正断层错动作用下矿山法隧道受力变形机理的模型试验研究

为研究正断层错动作用下矿山法隧道的受力变形机理,以胶州湾第二海底隧道穿越沧口断裂为工程背景,采用自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置,针对设置柔性连接变形缝和变形缝间距对隧道结构抗错断效果的影响,开展几何相似比为1∶40的矿山法隧道穿越倾角70°的正断层错动模型试验,对错动试验过程中的隧道变形、应变分布、围岩接触压力和破坏特性等关键指标进行监测,分析获得了正断层错动作用下隧道变形和力学响应规律。研究结果表明:(1)隧道在正断层错动作用下,呈现纵向拉弯+竖向挤压的受荷模式,在下盘邻近断层面处拱顶部位和上盘邻近断层面处仰拱部位出现脱空区;(2)隧道开裂主要以纵向贯通裂缝为主,近断层面处衬砌还出现了部分斜向裂缝和环向裂缝;(3)节段间的连接形式和节段长度不会根本上改变隧道在断层错动作用下的受荷模式和变形模式,但节段间刚度越小,节段长度越小,结构对于地层强制位错的适应性就更好;(4)相比于刚性连接,节段间的柔性连接吸收了大部分地层强制位错,有效降低衬砌节段的荷载和变形,使结构趋于安全。

不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉规律

断层破坏覆岩地层的整体性,影响岩土体的强度特性和变形性质,导致开采沉陷规律更为复杂。为研究不同覆岩地层与正断层共同影响下煤层开采地表沉陷规律,构建不同覆岩地层正断层下盘煤层开采覆岩运动与地表变形的理论模型,数值模拟分析不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉规律与特征,结合实例进行了对比分析。结果表明:地表移动变形范围与松散层厚度密切相关,随松散层厚度的增加,相较于无断层一侧,地表下沉盆地在断层一侧的移动变形范围先减小后扩大再减小,最终与无断层一侧相同;厚基岩地质条件下,随松散层厚度增加,地表产生裂缝的位置由断层露头先向采空区偏移后向断层上盘偏移;厚松散层地质条件下,松散层吸收了断层诱发的非连续变形,随松散层厚度增加,地表由偏态下沉盆地逐渐变为对称的下沉盆地。

正断层两盘动力灾害显现差异性及机制

随着大范围采矿活动的进行,正断层易滑动失稳产生震动波,并在断层两侧区域呈现出显著不对称动力响应特征。为解释山东新巨龙能源有限责任公司发生“2·22”冲击地压事故破坏区域主要集中在FD8断层上盘区域而下盘几乎没有出现动力破坏这一现象,从理论上分析了断层面(带)隔震的基本力学机理,基于波场及能量分解建立起了弹性波在断层面(带)界面波场分解能量系数模型,通过不同倾角断层面、不同破碎带厚度对震动波阻隔性数值模拟,并对正断层两盘活动性差异进行了分析。研究表明,对于一个相对孤立正断层(非断层组)而言随着断层倾角的增大,正断层上盘内的震动波沿着断层面“透射”将明显降低,呈现出显著的“隔震”特性,即当正断层上盘滑动诱发震动波难以穿过断层传播至下盘;地下正断层两盘活动差异性即断层上盘下降滑动、下盘不动2个方面揭示了正断层两盘动力灾害显现差异性动力学机制,为科学认知正断层活动诱灾机制提供了参考,并为在地下采矿中正断层诱灾防控策略提供了理论依据。

旋转平面型正断层向铲式正断层的递进演化过程:以渤海湾盆地牛庄洼陷的断裂系统为例

基于渤海湾盆地牛庄洼陷的3D地震精细构造解释成果,本文揭示了伸展盆地内部正断层由旋转正断层向连通的铲式正断层递进演化过程,该演化过程划分为4个阶段:以旋转平面型正断层为主要类型的初始阶段,以多米诺断阶为主要类型的发展阶段,以单条独立铲式正断层为主要类型的成熟阶段以及以连通铲式正断层为主要类型的高成熟阶段;并建立了在伸展量的递进增加且浅层存在滑脱层的地质条件下,旋转平面型正断层向铲式正断层递进演化模式。通过分析研究区剖面伸展量数据以及系列断层断距的变化,认为伸展量在不同级别断裂(主干断裂与次级断裂)之间的分配方式是研究区该递进演化过程的主控因素。本文提出的伸展盆地内部正断层递进演化过程及其模式将有助于丰富与完善伸展盆地正断层递进演化理论,同时也可为伸展量较大的背景下,正断层样式演化程度较低的现象提供一种新的成因解释。

西藏申扎—定结裂谷南段丁木错正断层的最新史前大地震事件及其地震地质意义

申扎—定结裂谷是青藏高原南部7~8条近南北向裂谷带中部条第四纪活动性强烈的裂谷。丁木错地堑是该裂谷南段规模较大的地堑之,控制其边界发育的丁木错断裂为条规模中等且连续的全新世活动正断层,拟建的中尼铁路日喀则—吉隆段将穿越该断裂。

正断层错动下的输水隧洞动力响应分析

长距离调水工程中的输水隧洞通过潜在地震地区时,存在活动断层错动引发的重大工程安全隐患,揭示断层错动对输水隧洞稳定性影响的研究具有非常重要的工程意义。基于围岩、断层破裂带、衬砌和内水的动力相互作用特征,使用ABAQUS有限元分析软件,建立了围岩-断层破裂带-衬砌-内水三维数值模型,深入分析了各种断层错动量、宽度及粘聚力对输水隧洞稳定性的影响。结果表明,处于较小断层错动量、断层宽度及较大断层粘聚力情况下的输水隧洞衬砌结构竖向位移及损伤程度有所减小,结果对跨断层输水隧洞动力响应理论研究有一定的参考价值。

杨河井田边界正断层与瓦斯赋存关系研究

为研究杨河井田边界正断层与煤层瓦斯赋存规律,选取油房沟断层、浮山寨断层分析井田边界正断层对煤层瓦斯赋存的影响关系,研究断层作用下对瓦斯赋存的影响范围。研究得出,在一定范围内,距断层越近,瓦斯含量越小。浮山寨断层对瓦斯赋存的控制作用较明显。

钱营孜矿F_(22)高角度正断层防水煤柱留设宽度研究

高地应力作用下煤层采动诱发断层活化引起的承压水突涌,是深部开采矿井水害的主要形式之一,而预留断层防水煤柱依然是防止断层活化导水最主要的方法。以钱营孜煤矿F_(22)高角度正断层为典型实例,依据已有的钻探、物探和巷探资料,基于煤矿具体的水文地质和工程地质条件,以现场及室内试验数据为基础,采用有限差分数值分析方法对钱营孜矿F_(22)断层下盘靠近断层带的W3221工作面开采后防水煤柱的留设宽度进行了研究;同时根据理论公式对F_(22)断层防水煤柱的宽度进行了计算验证。结果表明:当煤柱宽度小于40 m时,断层带顶、底界面应力变化幅度及位移差会显著增加,煤层顶、底板的位移变化幅度也明显增大,断层带顶部出现塑性破坏区并且范围逐渐扩大;综合得出宽度为40 m的防水煤柱可有效防止断层活化突水。

松辽盆地王府断陷边界正断层差异变形特征及成因机制

为揭示松辽盆地王府断陷断层的差异变形特征,深化对边界正断层变形机理的规律性认识,在构造解析及断层差异性分析的基础上,结合构造物理模拟在“连续正演”和“控制变量”方面的优势,探讨边界正断层差异变形的控制因素和成因机制。研究表明:(1)根据断层活动强度划分为4个区域构造演化阶段,王府西边界正断层活动性最强,但由北至南断层倾角逐渐增大,并且在局部呈现“上凸”形态。(2)综合构造物理模拟和实际地质背景表明,边界正断层形态受控于岩性横向变化、同构造沉积作用和基底先存凸起等3个主要因素。边界正断层若同时发育在不同岩性的地层中,或者伴随强烈的同构造沉积作用,都会导致倾角发生改变;此外,断层延伸到坚硬的基底凸起附近会改变延伸趋势,绕过其顶端继续传播,导致在局部出现“上凸”形态。

不同形式正断层采动应力及瓦斯赋存规律研究

为了探究不同形式正断层的采动应力及瓦斯赋存规律,以界沟煤矿为工程背景,采用FLAC3D数值模拟研究了工作面过断层时的采动应力演化规律,通过在界沟煤矿西一采区进行现场测试,得出了不同类型正断层附近的瓦斯赋存规律。研究表明:正断层随着断裂带宽度的增大,断层带的影响范围也越大;断层带的卸压程度随断层倾角的增大,而逐渐变小,随断层落差的增大,而逐渐增大;阶梯式、地堑式、地垒式断层组合中间区域呈两边低中间高的应力分布规律,并且卸压程度要强于断层组合外侧区域;当煤厚突增发生在正断层上盘应力增高区附近时应力相对于非构造区域会增大约1.22倍,受叠加应力影响会出现应力集中现象;瓦斯含量与煤层厚度呈正相关关系,正断层附近煤层厚度与瓦斯含量总体呈现逐渐减小的趋势,并且断层落差越大断层附近的瓦斯含量和K1值就越小。当工作面推进到断层附近时应注意煤层厚度变化,加强瓦斯相关参数测试,提前预测风险,有针对性地做好防治措施。

石门揭煤过正断层煤岩体的应力特征及应用

为研究石门揭煤过正断层煤岩体力学的特征,通过建立石门揭煤过正断层煤岩体的力学模型,运用FLAC~(3D)数值计算并理论分析了石门揭煤过断层煤岩体的力学特征,石门揭煤过正断层时,工作面离断层越近,工作面顶端应力和竖向位移越大。竖向位移和应力偏大是引起揭煤工作面顶端应力集中的主要原因,也是冒顶的主要原因。为了石门揭煤的安全,现场实测了煤层瓦斯相关参数,建立穿层钻孔瓦斯抽采半径考察模型,结合瓦斯抽采数据统计计算得出不同抽采时间条件下的抽采半径。在此基础上,合理布置预抽钻孔,同时施工超前煤体加固钻孔联合抽采煤层瓦斯,起到预抽的同时,也对煤体进行了加固,加强工作面煤岩体支护等综合防控措施,保证石门揭煤过正断层的安全。

正断层影响下煤层采动的裂隙扩展规律研究

为了研究正断层影响下煤层采动的裂隙扩展规律,根据断层与煤层的位置关系进行相似材料模拟实验。在煤层和断层区域埋设应力应变传感器,借助全站仪观测记录开采引起的煤层群裂隙演化情况,并利用数字散斑测量方法对开挖过程中的覆岩下沉量进行定量分析,研究工作面远离、接近和穿过断层时上覆岩层裂隙变化规律。经过岩层下沉分析得知,当工作面接近、穿过或远离断层时,上覆岩层从直接顶处出现整体垮落,随采随落到无法形成稳定结构,随着工作面持续推进远离断层,断层岩体逐渐压实基本趋于稳定。这为煤矿中顶底板与围岩变形研究以及断层裂隙扩展研究提供了新思路,为开展煤矿断层开采工作提供了科学依据。

西太平洋俯冲板块正断层系统与动力学特征

俯冲带是地球上最大地震的发源地。俯冲板块正断层为海水进入上地幔,引起蛇纹石化提供通道,其地震可能引发大海啸。研究其动力学机制,对推动俯冲带动力学过程研究及保护人类生命安全都具有重要意义。本文综述了西太平洋汤加海沟、马里亚纳海沟、伊豆-小笠原海沟和日本海沟俯冲板块外缘隆起带到海沟附近的正断层分布与变形特征,定量化阐明了地球动力学模拟方法揭示的西太平洋俯冲板块正断层形成过程。研究发现汤加海沟和马里亚纳海沟的正断层平均断距最大;俯冲板片有效弹性厚度变化直接影响正断层形成区域,而有效弹性厚度与板块年龄相关性较大。本文系统性回顾了西太平洋俯冲动力学研究并且提出了对未来相关研究的启示。

昌马盆地内发现活动正断层

昌马盆地为祁连山西端的山间盆地,前人一直关注其周边断裂(如昌马断裂)的构造变形,盆地内部变形则鲜有研究。基于遥感解译和野外考察、探槽开挖、差分GPS和放射性碳(14 C)测年等方法,发现昌马盆地西北部的一条活动断层。断层长约4 km,总体走向NEE,倾向SE,倾角陡立,断层地貌表现为陡坎、复陡坎、断层沟槽等,陡坎高度0~5.6 m,由WS向NE逐渐增大。断层运动性质以正断为主,最新活动时代为全新世,并识别出2期古地震事件:6670~6885 a B.P.和26330~26915 a B.P.。研究结果表明,在青藏高原东北缘向NE方向挤压扩展的背景下,祁连山造山带发生NW-SE向伸展,导致其西端受到SE向拉张作用而形成正断层。

正断层下盘工作面覆岩运移及应力演化特征研究

为更好地研究工作面向正断层推进过程中覆岩运动基本特征,借助于相似模拟试验来完成对断层力学响应与位移特征研究。通过开采试验结果、覆岩位移特征以及支承压力变化情况得知工作面向正断层推采过程中冲击危险显示情况,合理确认危险区域。最终发现工作面距断层30 m时,支承压力显著提升,在工作面距断层20 m处,断层活化程度相对较高,随着与断层之间距离不断降低,工作面冲击危险性表现较高。

斜交正断层工作面矿压显现规律研究

为获得工作面与正断层斜交时的矿压显现规律,以马泰壕煤矿3112工作面过DF25正断层为工程背景,采用现场观测的方法,从围岩变形、支护体承载情况和能量角度进行了系统研究。结果表明:3112工作面回风顺槽工作面侧围岩存在不稳定的破碎区和裂隙发育区;3112工作面在推进至断层附近时,整体释放能量较低,在临近工作面采动影响下,微震事件数量和能量均有较为显著增大;3112工作面微震频次和总能量与推进度整体呈正比关系。

视正断层和剪切正断层--区域应力场与局部应力场作用下的“典型”构造

区域应力场与局部应力场是一对伴生出现的矛盾统一体。本文从构造地质研究中的一项重要课题应力场入手,介绍了区域应力场与局部应力场作用下的“典型”构造-视正断层和剪切正断层的特征以及常见断裂识别标志断层泥在应力场分析中的作用,并结合视正断层和剪切正断层的典型案例,论述了视正断层和剪切正断层研究意义,强调我国西部盆地大多属于以挤压为主的多期叠加复合型盆地。

正断层活动对公路山岭隧道工程影响的数值分析

根据渭河盆地正断层的结构特征及活动形式,采用有限元方法模拟正断层环境下公路山岭隧道衬砌的受力变形,针对断层错动量、断层倾角、隧道埋深以及隧道与断层的交角4个主要因素分别进行组合计算,并由此归纳出衬砌的破坏模式。结果表明4个因素对衬砌受力变形影响的敏感性依次减弱,在断层裂缝两侧各40m的范围内是受力变形的集中位置,且当断层倾角小于50°时衬砌的受力类似于一端固定的悬臂梁。通过对衬砌的相对沉降量、纵向应力及剪应力的分析计算,将衬砌的主要破坏模式分为3类:在大纵向应力作用下,以拉张破坏为主、挤压破坏为辅的拉张-挤压型破坏,在大剪应力作用下发生的直接剪断型破坏,以及拉张-挤压与剪切结合的破坏形式。

正断层两盘的瓦斯突出分布特征及其地质成因浅析

煤与瓦斯突出是采煤生产中一种严重的地质灾害 ,它主要发生在地质构造破坏带 .对正断层两盘瓦斯突出发生的规律研究表明 ,突出主要发生在正断层的上盘 .导致这一结果的主要原因是突出煤体主要分布于正断层的下降盘 .断层构造、构造煤分布及其与瓦斯突出的这种相互控制作用是地史上和现今构造应力场长期作用的结构 .这一规律性认识对于揭示瓦斯突出的发生机理和瓦斯突出区域预测有着重要的理论和实践意义 .讨论正断层两盘突出煤体的分布规律对于构造地质学也具有一定的启示 .

中国大陆古地震研究的关键技术与案例解析(3)——正断层破裂特征、环境影响与古地震识别

正断层在中国大陆地区广泛存在。由于地表破裂个性的存在和堆积环境的不同,要揭露真实、完整的古地震活动历史,一些问题需要认真关注和讨论。从正断层大地震地表破裂特征、一般识别标志,结合中国正断层古地震研究的案例和地质地貌、气候环境可能造成的影响,提出在中国开展正断层古地震研究,需注意的技术要点:1)因地制宜地选择探槽开挖位置。宜选择断层错动面简单、单次位移量不太大、外力的侵蚀与堆积作用相对平衡、堆积物粒度中细、能取到测年样品的地段开挖探槽;应尽量避免在断错地层以黄土、次生黄土或块状亚砂土等为主的地区,若避不开这类地点,可考虑小冲沟附近,有少量上游不同成分堆积物的地点开挖探槽。2)精细的探槽记录与分析。对于黄土等块状堆积,要特别注意颜色、粒度、排列方向的细微变化可能暗示着接触界线;识别崩积楔等的要素是崩塌相中杂乱结构和团块状物质,冲刷相上部发育的土壤层;对于坎前堆积物主要为黄土或次生黄土等不易分辨的物质时,细致辨别堆积单元的颜色、粒度、非黄土类物质和钙富集程度等。3)综合的识别技术与检验方法。"逐次限定"方法、"位移量限定法"和"多探槽校验法",断错事件的重建等,有助于判断所确定的古地震是否真实和完整。