断层活化导水室内试验研究

　　摘要：通过室内实验揭示了断层在一定条件下存在着活化导水的性能，并剖析了这种性能的力学机理，阐明了水压、围压及断层面形态对断层突水量的影响。在此基础上，分析了水压、围压及断层面形态与导水流量的定量关系。
　　关键词：断层、活化、突水流量
　　据资料统计，我国煤矿的突水事故80%~90%以上和断层有关。我国华北重大奥灰突水其通道绝大多数是断层。大量工程实例表明：在原始地质条件下，断层与含水层直接沟通，构成导水断层的突水事故比例较小；绝大多数是原始地质条件下的非导水断层，在采动影响下发生突水，即断层活化。即使开挖前采取了超前探水措施，确已摸清断层的导水性，仍不能避免突水事故的发生。在开采过程中，采区内往往分布着较多落差0~10m的断层，而对于落差小于5m的断层很难在工作面布置之前探清，即使由于这些断层的存在，导水裂隙带未导通含水层，也发生了一些事故，这是因为回采过程中断层带在高水压作用下活化导水，进而导致突水事故。因此，有必要研究断层在采动影响下活化导水的机理，寻找防治断层活化导水的方法，并采取相应的措施。 
　　1、断层活化导水力学原理
　　通过相关力学理论[1]对断层的活化导水力学环境进行分析:不导水断层在一定条件下，如受地下水压力作用下，其张开度会发生变化。设垂直于断层面的法向应力为，地下水的压力为P，则有效应力q=，断层一盘受渗透水压力的作用引起的变形可用半无限边界上作用有均布力的弹性变形的Boussinesq公式[2]求解，设断层一盘是以裂隙长度a为半径的圆盘型平面，整个断层面上作用渗透水压力P。
　　在原始状态下，一般情况下，地下水压力P小于断面的法向应力，则，断层的导水性能不变。而在开采条件下，由于矿山压力的作用，断层面的法向应力会发生变化，有时会出现P大于，即断层开始活化
　　以上论述表明，对于不导水断层，只有当,才会出现活化导水现象
　　2、水压、围压及断层面形态对断层突水量的影响
　　从宏观角度来看，断层可是视为一条规模巨大的单裂隙，众多试验研究表明[3.4]，随着法向应力的增加，裂隙面将逐渐闭合，隙宽也将逐渐减小，从而影响了裂隙岩体的渗透性。而对于断层来说，采动造成的周期性应力场变化（压缩—膨胀—压缩）使得断层两盘的应力场也发生着相应的变化，从而使得断层带宽度发生变化，因此断层带围岩压力对突水量存在着直接影响。
　　3、断层活化导水室内试验研究
　　我们在山东我们在葛亭煤矿选取了6块岩样，岩性主要为砂岩和灰岩。岩样加工成圆柱形，尺寸为：Φ50×100mm。通过单轴压裂的方法认为制造单裂隙。压裂后的岩样其断裂面呈不规则形态，我们用粉笔来回横涂于断裂面，直至面积无明显变化。凸起部分着色，凹下部分无色，用相机拍取照片记录下着色部分的面积，用CAD导入照片，求出其凸起部分面积率。通过对6块岩样进行室内试验并分析数据发现：○1当水压P＜围压时，裂隙在围压作用下处于闭合的状态，裂隙宽度张开度很小，水压所具有的势能一方面不足以使得裂隙在法向方向发生位移或者微小的位移，另一方面在经过闭合状态下的裂隙时，水压势能多消耗在摩擦做功上，能转化为水流动能的微乎其微，因而造成了滴水的现象。○2当水压P＞围压时，水压力在裂隙法向方向上对其做功，造成裂隙法向上的位移，使其张开。裂隙一旦张开，一方面水流经过裂隙时消耗在摩擦上的势能减弱，更多的转化为水流的动能，从而使流量增大。○3裂隙内不透水胶的存在使得水流通过时阻力增大，同时也造成压力的集中，势能积聚，出现流量突增和水浑浊等现象。流量Q和注水水压呈对数关系，Q随水压的增大而变大；流量Q和围压呈负指数函数关系，Q随围压的增大而减小。
　　流量Q与裂隙面形态的关系进行分析：裂隙面凸起部分的面积大小：凸起部分代表着水流经过时将改变方向，一方面增加了渗流途径长度，增加摩擦消耗；一方面改变了渗流方向，减弱了水流的速度，凹凸程度越强，流速减弱越明显。
　　表（1）裂隙面凸起面积率及数目统计表

　　由以上图和表（1）可知，岩样11其凸起数目远小于其余岩样，也就是说，其光滑度较其余几块较好，在渗流过程中，水流损耗于变向及摩擦的能量较少，因此在试验过程中其裂隙流量较大。
　　4、结束语
　　本文对断层活化导水，采用了室内试验研究的方法，分析了其主要的影响因素：水压、围压及断层面形态对断层突水量的影响及定性关系。为预防煤层在进行采动情况下力学性质发生变化导致的断层活化提供了实质的意义。
　　参考文献：
　　［1］ 黎良杰，钱鸣高，李树刚，断层突水机理分析［J］.煤炭学报，1996
　　［2］ (美)W.F.休斯(F.HughesWilliam)(美)J.A.布赖顿(JohnA.Brighton)，科学出版社，2002
　　［3］ 王媛，速宝玉单裂隙面渗流特性及等效水力隙宽［J］.水科学进展，2002
　　［4］ 孙广忠，林文祝结构面闭合变形法则及岩体弹性变形本构方程［J］
　　地质科学，1983

《断层活化导水室内试验研究》

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