断层应力影响区巷道支护技术与实践

针对任楼煤矿中四采区7344工作面机巷布置在断层附近,受断层应力影响巷道变形较大,采用锚网梁支护不现实,采用工字钢对棚支护又危及安全、影响生产的具体情况,经现场调研分析,总结巷道围岩变移参数及对应关系,采用了U型钢可缩性平顶棚支护技术,取得了较好的效果。

利用断层应力积累探讨大地震发生的地点--以日本2011年东北9级大地震为例

大地震在哪里发生是地震预报首先要解决的问题.利用反演GNSS观测数据得到的2011年日本东北9级大地震前7年(2004—2010年)断层上的应力变化,我们发现了这次地震断层的孕震区.为了进一步研究该孕震区的演化过程,本文继续反演这次大地震在1997—2003年间的断层应力变化过程.通过这两期的反演工作,我们看到,在这14年中,断层应力的年变化图案的主要特征基本是稳定的,并存在明显的应力增加区和降低区.前者与地震的破裂区吻合,后者与前震、重复小地震和无震滑动的区域一致.显著的剪切应力增加区不但与主震,而且还与大余震的破裂区相符合.我们发现断层面上高应力积累区的零剪应力和零正应力变化的等值线不重合,前者在断层面上的深度大于后者,这意味着在剪应力增加区存在着正应力降低区或剪切强度降低区(由于剪切强度与正应力成正比).断层初始破裂点似乎更偏好零正应力等值线附近的位置,这是因为该处不但靠近剪切强度降低区,而且位于剪应力积累最显著的地方.研究结果表明,正应力变化对大地震的初始破裂有影响;本文所使用的断层应力变化反演方法,可以用来作为预测大地震发生位置的一种手段.

煤巷过断层应力影响区注浆锚杆支护技术应用

针对2101轨道巷留顶煤掘进、过断层破碎带,传统锚网索联合支护效果差,根据实际情况采用注浆锚杆支护技术,通过一个月应用效果来看,注浆锚杆支护提高了锚杆锚固质量,失效率降低至3%以下,大大提高了破碎顶板稳定性,应用成效显著。

断层应力区集成化硐室施工工艺

北翼胶带运输大巷(东)强力皮带采用中部驱动,驱动硐室设计在F16断层附近,同时巷道中需要架设架空乘人装置,巷道掘进宽度需要9000mm,经缜密分析与优化设计,采用全新理念的支护形式,既保证了巷道的各项功能正常使用,又大大缩小了硐室的断面尺寸,同时确保巷道的长期稳定。

高应力断层构造区巷道冲击破坏特征研究

断层构造区静动载应力耦合作用加剧了井下断层区围岩冲击危险性,断层构造区巷道围岩应力分布规律及冲击动载响应特征存在显著特殊性。目前对于断层构造区的冲击研究主要集中于工作面采场附近,但对于断层构造区巷道冲击破坏鲜有研究。以陕西某矿深埋高应力断层构造区巷道为工程背景,分析了断层构造区巷道围岩变形破坏力学特征:①断层面存在明显应力阻隔效应,正断层附近存在上盘应力集中区和下盘应力降低区2个特殊应力区。巷道由于断层面影响,巷帮静载集中应力呈现非对称分布特征,远离断层面侧应力集中程度大于靠近断层面侧,该侧巷道围岩冲击破坏危险程度增大。②断层面对于应力波传递产生明显阻隔作用,正断层上盘动载响应大于下盘动载响应,由于巷道两帮应力非对称分布特征,右帮动载响应明显大于左帮。基于上述特征,提出了断层构造区巷道围岩“卸(大直径钻孔卸压)−支(梯次加固成层式吸能防冲支护)”协同防冲控制技术,工程试验结果表明:①巷道围岩采取“卸−支”协同防冲处理措施后,巷道两帮应力集中区往围岩深部转移3~5 m,应力峰值降低18.5%~20.3%,巷道帮部围岩应力集中程度显著降低。②采用“卸−支”协同防冲处理措施前,巷道顶底板及两帮变形量分别为856,334,325,567 mm,巷道围岩变形破坏严重,采用“卸−支”协同防冲处理措施后,巷道围岩变形量降低35.69%~62.03%,巷道围岩稳定性增强。③钻孔煤粉量显著低于临界粉煤量,巷道围岩动力显现降低。

川滇主要断裂带应力应变积累速率的三维有限元模拟:初步结果

川滇地区构造活动强烈,活动断裂众多,强震活动频繁.了解主要活动断裂的应力应变积累速率对于评估该区的长期地震危险性具有重要参考作用.本文新建立川滇地区及其主要活动断裂的三维黏弹性有限元模型,其中考虑了该区的岩石圈结构分层以及介质在水平和深度方向的不均匀性;采用1996—2018年的平均GPS水平速度场约束模型的侧边界,同时考虑川滇地块深部介质的拖曳力过程,模拟计算了构造加载作用下模型的动力学响应——区域变形特征和断裂的应力积累速率.模拟的位移场能很好拟合GPS观测的速度场,模拟的水平主应力方向在川滇块体和华南块体西缘与地震震源主应力方向相符,反映所建模型与模拟结果有较好的可信度.尝试将模拟的应力积累速率与基于GPS/GNSS观测的应变速率相结合,计算能反映区域地壳应变积累程度的弹性应变能密度分布;讨论了主要断裂带的背景应力、弹性应变能密度和库仑应力积累速率与M≥6.0地震发生的关系.结果显示除了模型边界附近的应力奇异地带外,川滇其余地区1996年以来M≥6.0地震大多数发生在模拟应力积累速率高或次高的断裂带(段),以及弹性应变能密度积累速率中偏高的断裂带(段).在模拟的背景应力速率高而且库仑应力增长快的龙门山断裂带南段和鲜水河断裂带最南段,分别在本文写作和定稿阶段发生2022年6月1日四川芦山M6.1地震和2022年9月5日四川泸定M6.8地震.认为研究区具有类似高或者次高的模拟应力和弹性应变能密度积累速率、但至今无强震发生和记录的断裂带(段),潜在的地震危险性需要关注.

正断层上盘开采断层附近应力时空分布数值模拟

采动引起的断层错动是诱发矿震和断层冲击矿压的主要原因之一。在现有的数值模拟研究中,断层上测点的数量较少,以致于对断层各处力学状态全貌的了解较为困难。而且,针对煤层应力分布的研究通常仅限于垂直应力(支承压力),而对其它应力尚缺乏了解。为研究采动条件下断层附近应力时空分布,采用FLAC^(3D)建立了正断层上盘开采的数值模型。模型中共包括13个岩层和1个45°倾角的正断层,通过计算获得了工作面从断层上盘推进过程中断层各处及附近煤层应力的时空分布规律。监测了断层上盘断层上的22个节点以获取断层各处力学状态全貌。研究发现,在工作面推进过程中,断层上存在1个压紧区及1个或多个松动区;断层上的压紧区较为安全,压紧区上、下方松动区的正应力越来越低,当工作面邻近断层时该区的断层区段多趋于危险,该区范围最大为78 m;断层上盘煤层紧邻工作面煤壁的垂直、水平和切应力峰值分别位于煤壁前方7.5~10.5、10.5~15.5和11.5~12.5 m;断层下盘煤层3种应力最大值均上升或有上升趋势。当工作面煤壁距断层的水平距离由40 m减小至20 m时,断层上盘煤层垂直、水平和切应力受断层影响较显著的区域通常分别在距断层3.5、10.5 m和3.5 m以内。

采动条件下陡倾斜平行矿体断层应力演化规律分析

陡倾矿体金属矿山中,平行矿体断层的滑移活化成为制约矿山安全生产的主要因素之一。为探明采动条件下断层面应力场响应特征及其对断层滑移活化的影响规律,以湖北省某铁矿为研究背景,采用离散元数值计算方法,对矿体开采过程中断层面正应力、剪应力及活化倾向性指标D的变化规律以及滑动变形演化特征进行了研究,结果表明:陡倾矿体开采影响下,断层面剪应力衰减时间明显滞后于正应力;采矿开始后,断层上部区域D值始终维持在高位(D>0.4),断层中下部区域在活化发生前D值明显增加,达到了0.4以上;陡倾斜平行矿体断层活化通常发生在最深开采水平位于断层下方30~58 m的范围内,与断层滑移变形的现场调查验证结果一致。

断层周边应力场的原位实测及数值反演

在分析断层周边实测应力分布特点的基础上，通过建立ＦｒｉｃｔｉｏｎｌｅｓｓＮｏ－ｔｅｎｓｉｏｎ参数式数值模型，采用位移不连续数值方法模拟评价了复杂断层扰动下的非均匀原岩应力场，得到了与实测应力分布特征高度吻合的计算结果，并比较分析了断层对其周边区域应力状态的影响．结果表明：原岩应力状态的空间分布主要受其邻近断层的支配，应力场的扰乱范围与断层的几何尺寸密切相关；非连续地层区域的原岩应力状态及应力扰乱程度随空间位置而异，具有各向异性及非线性的分布特征；由于断层对原岩应力的扰乱作用，有限“点”的实测值不能全面反映构造应力场的全貌。

应力波断层成像诊断木材内部缺陷

采用应力波断层成像技术对杉木和胡杨木材内部缺陷进行检测,结果表明3种诊断方法均能对木材缺陷进行有效诊断,通过波速矩阵二维图像重构,能够直观显示缺陷部位、大小及形状等信息;断层图像能为树干危险性评价提供依据,但腐朽与空洞界线尚未能准确区分;应力波在健康木材断面传播途径呈规律性,在缺陷出现处应力波波速明显降低,且传播无规律性。

乌鲁木齐市断层附近地应力特征与断层活动性

为了查明乌鲁木齐西山—碗窑沟断裂带地应力分布特征,在研究区20km×20km的范围内布置12个基岩应力钻孔,采用水压致裂地应力测量技术进行了基岩原地应力测量;共布置了2条观测剖面,第一剖面是沿断层走向布置了7个钻孔,第二剖面在垂直断层走向布置了6个钻孔(与第一剖面共用1个钻孔).根据实测的地应力资料,断层附近最大水平主压应力方向为NE—NEE向,与区域构造应力SN—NNE向主压方向有一些差异,说明受断层活动影响,断层附近的应力状态与区域应力场明显不同.利用地应力实测资料,研究了断层的活动性,在测量深度域内水平和垂直应力的关系为σH>σh>σv,该应力状态有利于逆断层活动,与地质资料反映的以逆断层活动为主基本一致.利用库仑摩擦滑动准则,摩擦系数取0.6～1.0分析,断层附近的现今地应力状态达到或超过产生逆断层摩擦滑动的临界值,表明测区现今构造应力有利于逆断层活动.

成庄矿地质构造主应力方向及断层发育规律研究

为了确保矿井安全开采,根据成庄矿区域地质构造单元的实际情况和矿井煤层发育图,分析了区域构造主应力方向及矿井煤层倾向,以矿井实际揭露断层数据为基础,对井田的地断层倾向发育规律进行了分析,并利用基础资料绘制了矿井断层倾向玫瑰花图,得到了断层主应力方向与区域构造主应力方向和煤层倾向方向之间的关系。研究为矿井后期在掘进、回采过程中遇到地质构造时提供依据和理论支持。

综放开采过断层冲击地压危险分析及防治技术

为预防综放开采过断层发生冲击地压事故,以东滩煤矿14310(东)综放工作面为背景,运用微震监测、数值模拟和理论分析等方法,研究断层区域的冲击地压危险性。按照断层活动规律,将工作面冲击危险性分为断层冷冻、断层蓄能、断层活化、断层煤柱、断层错动、上盘能量释放、残余能量释放和断层稳定8个阶段。分析3个高危阶段的冲击地压机理,认为断层活化型冲击机理是开采诱发断层附近积聚的构造应力向煤壁转移;断层煤柱型冲击机理是断层切割顶板与下盘形成高应力煤柱;断层错动型冲击机理是断层长期活化"润滑"断面。结果表明,冲击危险性划分结果和冲击机理分析结果皆与现场实际考察情况大致相同。

工作面回采与断层活化的相互影响分析

对断层活化进行了数值模拟,并分析了断层活化与工作面回采的相互影响。得出如下规律:当断层面的切向应力达到断层的抗剪强度时,断层便进入非稳定的临界状态,此时轻微扰动便可能导致断层活化,释放巨大能量。开采引起的库伦应力增量Δσm是断层活化的主要原因,断层活化概率增益与Δσm成正比。工作面从断层上盘向断层面推进时,断层面法向应力和切向应力都逐渐增大。工作面从断层上盘向断层面推进时,整体上断层面法向应力下降,切向应力上升,这都导致了断层的活化。工作面回采与断层活化是相互影响的两个方面,工作面开采会引起断层应力场的变化继而导致断层活化,断层的活化反过来又对工作面产生影响。

页岩力学参数各向异性对井壁应力的影响

页岩具有较明显的强度和弹性各向异性,在横观各向同性和连续均匀线弹性地层介质的基础上,建立了各向异性页岩地层的井壁应力计算模型,采用Matlab软件编制了数值解的求解程序,分析了在3种不同断层应力状态下页岩力学参数对井壁应力的影响规律。结果表明:在各向异性页岩地层中,断层的地应力状态会明显地影响井壁应力场的分布形态,尤其是在地应力极值附近;在3种断层应力状态中,正断层地应力状态下井壁应力分布的非均匀性最大;岩石的弹性模量各向异性度会造成水平井井壁应力的二次分布,而泊松比各向异性度对水平井井壁应力分布没有影响;弹性模量各向异性度对井壁应力的影响在其最大值和最小值附近呈现出相反的规律。

以2022年马尔康震群为例研究震群发震机制

地震是人类所面临的危害最严重的自然灾害之一,了解地震的孕震、发震机理对防震减灾、国家地震安全等具有重要的科学和社会价值.相较于前震-主震-余震型、主震-余震型地震,震群型地震更易造成较大的灾害,因此对震群孕育发生机理的研究刻不容缓.2022年6月10日四川省阿坝州马尔康市发生震群事件,其中包括MS5.8、MS6.0、MS5.2等三次较大震级的地震,此次地震序列的精定位结果、可靠的震源参数为开展震群孕震机制的研究提供了良好的数据基础.本文基于数值模拟的方法,利用断层的运动学参数建立黏弹模型,根据弹性位错、孔隙流体扩散等理论,从发震断层的能量积累、释放两个角度探讨马尔康震群可能的发震机理.对发震断层系统应力加载的模拟结果表明,震区的应力加载较均匀的分配到两条近平行发震断层上,使其在相同的时期内积累了相近的震间构造应力,进而发生相似震级的震群事件.考虑震群序列之间可能存在的应力触发作用,同震库仑应力计算的结果显示马尔康震群序列中各主要地震未受到同震静态应力触发作用.而对发震断层等效摩擦系数的判断及其附近流体扩散的研究认为马尔康震群发震断层震前受流体活动的影响,等效摩擦系数下降从而导致断层破裂,震后流体调整导致的孔隙压力变化进一步促进后续地震的发生.

孤岛工作面开采过断层巷道支护技术研究

以运河煤矿6303孤岛工作面开采过程中,第2带式输送机顺槽联络巷过BF7大断层时巷道围岩控制问题为工程背景,运用FLAC^(3D)软件模拟孤岛、断层及采动应力场对联络巷的影响,分析断层附近出现塑性区和应力集中的区域,以此确定过断层时巷道需要加强支护的范围。在此基础上,提出在应力集中区内采取"锚网索带架"联合支护。

川滇地区应力场演化与强震间相互作用的三维有限元模拟

针对川滇地区 ,在大量搜集、总结前人资料和结果的基础上 ,建立了包括上地壳、下地壳 (两层 )、上地幔等 4层结构的三维有限元模型 .通过反复调试 ,确定了其边界条件 ,并且计算了川滇地区背景应力场、断层蠕动产生的应力场和强震触发的应力场 ,以及它们的动态变化 .结果表明 :后续地震大多发生在前面地震引发的库仑破裂应力正值区 ,前一地震对后续地震有一定的触发作用 ,强震是在较高的应力背景下成组发生的 .这对判断、识别地震异常 ,提高地震预测水平有着很大的意义 .

六盘山盆地形成和改造历史及构造应力场演化

六盘山盆地夹于鄂尔多斯地块、青藏地块和阿拉善地块之间,在中国大地构造体系中处于独特的构造位置。基于野外变形分析与断层滑动矢量构造应力场反演,初步确定了六盘山盆地形成与构造演化历史。结果表明,六盘山盆地主要经历了早白垩世成盆过程和后期改造过程2个大的阶段。早白垩世早期,受到区域近E-W向引张应力作用而发生断陷,盆内沉积了一套巨厚的河湖相六盘山群;早白垩世晚期在NW-SE向挤压下,断陷盆地发生构造反转,局部地区褶皱回返,六盘山群发生不同程度的断裂和褶皱变形,继而盆地开始了长期的隆升剥蚀作用。晚新生代,受到印度—欧亚大陆碰撞产生的远程效应,六盘山盆地先后经历了NE-SW向和近E-W向挤压应力作用,盆地发生了强烈的褶皱和断裂变形,六盘山快速隆起。六盘山盆地构造应力场演化历史不仅为研究周缘地块的运动学和动力学提供构造地质依据,也对盆地油气勘探具有指导意义。

应力区巷道顶板联合支护技术应用分析

针对长平煤矿六盘区第一回风巷掘进过F5断层应力区时,顶板出现破碎、支护失效现象,通过分析传统锚杆(索)在应力区顶板支护时主要存在的问题,并根据实际生产情况,提出了“超前撞楔支护+工字钢棚”联合支护技术。从实际应用效果来看,采取超前撞楔支护后对巷道超前应力区围岩进行控制维护,降低了围岩超前破碎现象;采取工字钢棚支护后提高了巷道两帮煤柱支撑作用力,降低了应力对顶板垂直破坏作用,取得了显著应用成效。