高承压含水层上煤层开采底板断裂活化致灾机制
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摘要
随着采煤深度的加大，遇到的承压含水层中的水压越来越高，如山东星村煤矿的奥陶系石灰岩含水层水压可达13MPa。而高水压易于引发断裂活化突水。所以，研究高承压含水层上煤层开采底板断裂活化致灾机制，对于煤矿水害预测和防治具有重要意义。
本论文采用地质分析、物理试验、理论推导等手段对高承压含水层上煤层开采底板断裂活化致灾机制进行了细致的研究，得到以下研究成果：
（1）指出了煤层底板断裂活化突水的水力劈裂特征，建立了基于多层次熵权法和多源地学信息融合技术的底板断层活化突水危险性指数综合评价方法。通过对煤层底板断裂突水事件的分析，发现断裂活化突水现象符合水力劈裂特征。同时，在煤层底板断裂活化突水诸多致灾地质环境因素中找到了影响煤层底板断裂活化突水的三个主控因素。采用单因素分析方法，提炼出每个主控因素的多个评价指标因子。运用信息论中的熵权法对每个评价指标因子的权重进行确定。选用10个评价指标因子，借助于GIS平台建立评价指标因子信息图层以及空间属性数据库，采用多源地学信息融合技术对10个评价指标因子图层信息进行采集、叠加、分析。而后求解出评价区网格单元的综合评价值，并用危险性指数来表征。以兖州煤田某矿E3206工作面得出基于多层次熵权法和多源地学信息融合技术的底板断层活化突水危险性指数综合评价分区。
（2）采用物理模拟试验获得了有充填物的断裂在高围压、高水压条件下的渗透特性及影响因素。制作模拟带充填物的断裂体试样，并在三轴应力条件下对裂隙充填物及其与试件接触面的渗透系数进行高围压、高水压条件下的测试，得出其渗透性能在高压条件下的变化特征。在低围压、轴压情况下，一般都表现为渗透系数随着渗透压差的增大而增大。而在高围压、轴压情况下，初始阶段仍表现为渗透系数随着渗透压差的增大而增大，随着水压的继续增大，出现了渗透系数稳定期，若继续增大渗透压差，渗透系数将出现变小趋势。其内在原因为：在高围压、轴压情况下，且水头压力差较大的条件下，同一围压、轴压条件下应力场受到了渗透荷载的影响，从而使得裂隙充填物及其与试件接触面的渗透系数表现随着水压的增大而减小的趋势。
（3）从地下水动力学、岩体力学和断裂力学理论上阐明了水力劈裂引起断层活化的机理。基于弹塑性力学理论和地下水动力学理论，推导出带有应力场参数的渗透系数表达式。应用岩体力学和断裂力学理论，推导出在自然营力作用下水力劈裂后裂隙演化扩展的长度公式。
基于上述研究，通过对断裂带从初始状态到活化状态的过程分析，得出高承压含水层上煤层开采底板断裂活化致灾机制是在采动效应的激发下渗流场和应力场的耦合作用，其关键作用为高承压含水层中水流的水力劈裂作用。
Deep coal mining engineering get more chances to encounter high water-pressure inconfined aquifers. This dissertation focuses on the problem of a high water-pressure of nearly13MPa in the Ordovician limestone aquifer, in the Xingcun coalmine, Shandong Province. Itis well known that high water-pressure could lead to groundwater inrush easier from faultreactivation, which may cause serious coalmine disaster. Therefore, the research on themechanism of fault reactivation-induced disasters during coal mining above highwater-pressure confined aquifers has a great significance for the prediction and control ofcoalmine water disaster.
In this dissertation, geological analysis, physical testing and theoretical analysis wereadopted to carry out a detailed study on the mechanism of fault reactivation inducedgroundwater inrush while coal mining above high pressure confined aquifers and get thefollowing results.
(1) This dissertation points out that groundwater inrush from seam floor faultreactivation has the characteristics of hydraulic splitting and establishes a groundwater inrushrisk index evaluation method in fault reactivation based on entropy weight method andmultiple-source geological information fusion technology. The common phenomenon of faultreactivation after groundwater inrush from coalmine floors were summed up after analysissome typical accidents. These phenomena comply with hydraulic splitting characteristicsunder natural dynamic forces. Based on several typical groundwater inrush accidents, themain cause factors of groundwater inrush from fault reactivation were identified, whichinclude the aquifer, fault and aquifuge factors. Single factor analysis method was used toidentify the main ten evaluating indicator factors. At the same time, the weights of tenevaluating indicator factors were determined with using entropy weight method (EWM) ininformation theory. Then, the GIS platform was introduced to set up information layer andspatial properties database of the ten evaluating indicator factors, which were collected,stacked and analyzed with using multi-source geo-information fusion technology. After thatbased on multi-level, EWM and multi-source geo-information fusion technology, acomprehensive evaluation value of the evaluation grid cell was solved and characterized bythe groundwater inrush risk index. As a result, the figure of risk distribution was given.Particularly, the control measures for different risk area were promoted. Agroundwater inrushrisk comprehensive evaluation and risk index partitions were given for Panel E3206inYanzhou coalmining area.
(2) Permeability characteristics and influencing factors were pbtained by series physicalsimulation tests of a fault with filling under high confining pressure and high cell pressure. A large number of physical tests were carried out under triaxial condition with a high cellpressure and a high permeability pressure gradient. The results show that the permeabilitycoefficient of fissure fillings and their contact surfaces with wall rocks increased aspermeability pressure gradient increases at a low confining pressure and cell pressure.However, at high confining pressure and cell pressure, the permeability coefficient of fissurefillings and their contact surfaces with wall rocks increased as permeability pressure gradientincreases at beginning. Then the permeability coefficient of fissure fillings will keep stable.Once the water-pressure raised a high level, the permeability coefficient of fissure fillingswould decrease. The main reason of this phenomenon was the high water-pressure adds aspecial infiltration load to stress field.
(3) The mechanism of hydraulic fracturing induced fault reactivation was explained fromgroundwater dynamics and rock mass mechanics. Theoretical analysis, especially, theelastoplastic mechanics theory and groundwater dynamics theory were introduced to calculatethe permeability coefficient which contains stress field parameters. Based on coupled analysisof stress field and seepage field, the minimum principal stress and the maximum principalstress influence the aperture of a single fissure. The changing of aperture of single fissure wasthe main cause of permeability changing. As a result, the possibility of groundwater inrushaccident steeply increased. Moreover, rock mechanics and fracture mechanics theory wereused to set up a formula to calculate the length of fissures after hydraulic splitting.
To sum up, based on the above research result, the original state and reactivation state offault zones were shown. The mechanism of fault reactivation-induced disasters during coalmining above high water-pressure confined aquifers is the result of the coupling effect ofseepage field and stress field, and the key action is the hydraulic splitting of high pressurewater in confined aquifers.
本论文采用地质分析、物理试验、理论推导等手段对高承压含水层上煤层开采底板断裂活化致灾机制进行了细致的研究，得到以下研究成果：
（1）指出了煤层底板断裂活化突水的水力劈裂特征，建立了基于多层次熵权法和多源地学信息融合技术的底板断层活化突水危险性指数综合评价方法。通过对煤层底板断裂突水事件的分析，发现断裂活化突水现象符合水力劈裂特征。同时，在煤层底板断裂活化突水诸多致灾地质环境因素中找到了影响煤层底板断裂活化突水的三个主控因素。采用单因素分析方法，提炼出每个主控因素的多个评价指标因子。运用信息论中的熵权法对每个评价指标因子的权重进行确定。选用10个评价指标因子，借助于GIS平台建立评价指标因子信息图层以及空间属性数据库，采用多源地学信息融合技术对10个评价指标因子图层信息进行采集、叠加、分析。而后求解出评价区网格单元的综合评价值，并用危险性指数来表征。以兖州煤田某矿E3206工作面得出基于多层次熵权法和多源地学信息融合技术的底板断层活化突水危险性指数综合评价分区。
（2）采用物理模拟试验获得了有充填物的断裂在高围压、高水压条件下的渗透特性及影响因素。制作模拟带充填物的断裂体试样，并在三轴应力条件下对裂隙充填物及其与试件接触面的渗透系数进行高围压、高水压条件下的测试，得出其渗透性能在高压条件下的变化特征。在低围压、轴压情况下，一般都表现为渗透系数随着渗透压差的增大而增大。而在高围压、轴压情况下，初始阶段仍表现为渗透系数随着渗透压差的增大而增大，随着水压的继续增大，出现了渗透系数稳定期，若继续增大渗透压差，渗透系数将出现变小趋势。其内在原因为：在高围压、轴压情况下，且水头压力差较大的条件下，同一围压、轴压条件下应力场受到了渗透荷载的影响，从而使得裂隙充填物及其与试件接触面的渗透系数表现随着水压的增大而减小的趋势。
（3）从地下水动力学、岩体力学和断裂力学理论上阐明了水力劈裂引起断层活化的机理。基于弹塑性力学理论和地下水动力学理论，推导出带有应力场参数的渗透系数表达式。应用岩体力学和断裂力学理论，推导出在自然营力作用下水力劈裂后裂隙演化扩展的长度公式。
基于上述研究，通过对断裂带从初始状态到活化状态的过程分析，得出高承压含水层上煤层开采底板断裂活化致灾机制是在采动效应的激发下渗流场和应力场的耦合作用，其关键作用为高承压含水层中水流的水力劈裂作用。
Deep coal mining engineering get more chances to encounter high water-pressure inconfined aquifers. This dissertation focuses on the problem of a high water-pressure of nearly13MPa in the Ordovician limestone aquifer, in the Xingcun coalmine, Shandong Province. Itis well known that high water-pressure could lead to groundwater inrush easier from faultreactivation, which may cause serious coalmine disaster. Therefore, the research on themechanism of fault reactivation-induced disasters during coal mining above highwater-pressure confined aquifers has a great significance for the prediction and control ofcoalmine water disaster.
In this dissertation, geological analysis, physical testing and theoretical analysis wereadopted to carry out a detailed study on the mechanism of fault reactivation inducedgroundwater inrush while coal mining above high pressure confined aquifers and get thefollowing results.
(1) This dissertation points out that groundwater inrush from seam floor faultreactivation has the characteristics of hydraulic splitting and establishes a groundwater inrushrisk index evaluation method in fault reactivation based on entropy weight method andmultiple-source geological information fusion technology. The common phenomenon of faultreactivation after groundwater inrush from coalmine floors were summed up after analysissome typical accidents. These phenomena comply with hydraulic splitting characteristicsunder natural dynamic forces. Based on several typical groundwater inrush accidents, themain cause factors of groundwater inrush from fault reactivation were identified, whichinclude the aquifer, fault and aquifuge factors. Single factor analysis method was used toidentify the main ten evaluating indicator factors. At the same time, the weights of tenevaluating indicator factors were determined with using entropy weight method (EWM) ininformation theory. Then, the GIS platform was introduced to set up information layer andspatial properties database of the ten evaluating indicator factors, which were collected,stacked and analyzed with using multi-source geo-information fusion technology. After thatbased on multi-level, EWM and multi-source geo-information fusion technology, acomprehensive evaluation value of the evaluation grid cell was solved and characterized bythe groundwater inrush risk index. As a result, the figure of risk distribution was given.Particularly, the control measures for different risk area were promoted. Agroundwater inrushrisk comprehensive evaluation and risk index partitions were given for Panel E3206inYanzhou coalmining area.
(2) Permeability characteristics and influencing factors were pbtained by series physicalsimulation tests of a fault with filling under high confining pressure and high cell pressure. A large number of physical tests were carried out under triaxial condition with a high cellpressure and a high permeability pressure gradient. The results show that the permeabilitycoefficient of fissure fillings and their contact surfaces with wall rocks increased aspermeability pressure gradient increases at a low confining pressure and cell pressure.However, at high confining pressure and cell pressure, the permeability coefficient of fissurefillings and their contact surfaces with wall rocks increased as permeability pressure gradientincreases at beginning. Then the permeability coefficient of fissure fillings will keep stable.Once the water-pressure raised a high level, the permeability coefficient of fissure fillingswould decrease. The main reason of this phenomenon was the high water-pressure adds aspecial infiltration load to stress field.
(3) The mechanism of hydraulic fracturing induced fault reactivation was explained fromgroundwater dynamics and rock mass mechanics. Theoretical analysis, especially, theelastoplastic mechanics theory and groundwater dynamics theory were introduced to calculatethe permeability coefficient which contains stress field parameters. Based on coupled analysisof stress field and seepage field, the minimum principal stress and the maximum principalstress influence the aperture of a single fissure. The changing of aperture of single fissure wasthe main cause of permeability changing. As a result, the possibility of groundwater inrushaccident steeply increased. Moreover, rock mechanics and fracture mechanics theory wereused to set up a formula to calculate the length of fissures after hydraulic splitting.
To sum up, based on the above research result, the original state and reactivation state offault zones were shown. The mechanism of fault reactivation-induced disasters during coalmining above high water-pressure confined aquifers is the result of the coupling effect ofseepage field and stress field, and the key action is the hydraulic splitting of high pressurewater in confined aquifers.
引文
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