隧道富水断层破碎带突涌预报与工程对策研究

为解决高原隧道断层破碎带易发突泥冒顶灾害的问题,采用现场调查、地面物探、洞内地震波反射法、瞬变电磁法、超前钻孔等超前地质预报方法,推广洞内物探三维分析,对富水断层破碎带突泥灾害特征、超前地质预报综合成果和工程应对加固措施进行研究。结果表明:三维物探成果能快速精准查明富水破碎带空间形态,成果直观,有效指导风险判识和工程处置措施;对富水断层带预报应充分结合勘察期成果,宏观初判断层分布特性,洞内采用物钻结合、长短结合的方法;首次提出按照“探明破碎带规模形态,查明破碎带物质组分性状,观测地下水特征变化情况”的思路,研判突泥涌水风险;施工处置应按照“探泄结合,先固后进,回堵再泄”的总体原则有序开展。研究成果和手段可为类似突涌灾害超前地质预报和工程应对措施提供参考。

郁江走滑断裂带北部储集空间发育特征及主控因素

为探索走滑断裂破碎带储集空间发育特征和形成机理,综合应用野外露头、遥感影像和岩心测试资料,对郁江走滑断裂带北部储集空间进行识别刻画和量化分析,并探讨其发育主控因素。结果表明:郁江走滑断裂带北部破碎带在平面上可分为北部张扭段和南部压扭段,不同段储集空间发育特征存在差异,张扭段裂缝开度更大,压扭段裂缝长度、裂缝线密度、破碎区面积和洞穴面积更大,总体上,压扭段储集空间发育规模相对较大;走滑断裂带构造应力是决定优势储集空间发育的外部因素,岩层厚度和岩石矿物组成是控制储集空间发育的内部因素,岩层厚度大于1 m且碳酸钙含量低于70%的碳酸盐岩经压扭作用改造后,可形成缝洞型储集体有利发育区。

鄂尔多斯盆地西南缘断缝体油藏开发特征与潜力

鄂尔多斯盆地西南缘广泛发育不同规模断层和裂缝,极大地改善了致密储层渗流能力,形成了基质储层低渗透背景下的优质油藏类型——断缝体油藏,同时也加剧了油藏的非均质性和产能的差异性,给油藏内幕结构精细刻画和产能控制因素研究带来挑战。充分运用断裂体系空间刻画、断裂分类分级和产能对比分析等方法,基于井-震-藏联合攻关进一步明确了断缝体油藏开发特征。建立了断缝体油藏“二元四区”模型,划分出断核破碎带、诱导裂缝带、微裂缝改造带、基质孔隙带等4个区带,其中断核破碎带是主要产量贡献单元。断层延伸长度越长、实钻构造位置越高,断核破碎带单井产能越高。诱导裂缝带距离断层越近,产能也越高。断缝体油井生产特征主要分为3个阶段:①断裂系统作为储集体的高产阶段;②断裂系统既作为储集体又同时发挥导流作用的储-导转化阶段;③裂缝主要发挥导流作用阶段。通过研究大幅提升了断缝体油藏高产井占比,同时对盆地西南缘中生界油藏高效滚动勘探开发部署具有重要的指导作用。

超前注浆在巷道掘进过断层破碎带围岩控制中应用

为确保双柳煤矿5301回风巷安全高效掘进通过BF36断层,以及断层影响范围内巷道围岩稳定,提出采用“超前注浆+锚网索梁”组合方式控制围岩。通过超前注浆提高断层破碎带围岩整体稳定性,并为巷道掘进创造良好条件;采用锚网索梁方式为围岩提供较大的支护作用力,确保围岩稳定。工程应用后,回风巷在断层破碎带内掘进期间未出现漏顶、冒顶、片帮等问题,在断层影响范围内,巷道顶底板、巷帮变形量分别为52、53mm,围岩变形量整体较小,使回风巷安全掘进及围岩变形得到了有效控制。

断层破碎带充填土石混合体三维孔隙结构及渗流演化规律

在矿山巷道工程建设中常遇到断层破碎带,断层破碎带充填介质组成复杂、连续性差且易受扰动,巷道穿越时极易发生突水突泥事故。本研究聚焦断层破碎带充填介质的渗流灾变问题,基于自主设计的断层破碎带冲蚀渗流实验装置,开展了骨料Talbot级配、孔隙比、砾石位置等因素的相似材料渗透实验,并且采用Computed Tomography(CT)重构技术探究了断层充填土石混合体内部细观孔隙的空间分布状态和结构特征。结果表明,影响断层破碎带充填土石混合体渗透系数的主次因素为孔隙比>砾石位置>骨料Talbot级配>Hurst指数>胶结剂含量;骨料Talbot级配越大,即土石混合体中含石量越大,断层破碎带充填土石混合体渗透系数也越大。土石混合体制样时孔隙比越小、胶结剂中水泥含量越多,土石混合体渗透系数越小;土石混合体含石率与渗透系数之间呈现出较好的指数关系,孔隙比与渗透系数成正比例关系。通过开展三轴渗流实验,采用CT扫描充填土石混合体孔隙结构发现,在渗流过程中存在细小颗粒的运移堵塞分割一些较大孔隙的情况,并使其分化为较小的孔隙,在含石率为70%的试样中,流体对细小颗粒的冲蚀作用更加明显。本研究结果为断层破碎带的灾害防治提供了理论依据。

基于钻孔土层参数的黄金开采地质特征三维模拟

为了解决黄金开采过程中由于数据不足和参数偏差等不确定因素导致的地质特征分析难度大的问题,提出一种基于钻孔土层参数的黄金开采地质特征三维模拟方法,以改进资源储量估算的准确性。采用钻探设备获取钻孔土层信息,并利用距离反比加权差值法优化钻孔土层参数,建立包含地质参数的数据库。基于这些参数,可以使用Surpac软件来构建具有地下空间的三维模型,生成黄金开采区不同地质特征。实验测试结果显示:该钻孔土层参数能够构建较为理想的黄金开采区地下空间三维模型,同时还能模拟出地下空间黄金开采不同深度的地质特征,划分出研究区域的断裂带以及金矿分布、侵入岩位置,准确估算出金矿储量,误差值在2%以内。所提出的基于钻孔土层参数的黄金开采地质特征三维模拟方法具有较高的可行性和准确性。该研究方法的应用可以提高黄金开采区地质特征分析的准确性和可信度,有助于更好地理解研究区域的地质环境,为黄金开采过程中的决策制定提供准确的地质数据支持。

隧道断层破碎带三维综合超前预报应用研究

隧道内断层破碎带是一种致灾性极高的不良地质体,施工过程中对其精准探测一直都是隧道超前地质预报的重难点。为有效预防因断层破碎带引发的隧道坍塌、突水、涌泥等事故,提出了基于TGP法+瞬变电磁法+地质雷达法的三维综合探测方法,并用于实际隧道工程中,取得了良好的探测效果。结果表明:1)TGP法、瞬变电磁法及地质雷达法优化组合形成的综合超前预报方法,不仅能有效提高探测的准确性,还能获取更全面的地质信息;2)采用三维探测及可视化技术能更直观、准确地展示断层破碎带的发育规模、性质以及与隧道的空间关系,为隧道建设提供更形象的预报成果。

红桥关隧道穿越川主寺1^(#)断层破碎带施工技术研究

以新建成兰铁路红桥关隧道D1K255+794.5~D1K255+756段穿越川主寺1^(#)断层破碎带发生的变形破坏为工程背景,根据出现的初期支护拱墙喷射混凝土剥落、掉块、钢筋网片拉裂、钢架扭曲变形和断裂现象,分别从地应力、地质构造、地下水和设计参数等方面阐述隧道变形破坏要因,通过采取钢花管注浆加固和套拱技术、断面扫描监测技术、侵限处理技术、地应力量测技术等综合解决红桥关隧道断层破碎带变形破坏问题,同时也为设计参数的优化调整提供依据。

深部过断层巷道围岩变形特征及支护技术研究

针对过断层破碎带巷道围岩变形大、难支护的问题,以焦家寨煤矿南翼回风巷道穿越断层破碎带为工程背景,根据现场地质条件和数值计算,研究了巷道过断层破碎带围岩变形特征及影响因素,提出了“U型钢+喷射混凝土+注浆+锚网索”联合支护方案,并进行了现场实践。结果表明,优化支护方案下,巷道顶板下沉量、底鼓量及两帮收敛量分别为138、114、164 mm,巷道变形量明显减小,且在巷道掘进过程中,没有发生冒顶和片帮等现象,确保了巷道掘进的安全。

内马铁路穿越大型裂谷工程地质特征及设计方案研究

为了选取合适的穿越活动断裂带铁路隧道安全防控措施,以东非大裂谷东翼地区恩贡隧道为例,采用现场地质调查及理论分析方法,对隧道穿越的断裂带范围内地层结构进行针对性研究,对其地质特征及断裂活动进行总结评价,进而推断出对隧道工程的影响,制定隧道专项设计原则及方案。研究表明,该隧道工程区域内的活动断裂以正断层陡坎形式分布,当7级强震发生时,隧道穿越的断裂带会发生0.9 m平均垂直位移,针对这些裂谷区域可预见的地质灾害,应在设计初期阶段进行规避或预防。研究结果表明,(1)线路应尽可能地规避地质不利地层,若无法绕避,则应采用易于修复的隧道、路基等结构大角度通过;(2)考虑震后的可修复性,应在线路平纵曲线要素的设计上留有足够的富余量,以满足震后调坡需求;(3)应在建设初期对隧道二衬结构内轮廓进行包容性设计,使其灾后隧道内轮廓仍满足列车正常通行的限界要求;(4)针对震后修复需求,对隧道内部轨下结构形式、接触网悬挂方式、水沟电缆槽形式及隧道分节段的结构形式进行特殊设计,使隧道在震后拥有快速恢复正常使用的能力。

西藏扎拉水电站闹中断裂带岩体工程地质特性研究

西藏扎拉水电站引水隧洞穿过闹中断裂带长度达305 m,是围岩失稳的易发地段,常规勘察方法难以对深埋于地下百余米的洞身段断裂带岩体性质作出准确的判断。为了给引水隧洞穿越断裂带的结构设计、断裂带缺陷处理提供地质依据,在勘探、室内试验和浅层现场试验的基础上,分析了断裂带岩体的性状及物理性质,采用岩体强度计算公式、专家会议法和Hoek-Brown强度准则对断裂带深部岩体的力学特性进行了分析计算。研究表明:闹中断裂带岩性软弱,结构较破碎,预测坍塌失稳现象较突出,成洞困难,会发生一定程度的塑性变形;专家会议法主要考虑岩体性状的异同,Hoek-Brown经验公式主要基于声波纵波速随深度的变化,两种方法获得的断裂带深部岩体的力学参数值相差不大,可作为初步设计的依据。研究成果及方法可供类似工程借鉴。

中国西部盆地挤压逆冲构造带低角度裂缝的成因及意义

低渗透储层裂缝通常以高角度构造裂缝为主,但在中国西部盆地挤压逆冲构造带的低渗透储层中,还发育一类低角度构造裂缝。这类裂缝主要发育在逆冲断层或滑脱层附近的中砂岩和粗砂岩中,裂缝与层理面呈小角度斜交,具有较好的等间距性。部分裂缝被方解石、石英、沥青或碳质充填,部分裂缝具有明显的溶蚀现象,并与高角度构造裂缝呈相互切割关系。地质分析和数值模拟研究表明,这类低角度裂缝的形成主要与构造挤压作用下断层的逆冲作用或层间滑动造成的近水平剪切作用有关,而非卸载成因。这类低角度裂缝的发育范围较大,横向连通性好,水平渗透率高,并且和高角度裂缝相互交织在一起,可以构成良好的裂缝网络系统,有利于油气在低渗透地层中的富集和形成高产油气井。

汶川大震的科学思考

在野外地震地质科学考察的基础上,围绕汶川地震发震断层的特征、发震机制、地表破裂带的分段性与分带性、南北构造带地震危险性、地震地质灾害的多发性及链生性、工程建(构)筑物的破坏特征与安全性、地震烈度区划问题及极端自然灾害的预测与应对等进行了分析和讨论,并就有关问题提出了一些新的思考。结果表明,低速滑动断层、晚更新世断层或中央活动断裂也可以发生强震;汶川地震同时具有深部构造的控震作用;地表破裂沿走向可分为映秀—安县段、北川—关口段及青川段;地表破裂可分为主破裂、牵动破裂与感应破裂3种类型;青川段的深部破裂与浅部破裂没有几何上的连续关系或继承关系;贺兰—川滇南北构造带是中国大陆强震多发带,尤其是其北段的六盘山—天水—武都—青川一带未来的强震危险性不容忽视;汶川地震地质灾害具有灾害类型多、成因机理复杂、灾害链长、规模大、范围广、灾害程度深、危害对象广、持续时间长等特点;高烈度区和活断层沿线的地质灾害危险性区划与预测评价对防灾减灾极为重要;活动断裂沿线应注意破裂影响带宽度与建筑物安全避让距离;应对地震等极端自然灾害,应以预防为主,综合减灾;地震烈度区划应同时考虑活动断层的复发周期、地震的离逝时间乃至地形地貌条件;重大工程应提高设防烈度;应当加强极端自然灾害预测评估,完善应对对策和提高应对水平。

滇中小水井金矿煌斑岩特征及与金矿化的关系

小水井金矿床煌斑岩呈树枝状、环状、不规则状沿断裂带侵入,岩石为致密块状细晶辉石云斜煌斑岩,其SiO2含量32.28%～49.72%,属基性-超基性范围,为碱性系列的富钾钙碱性煌斑岩,以富集大离子亲石元素和轻稀土元素,而亏损高场强元素(Ta-Nb-Ti)为特征,稀土元素分布型式类似于大陆玄武岩。煌斑岩为富含稀土元素的俯冲带流体交代过的富集地幔部分熔融所产生的岩浆,在上升过程中受到部分地壳混染的产物。对煌斑岩的黑云母进行Ar-Ar法年龄测定,获得煌斑岩40Ar-39Ar坪年龄值为(32.08±0.32)Ma,等时线年龄值为(31.86±0.40)Ma,形成时代属于新生代古近纪渐新世早期。煌斑岩与金矿化在空间分布、形成时间及成因上有密切的内在联系,煌斑岩与金元素均来自地幔,煌斑岩与金矿体均受控于断裂破碎带,共用了相同的断裂构造空间;金主成矿期早于煌斑岩,煌斑岩切穿了断裂破碎带及金矿体,煌斑岩的侵入为金进一步富集提供了物源、热能、含矿流体,使金矿化叠加富集。煌斑岩是寻找金矿的重要标志之一。

断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明:(1)断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流-侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;(2)破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;(3)梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率-时间(Q-t)、水力梯度-涌水率(i-Q)关系的流态转换分析和基于渗透率-水力梯度(k-i)关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。

井下断层地质破碎带巷道堆积体垮落形态

针对断层地质破碎带在发生瓦斯爆炸灾害时导致巷道垮塌的问题,分析了断层破碎带的地质特征和垮落堆积体特征,依据自然平衡拱理论和弹塑性理论,推导了垮落体冒空区高度、宽度与堆积体范围计算公式。堆积体横向最大失稳宽度和纵向最大冒落高度,均与巷高、巷宽、侧向应力系数、碎块充填体的似内摩擦角有关。堆积体范围为断层破碎带长度、堆积前区和堆积后区三者之和。该研究为实施救援前预判巷道垮塌形式、救援时效、制定相应救援方案提供理论和技术支持。

断层破碎带的建模方法和意义

在露头中观测到的断层通常显示为一个破碎带,而在地质建模中,断层被简化成一个面,因此无法对断层破碎带进行有效表征。为此,文中提出了一种新的断层破碎带建模方法:用2个断层面表示断层破碎带的2个边界,断层面之间的距离由断层破碎带的范围决定,2个断层面所圈定的部分作为断层破碎带。在断层破碎带内部,将其中的断面充填物与裂缝带分别表征,由此可以表示充填物与裂缝带的不同组合模式。新的建模方法既较好地表征了断层破碎带内部结构,又更好地体现了断层封堵性,能够建立更加符合地质实际的断层模型。

穿越断层破碎带隧道动力响应特性分析

通过数值分析和振动台模型试验相结合的方法,研究穿越断层破碎带隧道在地震荷载作用下横向内力分布和纵向动力响应特性。结果表明:围岩条件是影响衬砌地震内力的重要因素,围岩越差,地震作用产生的内力越大,其抗震性能越差;在横断面方向,不同围岩条件下衬砌内力均在共轭45°方向最大,为隧道抗震最不利位置;在纵断面方向,隧道位于围岩与断层破碎带接触面时,衬砌地震内力急剧增大;当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后,其内力趋于一个稳定值。研究结果可为穿越断层破碎带隧道结构抗震设防提供参考。

地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用

在公路隧道施工中,由于勘察设计的局限性和隧道围岩地质条件的复杂性,因此难以对复杂的地质情况做出准确的微观把握,往往造成地质勘探资料也与实际情况不符,特别是不良地质地段准确位置之间不可避免的存在误差,因而不能及时采取有效措施,进而引发隧道内塌方、涌水、涌泥等地质灾害,对隧道施工造成极大的影响及危害,在黄衢南高速公路隧道施工期间,为确保隧道施工安全,使用瑞典RMAC/GPR地质雷达对隧道掌子面前方地质情况进行了及时准确的预报,并以此为依据进行动态设计,提前采取预防措施,确保了工程安全,节省了工程投资,达到了较好的预报效果。

阵列式HSP隧道地质预报技术及其应用

阵列式水平声波剖面法(HSP)隧道地质预报技术,是一种在隧道施工中采用锤击、电火花等为激发震源探测隧道施工掌子面前方不良地质体(带)的新型超前地质预报方法。文章在介绍阵列式水平声波剖面法隧道地质预报技术基本原理、数据处理软件、仪器及测试布置的基础上,通过阵列式水平声波剖面法在溶洞、破碎带和断层探测预报中的实际应用,总结了阵列式水平声波剖面法的技术优势。