地下工程断裂突水的优势面理论分析与工程应用

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突水是地下工程中遇到的主要地质灾害之一,而在所有的国内外突水事故中,与断裂有关的占90%以上,但目前对于断裂突水机理的理论模型分析尚不完善,至今还没有一套完整、科学的分析方法。本文运用罗国煜教授的优势面理论观点,对断裂的控水机理、富水优势断裂的预测及断裂的活化突水机理进行了分析,建立了基于优势面理论基础上的模糊评判模型,并结合徐州龙固煤矿的突水实例,制定了切实可行的矿下直接堵水方案。 断裂是否富水是与其形成时间的早晚、断裂的性质、规模大小、两盘岩性特征、补给方式及产状密切相关的。新断裂由于其形成时间较晚,充填物少,胶结较差,具有较好的富水性及导水性;张性断裂与压性断裂相比,由于其断裂面粗糙不平,充填物疏松,空隙发育,平行的张裂面往往形成宽度较大的张裂带,可以连通所切割的岩溶含水层,因而具有更好的富水性与导水性;断裂只有在宽度及深度方面具有一定规模时,方可具有地下水运动和储集的空间,才可能富水;断裂两侧的岩石性质直接决定着断层充填物的岩性及结构,并控制断裂带的宽度、破碎程度及裂隙发育程度,从而影响着断裂带的导水性及富水性;断裂只有在具有一定的水量补给优势时,才有可能富水和导水;而断裂的倾角大小也与其富水性有关,倾角大,富水可能性也相对较大。对断裂的六项指标,采用专家评分的方法,确定其控水权值,结合模糊数学的相关理论,创建基于优势面理论预测基础上的模糊评判模型,通过对徐州某矿F1断层富水性预测的计算,证明是相对科学可靠的。优势面理论分析与超前探测技术相结合,既可增加理论分析的可信度,与直接探测相比较,又可节约大量的人力物力。在采动影响下,断裂带的一定范围内往往出现较强烈的附加切向应力和围压变化,从而导致构造岩体性质变化、原有裂隙的发展及新生裂隙的产生与张开;有些情况下,断裂破碎带对采动应力重分布的屏障机制也会造成断裂带内变形积聚和裂隙产生,这些都是断裂活化导水的原因。断裂变形活化与导水具有明显的时空效应,断裂的采动附加应力、裂隙扩展、地下水导升的时间关系对断裂带的活化导水又着重要影响,三者同步,则最为不利。对断裂活化突水机理的分析,解释了矿井滞后突水的现象,对于预防突水提供了又一理论依据。 徐州龙固煤矿2000年在巷道掘进时由于对断裂控水机理认识不清,未进行超前探测预注浆,巷道掘进完成后发生滞后突水,涌水量维持在120m3/h,每年用于排水的直接费用为150多万元。作者根据矿区地质条件及突水过程,应用优势面理论分析了突水的主要水源及通道,结合现场实际情况,拟定了一套井下直接堵水方案,并经专家论证是科学的、可行的,并将产生显著的经济效益和社会效益。
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