采矿诱发断层滑移失稳机制与能量释放规律研究

为研究采矿诱发断层滑移失稳机制与能量释放规律,通过对现场围岩节理裂隙调查和钻孔取芯开展试验,获得了岩体节理裂隙产状分布及围岩基本力学参数,采用Hoek-Brown强度准则对不同层位岩体的力学参数进行修正,以离散断裂网络(Discrete Fracture Network,DFN)形式将节理裂隙数据导入FLAC3D软件,构建精细化数值模型并进行了模拟分析。研究表明:将岩体库仑破裂应力增量ΔCFS作为断层滑移失稳的定量判据,可有效预测断层的滑移失稳区域;当主应力沿断层上盘方向进行偏转时,ΔCFS随着偏转角度与断层倾角增大而降低,断层周边岩体不易发生损伤破坏;当主应力沿着断层下盘方向进行偏转时,ΔCFS随着偏转角度与断层倾角增大而增大,断层周边岩体的损伤破坏程度加剧;断层滑移失稳分可以为3个阶段,即滑移蓄能阶段、稳定滑移阶段与滑移弱化阶段;断层周边岩体应变能密度集中区为断层滑移失稳时能量释放位置,岩体应变能密度分布呈现出积聚—向下扩散—重新积聚现象;利用断层滑移失稳的能量公式,可估算出断层滑移失稳时的能量释放大小。

断层滑移区煤与瓦斯突出防控技术研究

为了提高大平煤矿断层滑移区煤与瓦斯突出防治技术措施,以吴庄逆断层构造为研究对象,根据工程现场实际情况,通过现场测试、理论分析与数值模拟相结合的方法,系统研究采动影响下断层滑移诱导突出过程中断层滑移规律、断层及相关煤层的应力分布及瓦斯运移动态特征和突出的动态机制,结果表明多因素与煤与瓦斯突出灾害之间的因果关系,并在此基础上对现有防控措施进行优化,从而增强了矿井瓦斯防治能力。

不同开采条件下断层滑移危险性的研究

断层活化易引发井下的冲击地压事故,对煤矿的安全生产造成严重威胁。采用摩尔库仑破坏准则,建立了工作面分别沿断层上盘和下盘回采的数值计算模型。研究了工作面回采过程中,工作面和断层附近围岩的应力演化与应力分布特征,探讨了断层面上的正应力和切应力随工作面与断层距离变化的关系。认为采动应力引起的断层面的应力状态的突然改变是断层活化的主要原因,该研究成果为断层活化型冲击地压的治理提供可靠参考。

基于断层滑移理论的页岩地层套管变形风险评价方法及应用

针对套管变形风险预测难的现状,本文首先建立了断裂的临界扰动压力和激活角度计算方法,然后定量模拟了各类地质力学因素对临界扰动压力的影响规律,最后基于建立的方法预测了X2井的套管变形风险。通过本文研究,得出以下主要结论:断裂的临界扰动压力受到多种因素的综合影响,断裂的临界扰动压力越低,地层发生剪切错动的风险就越高,套管变形的风险越高。不同的断层应力状态,最优势滑移断裂所在的倾向和走向不同。地层孔隙压力越高,断裂的临界扰动压力越低;最大主应力和最小主应力差异越大,断裂的临界扰动压力越低;断裂面的摩擦系数越小,断裂的临界扰动压力越低。X2井最优势滑移断裂临界扰动压力平均值为2.24MPa左右,且全井段存在多处断裂激活显示,井眼套管变形风险较高;当X2井的最优势滑移断裂的临界扰动压力大于4.5MPa时,井眼一定不发生套变;当X2井最优势滑移断裂的临界扰动压力较低,甚至存在断裂激活显示的情况下,井眼不一定发生套变;在存在断裂激活显示的情况下,但没有发生套变的原因可能和地层中不发育断裂或者发育的断裂方向不在激活角度范围内有关。

断层滑移对套管剪切变形的影响规律及防控措施

威荣深层页岩气区作为中石化页岩气开发的重点突破区块,开发以来一直面临着严重的套管变形问题,而水力压裂诱发的断层滑移正是导致套管变形的主要因素之一。因此,明确断层滑移与套管剪切变形的关系,对套管变形的防控具有重要的意义。文中考虑了2种断层触发机理,采用Mohr-Coulomb准则,建立了三维断层滑移计算模型;在此基础上,建立套管剪切变形有限元模型,以断层滑移量为边界条件,研究了不同断层参数对套管变形程度的影响;最后,提出了断层滑移精细化防控理念。研究结果表明:摩擦因数越大,套管变形量越小;随着断层长度增大,套管变形量也逐渐增大;随着水平地应力趋于均匀,套管变形量逐渐减小;断层夹角为0°,15°,30°时,套管变形量较大,而后迅速减小。

水力压裂诱发断层滑移对套管的剪切作用研究

国内某平台出现的压裂过程中的套管变形损坏问题频发,现场蚂蚁体测试结果显示该区块储层天然裂缝及断层发育,因此推断水力压裂诱发断层激活滑移导致套管受剪切变形。首先建立了包含上部盖层、含有断层的储层以及下部隔层的断层滑移地质力学模型,对断层面间相互作用关系进行推导,运用黏聚接触方法对其进行表征,模拟计算了压裂液进入断层后断层激活滑移的距离。随后建立了含有断层的三维水平井套管—水泥环—地层力学耦合模型,计算分析了压裂诱发的断层滑移量及其对套管所受外载荷、应力及变形的影响。结果表明,水力压裂流体进入后降低了断层胶结物胶结强度与断层面摩擦强度,使得断层系统力学平衡被破坏,导致断层激活滑移;断层滑移的剪切作用会给穿越断层的套管施加强度高且非均匀性强的外载荷,造成套管变形失效。研究验证了现场对于套管变形是由于压裂流体激活天然裂缝及断层滑移剪切套管所致的猜想,并提出了相应的预防措施,对现场实际作业具有一定的指导意义。

温-压耦合作用下断层滑移对套管应力的影响

页岩气水平井段在压裂过程中容易诱发天然断层滑移,进而导致套管产生失效变形,影响页岩气生产。为研究断层滑移对水平段套管应力的影响机制,采用数值模拟的方法,借助ANSYS软件,建立了断层滑移有限元模型,研究在温-压耦合作用下的断层夹角、注液温差和水泥环弹性模量对套管应力的影响。研究结果表明:考虑温-压耦合作用会提高断层滑移对套管应力的影响;断层夹角越大,套管应力的增长幅度越小,且断层夹角越大,温-压耦合效应越明显;注液温差提高了断层滑移对套管应力的影响,当注液温差超过100℃时,套管应力会出现较大增幅;套管应力随水泥环弹性模量的增加呈现出先减小后增大的趋势,当滑移距离超过4 mm后,水泥环对套管的保护作用将大幅下降。研究结果可为预防页岩气井水平段套管失效变形提供一定参考。

库车再生前陆逆冲带造山运动时间、断层滑移速率的厘定及其意义

塔里木盆地北缘的库车再生前陆逆冲造山带发育生长断层相关褶皱。根据ShowJH和SuppeJ等提出的生长断层相关褶皱模型,对该逆冲造山带的运动时间进行探讨。在地震剖面中识别出典型的生长地层和生长三角。生长地层的连续性表明,自中新世吉迪克组沉积期至今,该造山带一直处于运动速率和强度递增的活动状态,而侏罗纪至早第三纪处于较稳定的构造背景中;利用生长地层确定断层滑移的时间为晚第三纪至第四纪,反映了由北向南台阶状逆断层的依次扩展和主逆冲断裂带的转换,以及主活动带由山前向盆地不断扩展,沉积、沉降中心随之向南迁移。根据生长三角计算出的各阶段断层滑移速率,吉迪克组沉积期(距今25Ma)为0.10～0.71mm/a,康村组沉积期(距今16.9Ma)为0.13～0.40mm/a,库车组沉积期为0.76～2.11mm/a,西域组沉积期(距今2.5Ma)为1.33mm/a。库车再生前陆逆冲带的中生界烃源岩主排烃期受其所在构造带的构造运动开始时间的控制,该逆冲带构造圈闭的形成和油气运移都与断层相关褶皱作用相伴随,油气聚集发生于晚第三纪至第四纪,且北部较早、南部较晚,最靠近北缘山前的东风背斜带为吉迪克组沉积期,北部背斜带为康村组沉积期,南部背斜带为西域组沉积期。图2表1参8(王孝陵摘)

汶川地震断裂带断层滑移作用--来自高磁化率断层岩的信息

断层岩与地震有着密切相关,通常沿断裂带的断层面发育。本研究以2008年汶川地震(M_s8.0)的发震断裂(映秀-北川断裂带)发育的古地震造成的断层岩为研究对象,利用Bartington MS2仪器表面测量探头对发育于四川省都江堰市虹口乡(31°8.789′N,103°41.472′E)映秀-北川断裂带花岗岩中的两条断层岩开展了高密度测量。测试结果表明磁化率在2×10^(-6)SI到74×10^(-6)SI之间变化,所测剖面均显示出断层岩区域与高磁化率相互对应现象。这种现象可能是由于断层滑移作用产生的高磨擦温度导致断层岩中高磁化率新矿物的形成所致。断层滑移作用致使断层泥中矿物颗粒粒径的减小也可能使磁化率增强。高磁化率断层岩(断层泥)的存在可以作为地震断层的判别依据之一,本研究对于定量分析研究断层岩(断层泥)提供了一种新尝试。

汶川地震同震形变场的GPS和InSAR邻轨平滑校正与断层滑移精化反演

为克服InSAR观测汶川地震同震形变场的邻轨不连续问题，提出联合GPS观测值与邻轨平滑约束的同震位移校正方法，采用GPS观测形变去除PALSAR轨道误差引入的残留平地相位，基于形变平滑条件校正邻轨干涉相位的不连续性．ALOS／PALSAR干涉处理结果表明，校正后同震形变场的准确度与平滑性得以显著提高，InSAR高相干点残差达3．6cm，校正后精度提高约60％，低相干点精度提高约40％，校正后形变场的邻接平滑因子标准差减小约33％，验证了轨道误差校正与邻轨平滑约束方法的准确性与可靠性．进一步基于弹性半空间位错模型的断层滑移反演结果表明，断层滑移主要分布于映秀、北川和青川地区，集中于地壳深度0～16km范围，最大滑动量（位于北川县城）约为9．0m，GPS反演模型残差为5．5cm，InSAR反演模型残差达9．2cm，InSAR反演精度约有30％的显著提高，由模型反演计算得到的地震矩为8．0469×10^20N·m．

特厚煤层重复采动条件下断层滑移对冲击地压的影响

为探究重复采动条件下断层滑移特征及其与冲击地压的关系，以老虎台矿83003综放工作面为研究对象，采用数值计算、现场监测和理论分析多种方法进行研究。采用UDEC数值模拟软件和预应力锚索的工作阻力监测，对重复采动条件下断层运动特征以及断层运动与冲击地压或矿震关系进行分析。研究表明，重复采动使断层活化，83003综放工作面开采后F25断层上盘的滑移量达到5～8m；锚索工作阻力突变值大于5kN时，将在33h内发生能量较大（大于10^6J）的矿震，对冲击地压的发生具有预警作用。覆岩破坏、断层滑移、断层应力场和采动应力场耦合作用是83003综放工作面冲击地压频繁发生的根源。

采动影响下断层滑移失稳研究

为研究采动影响下活动断层的滑移情况,以抚顺矿区老虎台矿为背景,建立了采动条件下覆岩运动的突变力学模型,确定了断层发生滑动的必要条件;运用UDEC数值模拟软件对工作面开采条件下断层活动进行分析,现场工业性试验对断层活动进行监测和验证。结果表明,断层失稳的必要条件为刚度值k≤1,刚度比随着开采深度的增加而逐渐降低;当弹性段采出厚度大于85 m时,F25断层具备了发生滑动的必要条件,易发生冲击地压。83003工作面开采后,F25断层下盘位移基本不变,上盘位移活动幅度较大,最大位移达到了5~7m;锚索测力计的应力变化与断层活动具有较大的相关性,当锚索测力计数值突变时,表明断层已经活动,锚索测力计数值突变越大,预示冲击地压和矿震能量越大。

基于改进Haskell模型的断层滑移型岩爆震源模拟研究

断层滑移型岩爆事件已经成为影响地下矿山安全开采的重大问题。为深入了解断层滑移型岩爆事件对岩体及支护系统的影响,采用三维离散元程序3DEC,开展断层滑移的数值模拟研究。通过比较常用的震源模型,根据断层滑移形状及滑移特征,构建基于改进Haskell模型的断层滑移型岩爆震源模型。从荷载施加、断层面滑移及震源远区岩体质点振动响应等方面,验证改进的Haskell模型在模拟断层滑移方面的有效性。改进Haskell模型的计算结果与位移理论计算公式、质点振动速度经验公式等结果一致,结果表明,改进的Haskell模型能够很好模拟断层滑移震源特征以及合理的岩体震动响应。

用沙坝断层滑移型微震事件群活动特征分析

提出利用空间聚类算法DBSCAN与S波、P波能量比（ES/EP）相结合的方法,识别得到开磷用沙坝矿2014年3—5月IMS微震监测系统数据库中F310断层附近的断层滑移型微震事件群。对微震事件群区域的微震事件活动率与时间分布特征、视体积与施密特数、b等特征进行分析。结果表明：微震事件主要集中在每天的12时到14时,震级大于-0.5级的微震事件主要发生在每天的11时到16时;4月3—10日、5月2—9日和5月16—23日3个时间段内微震事件活动频繁,而且都具有施密特数时间序列曲线斜率增大、累积视体积曲线急剧下降、b出现下降的特性,表明这3个时间段断层区域岩体不稳定,发生危险事故的可能性较大。相比于同等能量的爆破事件,断层滑移型微震事件更能诱发顶板冒落和矿柱坍塌甚至岩爆等灾害,分析其活动特征可为分析断层活动趋势提供有效的预判信息。

基于震源机制的断层滑移型岩爆岩体震动响应研究

为研究不同震源机制下巷道岩体在断层滑移型岩爆作用下的力学行为,基于Haskell断层模型开展数值计算。结果显示,处于S波辐射象限的岩体质点峰值振动速度(PPV)明显大于处于P波辐射象限的岩体的相应值。分析巷道在正断层、逆断层和走滑断层作用下的岩体震动响应机制,发现岩体处于正断层和逆断层作用时其PPV大小相等、方向相反,但远大于受走滑断层作用时的值。处于S波辐射象限的巷道岩体PPV计算值大于KAISER设计尺度率计算结果,同时发现,巷道顶板在受到逆断层作用时易发生失稳垮落,而拱肩和底板则在正断层作用下更容易发生失稳破坏。

页岩气储层断层滑移对水平井套管变形的影响

水平井压裂后附近断层发生滑移,诱发套管产生剪切变形,进而卡阻井下工具,严重影响页岩气的开采。文中应用有限元软件,建立了基于断层滑移的套管变形有限元模型,并据此分析了影响套管Mises应力分布的各种因素,研究了各角度断层在不同滑移量下的套管变形情况。结果表明:断层滑移会导致套管发生剪切变形,变形位置位于套管与断层相交处,且套管变形量随断层滑移量增加而增大;地层弹性模量对套管变形影响较小,套管弹性模量对套管变形影响较大;套管壁厚越大,地层施加给套管的剪切力对套管Mises应力的影响越小;在断层滑移量相同的情况下,断层角度越大,套管Mises应力越大,套管变形后的最小内径越小。研究成果可为防治断层滑移引起的套管剪切变形提供参考。

临断层孤岛面冲击危险与断层滑移数值反演——以朝阳煤矿3108工作面为例

复杂地质构造、开采布局等与冲击地压密切相关,尤其是当孤岛工作面沿平行于断层走向回采时,受断层煤柱与孤岛工作面影响叠加后形成的采场煤岩应力状态及覆岩结构将更为复杂,严重威胁冲击地压矿井的安全高效开采。为探究临近断层处孤岛工作面开采时断层滑移失稳致灾机理,利用FLAC3D中的Fish语言进行2次开发,系统地提出一种孤岛工作面推进过程中采动诱发断层滑移失稳的数值模拟方法。以朝阳煤矿3108工作面为工程背景,建立断层赋存条件下的孤岛工作面开采的数值模型,分析了开采扰动下断层面应力场、位移场和速度场的动态演化特征,确定了断层滑移失稳的判定准则,总结了断层滑移失稳与冲击危险之间的关系,所得结果与现场实际强矿震分布具有较好的一致性。研究结果表明:当工作面远离断层时,断层面不产生滑移失稳,此时采动动载主要源于顶板破断;当工作面向断层推进时,认为当断层面出现剪应力降且剪切位移量大于0.05 m时断层产生滑移。断层滑移型动载可由地震矩、能量和滑移速率等物理参数表示,当动力计算时间为0.03 s时,断层面发生滑移,其地震矩和释放的能量达到峰值。一般当滑移速率峰值达到0.99 m/s以上时可认为断层滑移反作用于采场周围煤岩体的影响较大,断层滑移速率随时间变化先增大后减小,一般在动力计算0.4~0.5 s时,滑移速率达到峰值,当断层滑移结束后,滑移速率会降低至某一值。在整个孤岛工作面的回采进程中,断层滑移速率首先呈现阶梯式跃增趋势,后期表现为线性增长,即断层滑移最易出现在工作面初次来压和见方阶段,易于诱发强矿震和冲击地压。

页岩气压裂条件下断层滑移及其影响因素

威远-长宁页岩气示范区部分区块套管变形率超过40%,而水力压裂诱发断层滑移是导致套管变形的主要因素之一。明确水力裂缝诱导下断层的激活机制及滑移量,对页岩气压裂过程中预防套管变形具有重要意义,而目前尚缺乏水力压裂下断层滑移量的理论模型。基于此,根据断裂力学理论,分析水力裂缝激活断层产生滑移的作用机制,建立水力压裂下断层滑移量计算模型。应用该模型对威远页岩气水平井威202X井进行实例计算,对断层滑移量影响因素进行敏感性分析。结果表明断层激活点处的位移量可达46 mm,与现场实测套管变形数据吻合,验证了该模型的有效性;裂缝内的流体净压力越大,断层滑移量越大;裂缝长度越大,断层滑移量越大;控制压裂泵压和裂缝长度可以有效降低断层滑移量,避免套管严重变形;同时,高水平地应力差异系数、高弹性模量地层的断层滑移更严重;加入可压缩变形材料(陶瓷、玻璃球等)的水泥环能够为大部分断层提供适量滑移空间。

煤矿开采诱发断层滑移对村庄建筑物影响研究

为了研究煤矿开采诱发的断层滑移对村庄的影响,以我国东部某矿区内A村庄下采煤为研究对象,对开采前预计和实际开采后的损害结果进行了对比,分析了矿区内F26断层活化对A村庄建筑物的影响规律,并采用断层影响下的概率积分预计模型,定量计算出了断层滑移的影响,提出了避免断层滑移的村庄下采煤方案。结果表明:断层滑移形成的离层空间对开采沉陷的影响有促进作用,表现在建筑物损害等级和影响范围加大;断层影响下的概率积分模型在该矿区是符合的,A村庄下压煤的开采选用协调开采方案可较好地控制断层滑移。

开挖诱导锁固断层滑移的实现方式及影响因素

国家重大科研仪器研制项目“煤矿巷道断层滑移型冲击地压模拟试验系统”旨在研制大型三维断层滑移型冲击地压物理模拟仪器,断层滑移的诱导实现是项目面临的首要难题。为获得开挖诱导断层滑移的合理实现方式,提出了包含锁固段的断层结构形式,设计了单断层和双断层布置条件下开挖诱导断层滑移的试验方案,开展了相似模拟试验和数值模拟试验,系统研究了加载板摩擦、断层倾角和围压对断层滑移和锁固段破断的影响,给出了仪器设计的初步建议。研究结果表明:(1)断层滑移型冲击地压物理模拟仪器适合采用“三向四面”加载方式,模型体可采用单断层布置或双断层布置,断层结构可采用岩桥型锁固段。(2)在三维加载条件下,断层上盘底部瞬时开挖可成功诱导断层滑移。开挖后开挖空间上方模型体发生局部破坏,断层主滑方向边界应力降低;断层主滑方向边界应力恢复对残留断层上盘形成加载,导致断层在锁固段处滑移、锁固段被剪断。(3)断层滑移行为受加载板摩擦、断层倾角与围压的共同影响。加载板摩擦因数应不超过0.2;单断层布置时,断层倾角应不小于50°,双断层布置时(边界断层倾角为45°),滑移断层倾角应不小于60°;断层主滑方向边界应力应远大于断层倾向方向边界应力,断层走向方向边界应力应大于断层倾向方向边界应力。