采动影响下断层活化导水数值模拟研究-论文.pdf

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1、第11期江苏科技信息No．1l2014年6月JiangsuScience&TechnologyInformationJune，2014采动影响下断层活化导水数值模拟研究王岩生，朱卫琴z，张以高s(1．淮安市地质矿产勘查院，江苏淮安223001；2．淮安市国土资源局，江苏淮安223001；3．江苏省地质调查研究院，江苏南通216001)摘要：文章通过分析采动过程中断层带的力学特征及渗流变化规律，结合弹性力学及裂隙介质水动力学知识，推导出断层活化导水的必要条件：地下水水压P大于断层破碎带最小主应力cr3，断层的应力屏障效应导致断层带

2、附近出现应力集中和高应力梯度，这是断层活化前的一个明显特征。数值模拟结果一方面反演了2321工作面F4断层活化导水过程，验证了断层活化导水必要条件的可靠性；另一方面显示当23133-．作面开挖至距F6断层面27m时达到活化导水临界状态，当开挖至距断层面17m时F6断层可能发生活化导水。关键词：断层活化导水；地下水水压；采动影响；最小主应力；条件0引言是断层带液体压力大于最小主应力(>，)。虽然目前对于断断层活化导水是指在原始状态下为不导水或渗透性较弱层活化导水的研究不少，但在断层活化导水判据的准则上，还的断层，在采动过程中，受应

3、力重分布的影响，特别是在应力没有统一而准确的标准。释放过程中，其渗透性发生明显变化，继而成为导水通道。据某矿目前开采的2313十分靠近F6断层，其水文地质特征文献[卜2统计，在全国范围内突水量大于600m’／h的突水案例与F4断层(2007年曾发生断层活化导水，造成该矿2321工中，导水断层引起的占38．7％，采动断层(一般为采动作用下活作面突水)十分相似。F6断层在开采中是否会活化导水，直接化导水)引起的突水占20％。由于断层活化引起的突水，具有影响2313工作面开采的安全性。为此，文章通过理论分析，提明显的滞后性、隐蔽性，一

4、般较难预测及防治，是煤矿开采过程出断层活化导水的必要条件，数值模拟选取2321工作面及中的主要威胁之一。2313工作面为对象，对F4断层活化导水过程进行反演，同时李晓昭、姜耀东3-4认为，在采动影响下，断裂带往往出现对2313工作面近F6断层开采断层活化导水可能性进行论较强烈的附加切向应力和围压变化，导致构造岩体力学性质变证。化，原有裂隙的发展及新生裂隙的产生与张开是断层变形活化1断层活化导水理论分析导水的主要原因，工作面距离断层越近，越容易发生活化。于断层活化导水过程是采动应力与渗流场耦合产生的结果。广明、李利平刮将断层带物质

5、分为弹性介质及应变弱化介质在开采过程中，断层带介质在应力作用下产生新的节理、裂隙，两部分，在采动影响下，两者应力、应变及渗流特征不同，同时造成介质渗流能力增强，使得断层导水。结合突变理论，得出断层活化必要条件：断层带内弹性介质与1．1断层带介质力学破坏机制应变弱化介质的刚度比不大于1。I-万奎、师本强[-s认为，断采动过程中应力的“集中一释放一集中”导致断层带介质内层的破坏形式与断层的倾角有很大关系，随着断层倾角的增大应力达到临界状态，使得断层带介质遭受破坏[12-14]。断层带介及工作面的推进，断层发生剪切、拉张破坏，同时断层

6、越易活质在采动应力变化过程中的破坏主要体现为：①在附加剪应力化。Gudmundsson，AE9-10认为，断层活化导水应满足2个条件：作用下，原始张性或剪切裂隙被再次拉张，或直接形成新的拉张、剪应力的集中将使得断层活化，同时产生大量新裂隙，或使张或剪切节理；附加剪切应力达到一定值时，造成断层两盘得原有裂隙张开，从而使得断层带及其附近区域的渗透能力增滑移。②在附加法向应力作用下，产生压剪破坏。随着开挖面到强；断层带的走向必须同地下水水力梯度方向平行。Henri断层距离的缩短，由于断层的“屏障效应”]，最小主应力显著Leel~re根

7、据有效应力比值、静摩擦系数和内聚力，将断层增加，出现明显的应力集中现象和较高的应力梯度，造成断层面方向与周边应力场的结合情况分为有利的、不利的和完全混带介质力学强度减弱，产生大量新的微观节理、裂隙。由于断层乱的3类。其中在第3类中，发生断层活化导水的唯一可能性带介质的力学强度不断减弱，断层“屏障效应”逐渐消失，应力作者简介：王岩生(1984一)，男，河北隆化，助理工程师；研究方向：水文地质。一15—20第141年1期6月江苏科技信息·技术探讨No．11June，2014集中现象逐渐消失，最小主应力逐渐减弱，使得断层带内孔隙、薹[

8、eoE+4n(1一)(p一，)](2)裂隙张开，从而为断层活化提供了良好的导水通道。式中：1．2断层带介质渗流特征△e一张开度增加量；采动引起断层带应力场呈现出“集中一释放一集中”的周期一岩体弹模；性变化。而断层带介质的渗流特征说明了应力场的这种变化。"一泊松比