采对底板岩层的破坏规律与水害预防治理

煤炭资源是我国的主要能源,一直以来,煤炭的开采受到多种矿井地质灾害的威胁,其中最大的安全问题就是煤层底板破坏和矿井突水事故。底板突水的实质是下伏承压水沿底板岩层内部的通道突破隔水层的阻隔涌入到采掘工作面,是地下水和底板岩层相互作用的结果,隔水层的阻抗性能十分重要的,因此研究开采矿压对底板的破坏尤为重要。煤炭开采对底板岩层的破坏是有规律可循的,本文探讨了煤矿开采对煤层底板岩层的破坏规律以及煤矿开采水害的预防治理。     

利用谱元法研究震源参数对于近断层地震动上盘效应的影响

国内外已有诸多学者基于强震记录或数值模拟方法开展了近断层地震动的上盘效应分析,并获得了初步的认识,但上盘效应随震源参数的变化规律仍有待深入探讨。本文使用运动学有限断层震源模型,运用高精度谱元法模拟逆断层破裂模式下近断层区域地震动,对比上、下盘地震动差异进而分析近断层地震动上盘效应。通过改变单一震源参数,研究断层上界埋深、震级大小以及断层倾角对地震动上盘效应的影响规律。研究结果表明：（1）使用运动学有限断层震源的谱元法数值模拟可以较好地反映近断层上盘效应;（2）上盘效应随测点到断层上界在地表投影的水平距离Rx的增加先增大后减小,最终趋于稳定。（3）上盘效应随断层上界埋深的增加先增大后减小,且随着断层上界埋深的增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展。（4）上盘效应受矩震级影响较小,但总体随矩震级的增大而增大;上盘效应峰值区到断层破裂迹线的距离不随矩震级的变化而变化。（5）随着断层倾角的增加,上盘效应先增大后减小,当断层倾角为45°时上盘效应最为明显;随着断层倾角增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展;当断层倾角为90°时不存在上盘效应。     

煤矿采动与地震联合作用下建筑物损伤演化致灾分析

针对煤矿采动区建筑物的地震损伤演化过程尚不明晰的问题,考虑到煤矿采动与地震联合成灾机制的复杂性,基于损伤力学理论,采用地震工程学和开采学理论,建立煤矿采动损害影响下的建筑物动力损伤判据,探讨煤矿采动与地震联合作用下建筑物损伤演化灾变过程,通过有限数值计算分析煤矿采动建筑物地震动力破坏的损伤成灾机制。结果表明:"联合作用"能够更好的描述煤矿采动与地震对建筑的破坏作用,煤矿采动损害影响下建筑物的次生损伤与其应力成反比,煤矿采动加剧了建筑的地震动力响应,所产生的次生损伤不断发展演化,导致建筑物的薄弱层位置形成塑性铰,严重削弱了建筑物的抗震性能。     

基于速率-状态依赖摩擦定律的平直走滑断层黏滑过程的连续-非连续方法模拟

鉴于利用传统的库仑摩擦定律不能很好地模拟断层黏滑过程,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,引入了速率-状态依赖摩擦定律.开展了双轴压缩条件下平直走滑断层黏滑过程的数值模拟研究,得到了下列结果.在一次黏滑中,岩样上端面平均差应力的绝对值-时步数目曲线可被分为近似线性阶段、偏离线性阶段和软化阶段,...     

中国东部煤矿深部开采中的地质勘探技术

中国东部煤矿已经进入深部开采阶段,高产高效矿井要求查明煤层中落差5m左右的断层、幅度5m左右的褶曲、陷落柱和采空区的空间分布形态,同时查明与水文地质条件密切相关的煤层顶、底板岩性.本文概述了煤矿深部开采中的地质勘探技术,给出了利用不同勘探方法查明地质构造、岩溶裂隙发育带的应用实例,指出煤矿深部开采地质勘探技术的发展方向是将地球物理方法、基础地质勘探手段与地理信息系统技术进行有机结合.     

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识：（1）铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.（2）龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20 km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.（3）在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.（4）地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.（5）应变能密度增量的演化图像分为：震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.（6）地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.     

基于微震监测的采动工程效应及矿震孕灾机理

为研究煤矿开采引发的工程效应及其对矿震的控制作用,以东滩煤矿为工程背景,基于微震监测数据,分析微震震源分布与垂直应力二次分布和超前支撑压力分布的关系,划分了顶板冒落袋和裂隙带高度.结果表明:震源点随工作面开采主要集中在裂隙带和应力升高区,且震源先是在老顶集聚,然后逐渐向上发展,开采过后又恢复到老顶附近;微震频次与支撑压力分布趋势基本一致,微震能量峰值相对支撑压力峰值具有一定的滞后性,采用公式Y_E=M_E+Δd表示;微震监测揭示的覆岩冒落带和裂隙带高度分别为37.8 m和95 m.研究结果采用了数值模拟进行验证.最后运用Burgers模型阐述了矿震孕育的应力、应变、应变速率及能量的变化机理.     

地表水体对断层应力与地震时空分布影响的综合分析——以紫坪铺水库为例

为系统研究水库对附近地区地震活动的影响,提出了一个综合分析地震活动性与水库蓄水引起的应力变化的方法并开发了通用性较强的软件。以紫坪铺水库为例,对水库引起的应力变化与库区附近地震活动性变化的关系进行了详细分析。一方面,定量地分析了水库蓄水过程在附近断层附加的库仑应力变化;另一方面,用紫坪铺水库地震观测台网的地震目录,对包括地震发生频度、能量释放速率、b值、空间相关距离等统计参数的时间演化进行了详细解析。数值计算结果发现,无论是荷重还是孔隙压的扩散都在被认为是汶川大地震发震断层的映秀-北川断层和灌县-江油断层的库区下伏段引起了明显的库仑应力变化。地震活动统计特性的时间演化与主要断层的应力变化之间存在明确的且符合岩石力学破坏准则的相关性。据此,初步认为紫坪铺水库在其蓄水过程中对其地下的龙门山中央断层和山前断层有明显的作用     

速率-状态依赖摩擦定律引入连续-非连续方法的检验及断层倾角的影响

断层黏滑是一种摩擦失稳,能够诱发地震、矿震等诸多地质灾害.目前,断层黏滑(包括断层亚失稳)研究,主要集中在实验方面和基于连续方法或非连续方法的数值模拟方面.为了弥补连续方法和非连续方法各自的不足,一些兼具二者优势的连续-非连续方法应运而生.为了检验引入速率-状态依赖摩擦定律的自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的正确性并探究断层倾角对断层黏滑的影响,首先,模拟了滑块-底板模型的滑动-保持-滑动实验;然后,模拟了双轴压缩岩样的断层倾角的影响,重点考察了断层黏滑过程中亚失稳阶段摩擦系数的演化规律.研究发现,随着断层倾角的增大,岩样上表面平均差应力的绝对值-时步数目曲线的锯齿形由规则向不规则变化;初次黏滑发生时的时步数目、平均应力降、平均黏滑周期和平均峰值应力均减小.当断层处于黏滑前阶段时,断层面各处的摩擦系数和剪应力相差较小.当断层进入亚失稳阶段后,断层面上摩擦系数的平均值下降速度加快,这可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一.引入速率-状态依赖摩擦定律后的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的断层黏滑结果能与现有结果（例如,断层黏滑实验结果）基本吻合,但更加丰富,这在一定程度上...     

大寒岭倒转背斜复杂煤层结构冲击地压研究

受大寒岭倒转背斜的影响,大安山煤矿14槽煤后槽形成了极为复杂的煤层结构,其轴部及附近和两翼形成的急倾斜煤层是高应力区,具有冲击倾向性。首先用ANSYS有限元软件建立了包括复杂煤层结构在内的矿山模型,利用单元生死技术模拟轴部及右翼开挖;在此基础上,分析了采场围岩的应力场和位移场,圈定了冲击地压发生的危险区域,分析了冲击地压发生的机理;预测了14槽煤后槽开采的冲击倾向性,并指出在实际开采时,必须采取防冲措施,为避免冲击地压事故的发生提供了技术支持,具有一定的参考价值。     

注浆加固与含水层改造底板采动效应孔巷电阻率CT探测研究

底板注浆加固与含水层改造是承压水体上煤层安全开采底板岩溶水害防治的有效方法之一.为了评价注浆加固和含水层改造底板的采动效应特征.以皖北恒源煤矿Ⅱ615工作面为研究对象,采用孔巷电阻率CT法,按照采动底板活动规律设计观测方案.进行了注浆底板破坏深度的动态电阻率CT探测试验.获得了Ⅱ615工作面底板强破坏带深度为8.0 m.裂隙带深度为14.0 m以及煤层底板采动裂隙演化过程的电阻率响应特征.结果表明:孔巷间电阻率的变化较好地反映了底板岩体的受力状态、结构变化以及破坏程度,探测结果直观准确;注浆后底板采动影响范围和破坏深度均减小,反映了注浆后底板抗破坏能力增强,提高了承压水体上煤层开采的安全性.     

汶川Ms8.0地震灾害的非对称分布与成因分析

在汶川Ms8.0地震中,地震灾害在灾区相对于发震断层,呈现各种非对称分布.断层高角度逆冲诱发的崩塌、滑坡的规模与数量在断层上盘区远远高于断层下盘区,在垂直断层方向,高烈度区断层上盘宽度往往大于下盘宽度,上述不对称性反映了逆断层型地震存在加速度峰值的上盘效应;而在破裂的传播方向存在的地震波多普勒效应则造成沿长轴方向东北部...     

山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究

采用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西省的晋城、潞安、汾西、华晋、阳泉、平朔、大同等矿区,完成了160个测点的地应力测量,测点地质条件涵盖了山西省煤矿大部分条件.基于实测数据,分析了地应力与测点埋深的关系,不同深度条件下煤矿矿区井下地应力状态;绘制出山西省煤矿矿区井下地应力分布图,并与震源机制解的分析结果进行了比较,得出山西省煤矿矿区井下地应力场分布特征与变化规律.煤矿井下水平应力总体上随着埋深增加而增大,但由于各矿区地质条件差异较大,导致地应力测试数据离散性也较大;埋深小于250 m的岩层应力状态主要为σ_H>σ_h>σ_V型,埋深处于250~500 m的岩层应力状态以σ_H>σ_V>σ_h型为主,埋深较大的矿区主要为σ_V>σ_H>σ_h型;最大水平主应力与垂直主应力的比值绝大部分集中在0.5~2.0之间,而且随着埋深增加,侧压比呈现减小的趋势,并向1附近集中;最大水平主应力与最小水平主应力的比值主要集中在1.5～2.0之间;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于0.5～1.5,尤以0.5～1.0之间最多;山西省煤矿矿区从北到南,最大水平主应力方向发生了较大变化.北部最大水平主应力方向为NE,往南发生偏转到NNW;靠东部与西部偏向NW;靠东南部出现了多变的方向.井下实测数据与震源机制解相比在部分区域一致性较好,而在另一些区域存在明显的差异.特别是在受较大地质构造影响的区域,水平主应力方向往往发生明显的扭转和变化.     

水库诱发地震时空演化与库水加卸载及渗透过程的关系 ——以紫坪铺水库为例

为了解水库蓄水过程中,水库诱发地震活动的动态响应机制,本文建立了针对水库诱发地震(Reservoir-induced seismicity,RIS)定量化研究的数理模型,并以紫坪铺水库为例,对库区地质构造及水文地质结构条件、水库蓄水后库区小震活动时空演化特征进行了详细的研究.在此基础上,利用有限元方法计算了水库蓄水过程中弹性附加应力场、有效附加应力场、孔隙压力和断层稳定性的动态变化,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系.结果表明:(1) RIS诱发机制的定量化模型可分为2个层次:一是以孔隙介质为载体的流体渗流对岩体变形和稳定性的影响,由流-固耦合形式的岩体变形与孔隙渗流模型进行描述;二是对断层相关的RIS定量研究可将水库附加水头压力沿断层面(区)的扩散与断层库仑应力变化联系起来.两种形式模型方法的结合能为RIS定量研究提供一个相对宏观的力学框架;(2) 断裂渗透结构对孔隙压力变化下断裂的力学响应具有重要的影响,研究区主干断裂可能属于一种上盘破碎带导水、下盘地层及断层核阻水的"下阻上导型"的渗透结构类型,不同程度的具有使地表水体向深部渗流的通道性.库区深部岩体渗透稳定性的差异在很大程度上导致了诱发地震活动对岩性条件的依赖.(3) 紫坪铺水库蓄水后,小震活动在空间分布上呈现出条带状分布、丛集分布和地震迁移的特点,小震震源深度优势分布在地下4~10 km范围内,在通济场断裂与安县-灌县断裂的深部汇聚区域震源分布最为密集.同时,小震活动主要集中发生在脆性程度高、渗透稳定性低的碳酸盐岩地层中,而在岩性较软弱、渗透稳定性高的三叠系须家河组砂泥岩和煤系地层中很少有地震发生.在水库蓄水后地震活动的时间响应特征上,水库西南侧和东北侧两个丛集区的小震活动可能属于"快速响应型"RIS,而都江堰小震群活动可能属于"滞后响应型"诱发地震活动;(4) RIS的发生与库水加卸载及渗透过程中库底岩体有效应力的变化密切相关.在以挤压为主的构造应力环境中,库体荷载作用的结果一般会使库底断层更趋向稳定,而水库附加水头压力扩散的效应则是促使断层趋向失稳,正是这个矛盾双方相互制约与平衡的动态过程,控制了断层库仑应力变化的取向,从而决定了RIS时空演化的规律.     

唐山大震前的地震空区和围空地震的机理

本文通过分析区域小震活动的变异,指出:1)唐山大震前不同震级下限的围空图象,实际上是唐山附近的地震平静和外围三支小震条带活动,二者合成的结果;2)空区边缘的应力集中和地震活动增强,主要是断裂带活动的结果.最后用强度和应力分布不均匀的断层模式讨论了围空图象形成的力学过程.      

中地壳断层带内微裂隙愈合与高压流体形成条件的模拟实验研究

地表破裂带调查和地震学反演结果表明,汶川地震发震断层具有高角度逆断层特征.逆断层滑动需要的力学条件为:存在很大的差应力;比较低的摩擦系数;较大的流体压力. 通过对映秀-北川断裂南段出露的糜棱岩研究,得出断层脆塑性转化带变形温度约400～500℃,流动应力约15～80 MPa.     

天山南缘北轮台断裂东段构造变形样式

北轮台断裂是一条全新世活动断裂,全长约130 km,构成天山南麓与山前冲洪积扇的界线。北轮台断裂东段(砖厂段)全长8 km,是一条低角度逆冲断层,晚第四纪以来有强烈的活动。通过对变形阶地进行微地貌测量,并选取2个典型变形位置开挖大型跨断层探槽,分析该段断裂的构造样式和演化模式。结果显示,北轮台断裂砖厂段的活动构造样式不是单一的以逆断层作为表现,而是伴随着褶皱挤压隆起,山体向S推挤形成逆冲断层断错地表,在受到来自盆地方向的阻挡,产生反向的挤压应力,沿断层一线构造挤压应力集中,但是在断层的上盘形成拉张区,应力释放的过程中形成了大量小规模的拉张型正断层。