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断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

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煤炭学报 2023年第2期48卷 666-677页

作者：马丹李樯张吉雄刘勇侯文涛中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布... 详细信息

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律,构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明:(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构,级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大,降低破碎岩体的压缩性,增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变,降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用,束缚孔隙率对渗透率的影响较小,增大应力会降低破碎岩体渗透性,大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述,应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反,小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型,通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献,可显著提高级配破碎岩体渗透率预测效果的准确性。研究结果为发展煤矿采动突水灾害理论和防控技术提供了科学依据。

关键词：断层破碎带破碎岩体孔隙结构渗流特性预测模型

断层破碎带剪切作用下力链结构及演化光弹试验研究

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岩土力学 2020年第8期41卷 2627-2635页

作者：展亚太王金安李飞杨柳北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

断层破碎带颗粒介质体系中力链形成机制及其演化规律,是研究含破碎带断层蠕滑、黏滑以及地震等地质灾害发生的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹试验装置,对断层破碎带剪切作用下的宏观力学特性、破碎带中光弹力链网络结构及演... 详细信息

断层破碎带颗粒介质体系中力链形成机制及其演化规律,是研究含破碎带断层蠕滑、黏滑以及地震等地质灾害发生的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹试验装置,对断层破碎带剪切作用下的宏观力学特性、破碎带中光弹力链网络结构及演化、力链空间分布及强度等特征进行研究。结果表明:(1)断层破碎带中,岩体颗粒之间通过力链传递力的相互作用;破碎带与断层诱导裂隙带之间存在易滑段与不易滑段,揭示了剪切作用下破碎带空间变形非均匀特征;破碎带中岩体颗粒物质的重新排列,引起易滑段与不易滑段的动态演化。(2)破碎带中较大粒径角砾岩颗粒承载了断层上下盘之间的主要挤压及摩擦力,起到了骨架支撑的作用;随着剪力的增长,强力链方向发生偏转,向竖直方向靠拢。(3)处于高应力状态的断层远离破碎带边缘位置岩体颗粒更容易发生破坏、碎裂、重新排列,从而引起强力链空间方位的变化;随着竖向荷载的增大,强力链空间方位由明显各向非均匀性向各向均匀性转变。(4)竖向荷载变化对断层破碎带中力链比例和颗粒接触力分布频率影响较小,对力链空间分布及强度影响较大。

关键词：断层破碎带剪切滑动光弹试验力链演化

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断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

岩土力学 2020年第6期41卷 1911-1922,1932页

作者：张庆艳陈卫忠袁敬强刘奇荣驰中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

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。... 详细信息

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。

关键词：断层破碎带试验研究突水突泥渗透演化特征

断层破碎带条件下组合式圆截面抗滑桩加固边坡效果研究

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地质科技通报 2022年第6期41卷 253-261页

作者：罗晓娟寇桓嘉祝国强宋成彬苗宇芃浙江公路水运工程咨询有限责任公司杭州310006 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站湖北武汉430074

随着我国公路建设不断向山区深入,在地质构造复杂区公路边坡遇到断层破碎带的情况日渐增多,亟需开展阻滑能力强的抗滑桩结构加固边坡研究。传统的人工挖孔桩施工模式存在高风险、低效率等缺点,而组合式圆截面抗滑桩具有施工效率高、安... 详细信息

随着我国公路建设不断向山区深入,在地质构造复杂区公路边坡遇到断层破碎带的情况日渐增多,亟需开展阻滑能力强的抗滑桩结构加固边坡研究。传统的人工挖孔桩施工模式存在高风险、低效率等缺点,而组合式圆截面抗滑桩具有施工效率高、安全便捷等特点,为此,探究其对含断层破碎带边坡的加固效果具有现实意义。采用自主设计的边坡物理试验系统,设计了5种不同破碎带厚度与组合式圆截面抗滑桩组合的物理模型,采用坡顶逐级加载的方式模拟加载,监测桩身应变、桩顶位移和桩后土压力,采用高速相机捕捉滑体变形破坏图像,并使用粒子图像测速(PIV)技术对图像进行处理。研究结果表明:组合式圆截面抗滑桩通过限制桩后滑体水平位移,并将滑体限制在前、后排桩间来达到加固边坡的效果;滑体演化分为变形压密、加速变形和破坏滑移3个阶段;前、后排桩桩后土压力比值介于1/3~1/2之间;随断层破碎带厚度增加,滑体水平滑移速率增大,组合式圆截面抗滑桩的桩顶位移增大,桩身最大正弯矩减小。模型试验与数值模拟计算的弯矩及桩顶位移较为吻合,研究成果可为边坡工程组合式圆截面抗滑桩设计提供一定借鉴与参考。

关键词：公路边坡组合式圆截面桩断层破碎带物理模型试验 PIV技术加固效果

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断层破碎带内隧道纵向受荷特征和变形分析

中国公路学报 2021年第11期34卷 211-224页

作者：颉永斌董建华兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

为了探究断层破碎带处隧道沿纵向的变形和受力特征,首先基于筒仓理论和地层应力分布特征,考虑断层破碎带的几何特征和围岩特性,建立了断层破碎带内隧道纵向荷载简化计算模型,并利用应力传递原理进行了求解;其次将隧道简化为破碎带纵向... 详细信息

为了探究断层破碎带处隧道沿纵向的变形和受力特征,首先基于筒仓理论和地层应力分布特征,考虑断层破碎带的几何特征和围岩特性,建立了断层破碎带内隧道纵向荷载简化计算模型,并利用应力传递原理进行了求解;其次将隧道简化为破碎带纵向荷载作用下的弹性地基梁,利用有限差分理论计算了破碎带纵向荷载作用下的隧道变形和受力特征。开展了相应的数值模拟和室内模型试验,结合试验数据和数值计算结果对理论模型进行了验证,并分析了埋深、破碎带宽度和倾角变化对隧道纵向变形和受力的影响。结果表明:①埋深越大,破碎带内纵向荷载越大,但纵向荷载的增长速率越小,隧道在上下盘与破碎带交界面附近的剪力和弯矩差值越小;②破碎带宽度越大,纵向荷载整体越大,隧道在上下盘与破碎带交界面附近的剪力和弯矩差值越大,最大变形位置越接近于下盘和破碎带交界面;③破碎带倾角越大,纵向荷载越接近于均布,上下盘和破碎带交界面附近变形和受力越趋于对称。

关键词：隧道工程断层破碎带模型试验纵向变形应力传递原理数值模拟

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断层破碎带垮冒堆积体空间尺寸及变形机制

地下空间与工程学报 2022年第2期18卷 465-475页

作者：陈光波滕鹏程李谭张国华内蒙古科技大学矿业研究院内蒙古包头014010 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 黑龙江科技大学矿业工程学院哈尔滨150022

煤矿灾后垮冒堆积体堵塞巷道并中断救援路线,严重影响救援工作的开展。以断层破碎带灾后垮冒堆积体堵塞救援路线为背景,在首次阐明断层破碎带地质特征和堆积体形态特征的基础上,推导了巷道冒空区尺寸、堆积体覆盖范围、堆积体高度计算公... 详细信息

煤矿灾后垮冒堆积体堵塞巷道并中断救援路线,严重影响救援工作的开展。以断层破碎带灾后垮冒堆积体堵塞救援路线为背景,在首次阐明断层破碎带地质特征和堆积体形态特征的基础上,推导了巷道冒空区尺寸、堆积体覆盖范围、堆积体高度计算公式,讨论了堆积体的变形特征和碎块移动方式。研究发现:断层破碎带可分为碎块型、裂隙型、共生型3种类型;岩石碎块越坚硬,碎块粒径越分散;紧密堆积体碎块接触点数目较松散堆积体多;冒空区尺寸和堆积体高度均与巷道高度、宽度、侧向应力系数、似内摩擦角有关;堆积体覆盖范围与巷道高度、巷道揭露断层破碎带长度、前区堆积角、后区堆积角有关。实测结果表明:巷道冒空区尺寸、堆积体覆盖范围、堆积体高度计算公式符合现场实际,吻合度较高;堆积体变形分为受载变形和蠕变变形;块体调整方式为横向移动调整、纵向移动调整、自身转动调整3种方式。

关键词：断层破碎带堆积体空间尺寸变形机制理论推导

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断层破碎带隧洞管棚支护参数设计方法

长江科学院院报 2022年第12期39卷 62-67页

作者：陈培马旭强龙杰李占彪黄书岭云南省滇中引水工程有限公司昆明650000 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室武汉430010

为确保断层破碎带内隧洞的安全施工和掌子面岩体稳定,提出了一种管棚支护参数的设计方法。首先,对管棚分段且取其中一部分作为有效计算长度,采用太沙基理论计算松散破碎岩体对管棚的荷载,根据约束条件将洞内管棚简化为两端固支梁,得到... 详细信息

为确保断层破碎带内隧洞的安全施工和掌子面岩体稳定,提出了一种管棚支护参数的设计方法。首先,对管棚分段且取其中一部分作为有效计算长度,采用太沙基理论计算松散破碎岩体对管棚的荷载,根据约束条件将洞内管棚简化为两端固支梁,得到管棚弯矩、挠度和端部反力。然后,根据岩体和管棚的各类破坏条件,推导了管棚支护参数的计算公式。最后,介绍该方法在某断层破碎带隧洞的应用情况。该隧洞前期超前支护仅采用小导管,已发生数次掌子面坍塌。基于此方法分析小导管支护偏弱并进行了管棚支护设计,在之后开挖过程中收敛变形减小,管棚支护取得了较好的加固效果。研究成果可为断层破碎带隧洞管棚支护参数设计提供参考。

关键词：隧洞断层破碎带管棚参数设计掌子面稳定

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煤层气井高产水地质与工程因素及控水措施

煤炭科学技术 2022年第10期50卷 151-158页

作者：胡海洋陈捷娄毅李玉魁贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心贵州贵阳550081 贵州省煤田地质局地质勘察研究院贵州贵阳550081 贵州盘江煤层气开发利用有限责任公司贵州贵阳550081

为解决高产水煤层气井难以有效降低储层压力的难题,需根据煤层高产水原因采取针对性措施进行煤层控水。通过对六盘水煤田古德井区高产水煤层气井从含煤性、孔渗性、含水性、构造、钻井、压裂、排采等七方面进行地质与工程研究,查找煤层... 详细信息

为解决高产水煤层气井难以有效降低储层压力的难题,需根据煤层高产水原因采取针对性措施进行煤层控水。通过对六盘水煤田古德井区高产水煤层气井从含煤性、孔渗性、含水性、构造、钻井、压裂、排采等七方面进行地质与工程研究,查找煤层气井高产水的具体原因,采取有效控水措施,实现煤层气井排水降压、解吸产气的目的。研究表明:古德井区多煤层发育,采取多煤层组段压裂、合层排采的方式,提高煤层气资源开发效率;古德井区地层含水性较弱,煤层孔渗性较差,地层出水性较弱,但断层构造相对较发育,增加断层破碎带含水、出水风险;煤层气井直接钻遇断层的概率较小,但压裂施工影响半径一般在100 m以上,易沟通井筒附近的断层破碎带,煤层气井高产水风险增加;古德井区煤层气井压裂施工沟通上部压裂段的断层破碎带导致高产水,可采取注水泥封堵的措施进行控水,控水作业后煤层气井产水量显著下降,产水降幅超过80%,储层实现有效降压。

关键词：煤层断层破碎带煤层气高产水控水压裂排采

穿越多破裂面隧道节段衬砌地震损伤破坏振动台试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第9期42卷 2237-2252页

作者：张熙申玉生常铭宇粟威周鹏发王浩鱇西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031

依托我国西部高烈度地震区穿越大型活动断裂带隧道工程,开展穿越断层带多破裂面隧道振动台试验。根据测点加速度响应、动应变响应、位移响应和震后裂缝形态,研究隧道节段式衬砌结构和围岩在强度递增地震波激励下的能量、损伤变化特征,... 详细信息

依托我国西部高烈度地震区穿越大型活动断裂带隧道工程,开展穿越断层带多破裂面隧道振动台试验。根据测点加速度响应、动应变响应、位移响应和震后裂缝形态,研究隧道节段式衬砌结构和围岩在强度递增地震波激励下的能量、损伤变化特征,基于希尔伯特–黄变换(HHT),从Hilbert边际谱和瞬时能量谱角度讨论围岩和隧道结构的地震损伤发展。研究结果表明:(1)强震作用下模型土表面同震位移显著,根据破裂面两侧围岩同位错量可定义断层破碎带内的主、次破裂面。(2)断层下盘主破裂面附近隧道结构的损伤发展滞后于上盘,0.4 g地震作用下主破裂面附近隧道结构主频和边际谱峰值降幅最大达到了29.1%和87.1%,损伤发展程度远大于其他部位。(3)隧道结构以受拉开裂为主,0.2 g地震作用上盘主破裂面附近仰拱出现拉裂破坏,而拱腰在0.4 g地震作用产生拉裂破坏。(4)断层上盘围岩在0.5 g地震动下主频降幅达到34.7%,围岩损伤程度明显超过下盘和断层破碎带中部。(5)根据隧道结构破坏形态,仰拱是隧道抗震薄弱部位,出现了不同程度开裂,需要加强隧道仰拱的抗震与减震耦合设计;断层上盘交界面附近隧道结构地震损伤最为严重,断层破碎带中部隧道结构震害较轻,穿越断层破碎带隧道需分区抗震设防。本文结论可为高烈度地震区隧道工程抗震与减震设计提供一定的参考依据。

关键词：隧道工程断层破碎带多破裂面边际谱裂缝形态振动台试验