逆断层错动作用下双仓管廊结构力学特性和抗断设计研究

断层蠕滑错动和地震作用对穿越断层及其上覆土层的浅埋地下结构的破坏是极其严重的。通过开展节段双仓管廊结构穿越45°逆断层的1∶30室内相似模型试验,对双仓管廊结构的位移、应变和接触压力分布规律等主要参数开展实时监测,并结合结构的渐进破坏过程、破坏模式和分布特征进行深入分析,以清晰揭示逆断层错动作用下节段双仓管廊结构的力学响应规律和致灾机理。结果表明:柔性接头可较好地释放断层蠕滑错动产生的能量和强制位移,并减小施加在结构上的弯曲剪切复合作用。节段衬砌结构的相邻节段影响较小,仅在C~E块的接头处出现局部破坏,避免了结构出现整体坍塌。上盘区域内管廊结构的位移变化明显。靠近断层面的双仓管廊结构的内力响应显著,尤其是70~120cm管廊结构破坏严重,应作为重点设防区域。逆断层错动完成后,双仓管廊结构易出现张拉和压缩破坏,其开裂破坏形式主要有裂缝、环间错台和剥落掉块。可见采用柔性接头措施可有效提高穿越断层的地下结构的抗断性能和震后保通能力。

逆断层控制带含煤地层地应力分布规律

为深化对逆断层控制下含煤地层的地应力分布特征的认识,运用自主研发的大型真三轴仪器“矿山地质构造模拟实验系统”,基于相似原理,开展考虑深度、断层倾角、落差等影响因素的物理模拟实验。结合数值模拟,分析不同条件下扰动区宽度和地应力分布规律。研究结果表明:①断层上盘的应力扰动宽度大于下盘,且2者都随深度的增加而减小。倾角45°断层的扰动宽度比60°断层小,在500、1000、1500 m深度处,前者分别为35.72、27.33、10.71 cm,后者分别为47.03、32.15、17.85 cm。②临近断层处最大水平应力(σ_(H))有明显的应力集中现象。当断层倾角大于45°时,倾角越大,应力集中程度越大。45°断层下盘临近断层处的4号测点在500、1000、1500 m深度的应力集中系数分别为为0.95、0.94、1.15,与区域应力场接近。而60°断层的4号测点在500、1000、1500 m深度的应力集中系数分别为1.11、1.44、1.42。③在远离断层处的未受扰动区,σ_(H)偏转角度较小,几乎都小于15°。在扰动区,σ_(H)偏转角度受倾角控制,σ_(H)偏转角度最大达到约90°。倾角45°断层中,σ_(H)偏转角度最大的区域在下盘临近断层处;在倾角60°断层,这一区域则出现在距离断层有一定距离的上盘中。④当落差大于煤层厚度时,扰动宽度(尤其上盘扰动区宽度)明显变大。应力集中区域出现在弹性模量更大的地层中,煤层中各测点σ_(H)离散性很大。

逆断层上下盘开采扰动下断层活化响应模拟研究

为探究煤层不同开采方式下逆断层应力场、位移场演化规律和断层活化规律,通过数值模拟分析逆断层地质条件下进行上盘开采和下盘开采时断层处的正应力和剪应力演化规律、断层活化过程以及断层和覆岩的位移场变化特征。研究结果表明:随工作面逐渐靠近断层,断层上部的正应力逐渐降低、剪应力逐渐升高,断层下方的正应力逐渐升高、剪应力逐渐降低,正应力和剪应力升高或降低的速率随工作面与断层距离减小而增加;当工作面与断层距离在80 m和40 m时,断层处正应力和剪应力发生异于前期应力规律性的变化,出现大幅度增长和降低的情况;相对于上盘开采,下盘开采时断层更易受煤层开采扰动而发生活化,且活化程度和范围均大于上盘开采;随工作面不断向断层靠近,下盘开采时采空区上覆岩层下沉量和断层两侧岩体相对位移量均明显大于上盘开采。研究结果对煤层开采遇断层时围岩治理和防灾减灾具有一定科学指导意义。

低级别逆断层对页岩气富集高产影响研究——以四川盆地东南缘南川地区平桥东1断层为例

南川地区位于四川盆地东南缘的复杂构造区,低级别逆断层较为发育,基于区域构造分析及构造精细解释开展逆断层形成机制及分布规律研究,并结合地震属性预测、钻井、压裂及试气试采等资料,以平桥东1断层为例,开展了低级别逆断层对页岩储集性能、保存条件、压裂改造影响的分析,以揭示其对页岩气富集高产的影响。研究表明:南川地区低级别逆断层的形成主要受控于燕山中期—燕山晚期的江南—雪峰隆起的陆内造山作用的远程传导以及区域挤压应力场的变化影响,其走向整体呈北东向、北北东向,断层规模较小。平桥东1断层伴生大量天然裂缝,有效改善了储集性能,且未破坏保存条件,有利于页岩气富集成藏、地应力释放及压裂改造形成复杂缝网,实现单井高产。低级别断层附近可作为目标优选和井位部署的有利区,有效指导了复杂构造区页岩气勘探开发。

逆断层作用下埋地管道屈曲响应分析及预测

地震断层引起的地面永久变形会导致埋地管道屈曲或整体失稳,威胁油气管道的安全。针对跨断层埋地管道屈曲响应的精准预测难题,以断层作用下管道轴向压应变快速增长前的应变作为判断管道局部屈曲的标准,提出了一种跨断层埋地管道屈曲响应仿真分析及预测方法。通过等效边界弹簧对管道端部的轴向补偿,建立了逆断层作用下埋地管道非线性有限元模型,探究了不同敏感参数下管道的应变响应,基于非线性回归得到了管道屈曲预测修正公式,结合实验对比验证了方法的准确性,为管道穿越逆断层的失效分析和安全设计提供了参考。

寺河煤矿大采高工作面过逆断层技术应用研究

断层的存在会提高工作面回采期间围岩的控制难度,制约矿井的安全高效生产。以寺河煤矿5313大采高工作面采用“沿顶留底”的推进方式过正交逆断层为实例,理论分析论证了方案的可行性,设计详细的控顶方案,总结了过断层期间出现的实际问题和解决方案,并给出本次过断层吸取的教训及大倾角割煤的注意事项,为大采高工作面过大落差断层积累了成功经验,对于类似矿山也有一定的借鉴价值。

煤系逆断层形成过程及其对采动灾害的影响规律

为研究煤系断层形成及其对采动灾害的影响规律,改进了煤系逆断层形成模拟试验系统,采用液压伺服控制实现位移和应力双重精确控制,煤层开采试验时只拆卸煤层后方回采位置部分透明板,保持内部构造应力不被释放,利用该系统进行了煤系逆断层形成与开采试验研究。结果表明:逆断层形成过程中各岩层位移可划分为3个区域:位移区、压缩区、稳定区;位移区绝对位移最大,相对位移较小,其范围随岩层埋深减小而增大;压缩区自上盘向下盘绝对位移逐渐减小,相对位移逐渐增加;稳定区绝对位移与相对位移均最小,其范围随岩层埋深减小而减小;上盘测点位移角随着测点与断层距离的减小逐渐增大,最大达到87.5°;逆断层形成过程中顶、底板水平应力呈先增大后减小的规律,且上盘水平应力大于下盘;断层下盘顶板垂直应力呈上升趋势,上盘煤层顶板垂直应力呈增大—减小—增大的变化趋势;对比分析国内22处煤系逆断层地应力实测数据表明,逆断层构造区域最大水平主应力和垂直主应力比k主要集中在1~4,本文试验中断层稳定后上、下盘k稳定于2~3;煤系逆断层形成后下盘煤层回采过程中,顶板垂直应力与水平应力均呈先增大后减小趋势,近断层岩层在构造应力与采动应力相互叠加作用下产生应力积聚,其峰值应力更高,导致回采后上覆岩层运动更剧烈;工作面向断层方向推进可分为矿压周期演化阶段和动力灾变阶段,在矿压周期演化阶段,煤壁及工作面上方的垂直应力呈周期性显著增加,高应力区域向下盘构造煤迁移,动力灾变阶段中工作面已处于高应力区域,在断层活化的影响下易引发冲击地压等煤矿动力灾害。

基于ArcGIS平台的天山北麓活动逆断层智能化提取方法的研究与实现

数字地形分析是活动构造和构造地貌研究中的一种重要手段,目前已被广泛应用于地表过程分析中。随着高精度数字地形数据获取的日益便捷,精细定量化研究地貌参数已成为一个重要趋势。呼图壁断裂和独山子断裂位于天山山脉北麓,地表迹线十分典型而显著。在这2个区域内,前人已经完成了区域大比例尺活动断裂地质地貌填图,并发表了大量研究成果。因此,它们是十分理想的探索断层迹线自动化提取方法的2个区域。在实际提取过程中,根据逆断层陡坎的倾向是否与其所在地貌面坡向一致,文中分别定义了正向和反向逆断层陡坎。基于对这2种不同断层陡坎形态的分析,利用ArcGIS软件平台并选择恰当的地貌参数实现了对断层地表迹线的提取。通过坡度计算、冲沟提取、数据密度分析和流程建模等步骤,建立了2套智能化提取流程。最终提取结果与以往的地质地貌填图和遥感数据目视解译结果基本一致。除此之外,独山子研究区的提取结果还揭露了未曾被识别的反向断层陡坎迹线。这不仅说明文中提出的方法具有很好的适用性,同时也能够提取十分细小的逆断层地表迹线。与传统方法相比,这种人机交互式的半自动化方法大大提高了工作效率。但是,如何真正实现任意地质构造背景中逆断层地表迹线的完全自动化提取,仍然是未来一个重要的研究方向。

逆断层错动下隧道衬砌的力学响应

以穿越新疆大旱沟西岸逆断层的拟建隧道为工程依托,采用大比例尺活断层错动加载系统开展室内模型试验,探明在逆断层错动作用下隧道分段衬砌力学响应特征及裂缝形态分布规律。通过建立三维地层-结构模型,模拟分析逆断层错动下不同衬砌分段长度时衬砌的变形特性及力学特征。结果表明:在逆断层错动下,上盘竖向位移随错动距离增大而增大,由逆断层错动导致的衬砌裂缝以纵向裂缝为主,裂缝主要位于边墙、墙脚以及仰拱中心;断层错动后衬砌相邻节段变形不连续,变形缝有利于提高隧道结构的抗错动性能;跨断层中心竖向截面处衬砌第一主应力随断层错动距离增加而近似呈线性增大,且衬砌分段长度越大则衬砌内力越大。

逆断层影响下无煤柱自成巷矿压规律及围岩控制

为探究逆断层活化对无煤柱自成巷稳定性的影响,通过理论分析、数值模拟、工程实践、现场监测的方法,对逆断层活化作用机理和影响区域进行系统研究。结果表明,在水平构造应力和自重应力的双重作用下,逆断层对工作面超前支承压力及采后顶板压力有显著的影响。当工作面靠近逆断层时,逆断层开始局部活化;工作面到达逆断层位置时,受工作面采动剧烈影响,导致逆断层全面活化,超前支承压力急剧增加,应力集中系数为4.75。揭露逆断层之后,上覆岩层的压力由逆断层上盘传递到采空区后方,造成采空区后方支承压力升高,经模拟分析判断出逆断层下盘对工作面围岩稳定性有显著影响,影响范围为85 m,该范围是围岩控制重点区段。利用具有高恒阻力、高延伸率和高预紧力超常力学特性的恒阻大变形锚索、精准顶板预裂卸压技术和成巷围岩联合支护技术,得到巷道围岩滞后工作面150~190 m范围内保持稳定,该技术可以实现围岩变形有效控制。

爆破扰动不含断层煤岩及逆断层煤岩裂隙演化对比实验

为分析爆破应力波在不含断层煤岩以及逆断层构造煤岩中的传播衰减规律,采用理论分析、相似模拟实验和数值模拟相结合的方法研究爆破应力波对不含断层煤层和逆断层构造煤岩的损伤破坏特征。研究结果表明:爆破应力波传播到构造区域时,透射的压缩波作用于松软煤体和断层面岩体;反射的拉伸波反作用于坚硬岩体,使得逆断层模型中的相应测点的水平测值比不含断层煤层模型增大约10%,垂直测值减小约15%,在靠近松软煤体一侧岩体内形成贯通裂纹。爆破振动的累积损伤使不同煤岩介质交界面破坏最为严重,最终裂纹扩展到逆断层下盘煤层内,造成煤体损伤。研究结果可为防止爆破诱导含断层区域发生瓦斯突出事故提供有效参考。

逆断层错动作用下考虑柔性接头的综合管廊结构力学行为研究

为研究逆断层错动作用下设置柔性接头减灾措施的综合管廊结构的力学行为和破坏模式,采用1︰30逆断层模型试验及数值计算分析的方法,对45°逆断层错动作用下管廊结构位移、应变、管廊与围岩接触压力变化规律和破坏模式等关键参数进行详尽分析,清晰揭示了逆断层错动作用下考虑柔性接头的综合管廊结构力学行为和破坏模式。研究结果表明:逆断层错动作用下,上盘内考虑柔性接头的管廊结构的响应情况和破坏程度明显大于下盘。断层错动完成后,管廊结构整体沿轴向呈S型分布,其中B-D块管廊结构顶板出现明显的连续错台现象,而底板出现挤压破坏。断层错动后管廊结构的破坏模式主要包括裂缝(纵向裂缝和斜向裂缝)、混凝土脱落和钢丝外露3种。上盘和下盘内管廊结构的顶板分别承受正弯矩和负弯矩作用,底板分别承受负弯矩和正弯矩作用,处于偏心受力状态。基于损伤因子建立4级受损程度等级:无破坏、轻微破坏、中度破坏和严重破坏,评估发现使用柔性接头的管廊结构仅在接头等局部区域出现轻微破坏和中度破坏,未出现严重破坏区域。柔性接头的使用可有效吸收断层错动施加在结构的强迫位移和内力,提高了穿越断层的管廊结构的安全性。试验与模拟的分析结果可为后续类似跨活动断层隧道工程提供参考。

逆断层上覆土层地表破裂影响因素的数值模拟

强震发生时,震源断层错动引发上覆土体变形破裂是地面建(构)筑物破坏的重要原因。为研究和分析上覆土层地表变形与破裂特征及其影响因素,文中通过有限元数值模拟方法,综合分析断层倾角、断层错动位移量、上覆土层厚度对上覆土层地表变形与破裂的影响及其规律。结果表明:1)断层垂直位错量为上覆土层厚度的3.3%、倾角仅为30°时,发生地表破裂;断层垂直位错量为上覆土层厚度的5%、倾角为30°、45°时,发生地表破裂;断层垂直位错量为上覆土层厚度的6.6%、倾角为30°、45°、70°时,发生地表破裂;断层垂直位错量为上覆土层厚度的10%、倾角为30°、45°、70°与逼近90°时,均发生地表破裂。2)随垂直位错量的增加或上覆土层厚度与断层倾角的减小,地表等效应变逐渐变大,越容易发生地表破裂。3)随着断层倾角由30°、45°增加至70°,上、下盘地表破裂宽度比值从约3︰1增加至3︰2~1︰1。4)上覆土层的变形与破裂,首先始于断层基岩与土体交界面的土体破裂,随着位错量的增加,当断层倾角为30°、45°、70°时,地表均出现了1个初始破裂点;当断层倾角逼近90°时,地表出现了2个初始破裂点,最后上覆土层出现贯通破裂。

逆断层作用下碳纤维预增强管道应变响应研究

为了研究碳纤维复合材料(CFRP)对逆断层作用下埋地管道力学响应行为的影响,基于ABAQUS建立了三维逆断层作用下碳纤维预增强埋地管道数值仿真模型。采用基于应变的评价准则,研究了不同CFRP缠裹厚度、长度和角度对管道力学响应行为的影响。研究结果表明:对于无CFRP缠裹管道,随着断层位移的增加,上盘处管道率先发生应变突变,但变化程度低于下盘处管道;缠裹10 mm厚的CFRP就能够较大程度地增强管道抵抗断层位移的能力,降低管道轴向应变值;缠裹长度对管道屈曲位置有较大影响,缠裹角度对屈曲位置影响较小,但较小的缠裹角度更有利于增加管道抵抗断层位移的能力;在实际穿越断层的油气管道工程中,可以在断层面附近处的管道缠裹CFRP,缠裹厚度可取20 mm,缠裹长度在断层面两端宜大于20 m,缠裹角度取较小值15°。所得结果可为工程设计及现场施工提供参考。

魏家地煤矿逆断层构造区域瓦斯赋存规律研究

为研究逆断层构造区域煤层瓦斯赋存规律,采用现场实测和数学统计相结合的方法,分析了甘肃魏家地煤矿F1-2逆断层对煤层瓦斯分布规律的影响。由逆断层对煤层埋深瓦斯分布的影响,得出瓦斯含量和瓦斯压力在一定范围内都随着煤层埋深的增加而增大,且存在单指数函数关系,瓦斯含量(W)与煤层埋深(H)关系为W=6.12-98.87e^(-H/98.47),瓦斯压力(P)与煤层埋深关系为P=-0.07+0.018e^(H/125.19);由逆断层对工作面不同距离瓦斯分布的影响,发现逆断层附近瓦斯含量明显高于其他区域,随着与逆断层距离的不断增大,瓦斯含量逐渐降低,两者之间符合线性统计关系W=-0.0095L+0.086,L为与逆断层不同的距离。逆断层附近瓦斯含量增高的原因有二:一是煤受强烈挤压而导致比表面积增加,吸附能力增强;二是构造区域封闭良好。

逆断层作用下复合衬砌输水隧洞损伤演化分析

复合衬砌是一种新型可承受高内压的输水隧洞衬砌结构,在穿越断层带时会由于断层错动作用发生破坏。因此,对复合衬砌输水隧洞穿越逆断层的损伤演化分析具有现实意义。通过考虑多重荷载和不同结构层间的分离模式,建立复合衬砌输水隧洞‑断层三维有限元模型,研究逆断层不同错动位移下复合衬砌结构损伤演化的过程,并对损伤状态进行量化评估。结果表明:逆断层作用下复合衬砌结构的损伤分为剪切损伤、拉伸损伤和失效破坏三个阶段。滑动面拱腰边墙处钢管受弯曲变形和局部屈曲耦合作用发生破坏是复合衬砌结构的最终破坏形式,破坏范围与滑动面呈“X”型分布向两盘延伸。由于不同材质性能和黏结特性的差异,断层作用导致不同结构层间发生脱离现象,脱离距离与错动位移呈正相关性。混凝土-钢管间脱离不同于混凝土-围岩间呈连续性分布,主要集中在钢管加劲肋附近。钢管内衬降低了混凝土开裂造成的内水外渗风险,增强了复合衬砌结构抵抗断层错动作用,提高了输水隧洞结构的安全裕度。

逆断层区域采动煤体渗透率模型构建及应用

逆断层区域构造应力与地应力叠加,挤压应力形成的力学特点导致瓦斯积聚,煤体渗透率发生改变,采掘期间容易引起瓦斯涌出异常,甚至发生煤与瓦斯突出事故。为了掌握逆断层区域采动煤体渗透率演化规律,首先开展了逆断层区域采动煤体渗透率测试试验,通过应力加卸载方式模拟逆断层影响下采动煤体应力变化,得出:在峰前阶段,煤体压缩、裂隙闭合,煤体渗透率降低;峰后阶段,煤体应力达到峰值,原有裂隙扩展连通,同时产生新裂隙并出现损伤,煤体渗透率增加并达到最大值;第1组加载方案模拟工作面前方煤体应力集中系数逐渐增大条件下,M1、M2和M3煤样的渗透率分别提高了22.1%、28.0%和36.7%,第2组加载方案模拟模拟工作面前方煤体应力集中系数先增大后减小条件下,M4、M5和M6煤样的渗透率分别提高了23.6%、37.2%和20.8%。然后结合煤体渗透率试验结果,建立了逆断层影响下采动煤体渗透率表征模型,推导出煤体峰前和峰后阶段渗透率计算表达式,用瓦斯吸附/解吸造成煤体体积应变的函数来表示吸附/解吸对煤体裂隙体积的影响,从而更加准确的表征逆断层影响下采动煤体渗透率。最后将渗透率模型导入COSMOL软件,结合新春煤矿1503工作面F4逆断层现场情况进行模拟计算,得出随着与逆断层距离减小,煤体应力集中系数增大的情况下,煤体瓦斯压力和渗透率峰值均逐渐增大,容易造成瓦斯涌出异常,需要加强瓦斯浓度监测。

逆断层倾角对出线井深基坑变形特性的影响及控制分析

通过大量实际基坑工程研究可知,逆断层等薄弱地层与基坑开挖方向呈现的夹角对基坑的变形影响较大.运用Midas GTS NX岩土软件与工程实际监测相结合的方式,分析逆断层破碎带与基坑开挖方向夹角呈0°、30°、45°、60°时的基坑变形情况,总结不同夹角下基坑地表沉降和围护结构水平位移的变化特性.通过数值分析,研究超前预注浆加固措施对逆断层破碎带区域变形控制的效果.

逆断层对致密岩石构造裂缝发育的约束控制

致密岩石(如火山岩和碳酸盐岩)可广泛发育构造裂缝,这类致密岩石的构造裂缝数值建模是构造裂缝地震解释、地震反演和油藏数值模拟的基础.我国西北各盆地普遍发育逆断层,通过在新疆巴楚地区微波塔逆断层和一间房逆断层分别布置实测剖面对野外测量的构造裂缝面密度进行定量分析,发现受逆断层控制的裂缝面密度与逆断层面的曲率呈线性关系;裂缝面密度与地层层面的曲率亦呈线性关系;发现距断裂越远裂缝面密度越低,并存在一个裂缝密度骤减的范围,这个范围内为"断裂控制裂缝带",这个"断裂控制裂缝带"可能与断裂的性质、规模和断距等因素密切相关,这个带的认识为构造裂缝的地震解释、地震反演和油藏数值模拟提供了重要参数.

乌鲁木齐西山断裂组与地表破裂型逆断层古地震识别标志

乌鲁木齐西山断裂层组展布于北天山山前断展褶皱系与博格达推覆构造系的转换部位,为盆地向S推覆的构造,由4～5条长度十几公里至近30km的断层组成,其滑脱面埋深约11km。通过地质地貌调查、探槽开挖,结合深部构造特征分析,西山断裂组晚更新世中晚期有明显的活动。断层F1—F3最年轻的2次事件基本都被限制在距今(22.7±5.2)ka和40ka左右。而F4和西山断裂最年轻的事件被距今31.0ka和38.0ka的地层覆盖。这显示西山断裂组晚第四纪活动有分组和组合破裂的特征。断层F4和西山南缘断裂为一组,F1—F3为另一组。坎前堆积地层、断层与堆积地层的切错关系和不同间断面或标志地层在断层两侧的累积位差的突变,是识别地表破裂型逆断层古地震事件的重要标志。降低逆断层古地震识别的不确定性,关键在于识别事件的标志需要综合分析各种影响因素,有多证据的支持。