采动条件下断层活动性综合监测方法与模拟研究

作     者：徐宝超 

作者单位：安徽理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴荣新

授予年度：2018年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：煤层采动 断层活动性 FLAC3D 电阻率CT 光纤应变 

摘      要：煤炭资源开采过程中,会遇到各种地质灾害问题,其中采动条件下,断层活动引发的一系列矿井事故造成了巨大的经济损失和人员伤亡。这引起了矿山人们广泛的关注和高度的重视,正设法采用相关监测技术手段和方法来研究采场断层活动发育的规律。目前,对于采场断层活动规律的研究单一方法过多,定量化程度不高,探测精度难以保证。因此,综合利用相关监测技术和数值模拟手段对采动影响下的断层活动性进行有效的探测和分析,发现其变化规律和演变机理对于矿山煤层安全、高效生产具有重大的意义。本文首先介绍了孔间电阻率CT法和布里渊光纤应变测试法2中测试手段的工作原理、采集方式以及后期数据的处理与分析方法;接着结合淮南某矿区的地层条件,运用FLAC3D软件建立不同断层倾角、落差、采动方向的开采模型,研究模型开采过程中断层接触面位置相对位移和剪切应力的时空演化规律,揭示了不同影响因素下断层产生活化时的响应特征;最后分别构建孔间电阻率CT法和光纤应变测试法2种现场原位方法的测试系统,根据地电场和应变场的响应特征进行断层活化带区域围岩的裂隙发育及其演化规律研究。主要获得的结论如下:(1)基于FLAC3D数值模拟方法对不同倾角、不同落差、不同开采方向的正断层进行相对位移、剪应力变化规律的分析和研究表明:在单一影响因素改变时,低角度正断层附近岩体发生的相对位移和受到的剪应力较高角度正断层大,容易产生活化;正断层落差越大,在断层下盘煤层顶板一定高度处发生的相对位移和受到的剪应力越大,该位置越容易产生活化;对于正断层而言,从断层下盘开采时,采动对断层面的影响较断层上盘开采有更明显的相对位移、剪应力响应特征,在煤层底板断层带附近,可能受到采动的影响最容易产生活化。(2)孔间电阻率CT法和光纤应变测试法2种现场原位测试方法系统的构建,对采场顶底板断层活动性发育规律进行全方位、多角度的监测,其中视电阻率反演结果确定了淮南潘二矿11223工作面底板断层影响下煤层开采导致的破碎裂隙带深度范围为20m,且底板灰岩水并没有因为这一范围内的断层带裂隙而导通上移;光纤应变监测结果显示潘一东矿区1231(1)工作面顶板FS断层面附近受采动的影响应力比较集中,沿着断层面位置容易产生剪切滑动,且根据由该断层应力分布特征和煤层开采之间的关系,提出保护煤柱的合理宽度应该大于60m。(3)孔间电阻率CT法作为一种传统的物探技术手段,可行性、实用性强;布里渊光纤应变测试法灵敏度强,精准度高。这2种方法无论从前期测试方案设计、现场的施工安装、后期的数据采集与处理,还是到最终的监测结果解析,整个过程清晰、准确、全面地揭示了利用这2种时下成熟、有效的监测方法掌握断层活化带区域围岩的变形分布及其演化特征对于深部煤层综放开采具有重大的意义。