CN110866337A - 一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法，包括以下步骤：建立标准的二维断层活化分析地质力学模型，依据建立的模型分析断层面正应力、剪应力、最大主应力及最小主应力之间的关系；建立断层活化倾向性与断层面正应力、剪应力及断层面摩擦强度之间的关系；构建以差应力表达的断层活化倾向性状态函数；建立基于状态函数的断层活化倾向性判别准则；依据开采扰动下围岩应力重分布规律分析采动断层的活化倾向性，分析采动断层的活化稳定性；本发明提出的基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法考虑了包括断层性状，区域环境的地应力状态，采动应力等的影响，是一种更综合更科学的采动断层稳定性分析评价方法。

Description

一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法

技术领域

本发明属于矿山安全技术领域，具体涉及一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法。

背景技术

在地下矿体开采过程中，动态的开采卸荷会打破采场周围岩体原始的应力平衡，导致围岩应力的重分布，这种重分布会使处于其中的断层的应力状态发生改变，使原本处于稳定状态的断层发生两盘相对滑移的再活化现象，断层活化过程中巨大的能量释放和断层带渗透性的突变往往是很多矿井地质灾害如突水、瓦斯突出、冲击地压、矿震等的根源，因此，在开采过程中对近场及远场断层的进行准确的活化倾向性分析，对矿井防灾减灾具有重大意义。

开采扰动下断层的活化是一个十分复杂的地质动力现象，受很多因素包括断层本身的性状(产状、摩擦特性、内聚作用等)，区域环境的地应力状态，采动应力等的共同影响。要对开采扰动下断层的活化稳定性进行分析，就必须要同时考虑到所有这些因素的作用。但就目前的研究现状来看，几乎所有的关于断层活化倾向性的评价方法都只是片面的考虑了其中的某一个或者某几个因素，因此，亟需构建一种综合考虑各因素的科学的准确的评价分析方法。

发明内容

针对目前断层活化倾向性的评价方法都只是片面的考虑各因素的问题，本发明的目的在于提供一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法，包括以下步骤：

(1)建立标准的二维断层活化分析地质力学模型，依据建立的模型分析断层面正应力、剪应力、最大主应力及最小主应力之间的关系；

(2)依据摩尔库伦破坏准则的具体理论，建立断层活化倾向性与断层面正应力、剪应力及断层面摩擦强度之间的关系；

(3)构建以差应力表达的断层活化倾向性状态函数

其中，差应力D_σ＝σ₁-σ₃，σ₁表示最大主应力，σ₃表示最小主应力；

(4)建立基于状态函数的断层活化倾向性判别准则；

(5)依据开采扰动下围岩应力重分布规律分析采动断层的活化倾向性，并结合上述(4)中的判别准则分析采动断层的活化稳定性；

具体分析方式为：根据开采方法，煤层倾角，煤层厚度等相关开采参数确定开采过程中工作面前方垂直应力集中系数(K)及水平应力的松弛系数(λ)，然后利用开采扰动下的差应力D_σ-mining＝Kσ₁-λσ₃，判别开采扰动下断层的活化稳定性，判别规则如下：

I.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗强于断层面的剪应力，采动断层没有活化倾向性；

II.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗与断层面的剪应力相等，采动断层处于活化临界状态；

III.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗弱于断层面的剪应力，采动断层具有活化倾向性。

优选的方案，所述步骤(1)中，所建立的力学模型需满足：在三向应力状态满足σ₁>σ₂>σ₃下，断层面的法方向包含在最大主应力(σ₁)和最小主应力(σ₃)的方向所确定的平面内，同时中间主应力(σ₂)的方向包含在断层面内。

优选的方案，所述步骤(2)中，摩尔库伦破坏准则的具体理论：固体内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力大于或等于材料本身的抗切强度和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力之和。

优选的方案，所述步骤(4)中，判别准则如下：

A.

表示断层面的摩擦抵抗强于断层面的剪应力，断层没有活化倾向性；

B.

表示断层面的摩擦抵抗与断层面的剪应力相等，断层处于活化临界状态；

C.

表示断层面的摩擦抵抗弱于断层面的剪应力，断层具有活化倾向性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)开采扰动导致的围岩应力重分布主要体现在竖直方向上的应力集中和水平方向上的应力松弛，能准确的体现两个方向上应力变化的合理方式为差应力表征方法，因此本发明提出的基于差应力采动断层活化倾向性判别方法完全考虑了采动影响下围岩应力的变化特征，是一种合理科学的采动断层稳定性分析方法。

2)本发明提出的基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法考虑了包括断层性状(产状、摩擦特性、内聚作用等)，区域环境的地应力状态，采动应力等的影响，是一种更综合更科学的采动断层稳定性分析评价方法。

附图说明

图1为本发明一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法的流程图。

图2为本发明中所建立的二维断层活化倾向性分析地质力学模型。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明：

实施例1

本发明一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、建立如图2所示的标准的二维断层活化分析地质力学模型，模型满足断层面的法方向包含在最大主应力(σ₁)和最小主应力(σ₃)的方向所确定的平面内，中间主应力(σ₂)的方向包含在断层面内(σ₁>σ₂>σ₃)，因此σ₂不会对断层的正应力和剪应力产生影响，断层倾角为α，依据所建立的模型，断层面正应力(σ_n)、剪应力(τ_n)与最大及最小主应力之间的关系为：

步骤二、依据摩尔库伦破坏准则的具体理论：固体内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力应等于或大于材料本身的抗切强度和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力之和；并建立断层活化倾向性与断层面正、剪应力及断层面摩擦强度之间的关系，具体表示如下：

|τ_n|≥τ_f＝μ(σ_n-p)+c (3)

公式(3)中的μ为断层面的摩擦系数，p为断层带流体渗透压力，c为断层的内聚力；

步骤三、构建以差应力(D_σ＝σ₁-σ₃)表达的断层活化倾向性状态函数

具体如下：

Φ(D_σ)＝τ_f-|τ_n|＝D_σ(μcos2α-sin2α-μ)+2μ(σ₁-p)+2c (4)

步骤四、建立基于状态函数

表征的断层活化倾向性判别准则，具体的三个判别准则如下：

A.

表示断层面的摩擦抵抗强于断层面的剪应力，断层没有活化倾向性；

B.

表示断层面的摩擦抵抗与断层面的剪应力相等，断层处于活化临界状态；

C.

表示断层面的摩擦抵抗弱于断层面的剪应力，断层具有活化倾向性；

步骤五、根据实际开采过程中的开采方法，煤层倾角，煤层厚度等相关开采参数确定开采过程中工作面前方垂直应力集中系数(K)及水平应力的松弛系数(λ)，然后利用开采扰动下的差应力D_σ-mining＝Kσ₁-λσ₃，判别开采扰动下断层的活化稳定性，判别规则如下：

I.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗强于断层面的剪应力，采动断层没有活化倾向性；

II.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗与断层面的剪应力相等，采动断层处于活化临界状态；

III.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗弱于断层面的剪应力，采动断层具有活化倾向性。

应用例

某矿区7号工作面中部有一正断层(F1)，断层倾角α＝45°，断层面摩擦系数μ＝0.80，断层粘聚力c＝1.25MPa，经实测该采区最大主应力σ₁＝25.50MPa，最小主应力σ₃＝13.57MPa，最大和最小主应力方向分别接近于竖直和水平方向，断层为非导水断层，无流体渗透压力作用，工作面采用的采煤方法为放顶煤开采方法，开采过程中工作面前方竖直方向应力集中系数为K＝3.0，水平方向应力松弛系数λ＝K/5。

由上述地质资料，对7号工作面断层F1的活化倾向性判别如下：

开采扰动前，断层所在区域差应力D_σ＝σ₁-σ₃＝11.93MPa，依据实施例中所给出的公式(4)，得断层F1的活化倾向性状态函数值为：

依据步骤(4)的断层活化倾向性判别准则，

表明在工作面开采扰动之前，断层F1无活化倾向性。

在工作面开采扰动环境下，由开采扰动下工作面前方应力集中系数K及λ，得开采扰动条件下断层所处区域可能的最大差应力为：

D_σ-mining＝Kσ₁-λσ₃＝3.0×25.50-3.0÷5×13.57＝68.36MPa；

将D_σ-mining带入公式(4)得开采扰动条件下断层活化倾向性状态函数值为：

依据步骤(5)中的判别准则，

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗弱于断层面的剪应力，因此开采扰动环境下断层F1具有活化倾向性。

以上列举的应用实例只对本发明做具体说明，通过实施例对本发明进行具体描述，实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不是对本发明保护范围的限定，该领域的技术人员可以根据本发明做出一些非本质的改进和调整。

Claims (4)

1.一种基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立标准的二维断层活化分析地质力学模型，依据建立的模型分析断层面正应力、剪应力、最大主应力及最小主应力之间的关系；

(2)依据摩尔库伦破坏准则的具体理论，建立断层活化倾向性与断层面正应力、剪应力及断层面摩擦强度之间的关系；

(3)构建以差应力表达的断层活化倾向性状态函数

其中，差应力D_σ＝D₁-σ₃，σ₁表示最大主应力，σ₃表示最小主应力；

(4)建立基于状态函数的断层活化倾向性判别准则；

(5)依据开采扰动下围岩应力重分布规律分析采动断层的活化倾向性，并结合上述(4)中的判别准则分析采动断层的活化稳定性，具体分析方式为：

根据开采方法，煤层倾角，煤层厚度等相关开采参数确定开采过程中工作面前方垂直应力集中系数(K)及水平应力的松弛系数(λ)，然后利用开采扰动下的差应力D_σ-mining＝Kσ₁-λσ₃，判别开采扰动下断层的活化稳定性，判别规则如下：

I.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗强于断层面的剪应力，采动断层没有活化倾向性；

II

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗与断层面的剪应力相等，采动断层处于活化临界状态；

III.

表示开采扰动下断层面的摩擦抵抗弱于断层面的剪应力，采动断层具有活化倾向性。

2.根据权利要求1所述基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所建立的力学模型需满足：在三向应力状态满足σ₁>σ₂>σ₃下，断层面的法方向包含在最大主应力(σ₁)和最小主应力(σ₃)的方向所确定的平面内，同时中间主应力(σ₂)的方向包含在断层面内。

3.根据权利要求1所述基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法，其特征在于，所述步骤(2)中，摩尔库伦破坏准则的具体理论：固体内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力大于或等于材料本身的抗切强度和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力之和。

4.根据权利要求1所述基于差应力的采动断层活化倾向性判别方法，其特征在于，所述步骤(4)中，判别准则如下：

A.

表示断层面的摩擦抵抗强于断层面的剪应力，断层没有活化倾向性；

B.

表示断层面的摩擦抵抗与断层面的剪应力相等，断层处于活化临界状态；

C.

表示断层面的摩擦抵抗弱于断层面的剪应力，断层具有活化倾向性。

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