全国优秀博士学位论文摘要矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用.pdf

第3 7 卷第6 期 2 0 0 8 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 7N o ．6 N O V ．2 0 0 8 全国优秀博士学位论文摘要 矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用 程久龙 中国矿业大学 摘要地下矿床开采引起采场圉岩变形破坏产生采动裂隙，采动裂隙是矿山一系列灾害的根源， 研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征，提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高 分辨率探测，对于防治矿山灾害发生，保障矿山安全，具有重要的理论意义和实际应用价值．本文 通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径，全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体 的地球物理场特征．主要研究内容、方法、结论及发现点如下 1 根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征，建立煤层开采前和开采后电性数学模 型，利用高精度有限单元法进行电场数值模拟．计算结果表明采动裂隙引起煤层上覆地层的视 电阻率变化，其影响范围较实际破裂范围大得多，基本上是覆岩冒裂带范围的两倍，其视电阻率 值最大影响区为冒落带，变化率可达1 9 ％；在裂隙发育带，视电阻率的变化率可达1 0 ％～1 2 ％． 2 通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型，实施直流电阻率法的动态数据采集 及反演计算，获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征．选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4 个关键 时段，进行代表性的电场现测和计算分析．物理模拟结果表明在覆岩变形破坏产生的裂隙带中， 电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2 ．- 、一3 倍；而在冒落带中，电阻率值增加4 ～6 倍；在弯 曲变形带，采动过程中电性特征有一定的变化，主要表现为电阻率值略有增大． 3 利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性渡速度场响应特征研究，获得了覆岩采 动裂隙的波场响应特征．建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型，进行煤层开采之前和开 采之后两个不同时段对所模拟的岩层进行声波C T 测量，反演计算所模拟岩层的波速场的分布． 实验结果表明在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中，速度场变化表现为正常场值降低约1 0 ％ ～2 0 ％；而在冒落带中，采后很难接收到弹性波穿透的有效信号．在受开采影响但未破坏的采空 边缘区，波速的升高是主要特征． 4 结合含完整采空区的采区三维地震资料，全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响 边界的地震波场特征．研究表明对应采空区的位置，煤层反射渡消失或能量变弱，覆岩层中出现 波组零乱的反射渡，能量弱，连续性差；对应支撑压力区，反射波组能量明显增强；对应采动影响 带，包括上倾和下倾方向边界角范圉内岩层的反射波能量明显减弱，局部出现反射空白带．根据 这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙”天窗”、采动影响范围，为水体下煤炭资 源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术． 5 建立煤层开采前以及开采后生成离层 高层充水、离层充气 的波场数学模型，利用有限 差分法进行波场数值模拟．结合现场利用地震技术探测离层层位，分析了离层发育的具体位置及 注浆充填离层带的效果，理论与实际相结舍，并经实际检测． 6 结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波C T 现场实测试验，研究采动过程中采动 裂隙产生过程与弹性波场的响应关系．探讨了动态探测方法的观测方案，确定关键观测时段和观 测系统，根据C T 反演的速度场特征，全面分析了底板岩体产生采动裂隙的速度场响应特征，在 此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度，探测效果明显，为承压水上安全开采底板破坏监测提 供了新的技术途径和地质保障． 7 综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征，结合现场试验的结论和效果分析，提出 万方数据 I I 中国矿业大学学报 第3 7 卷 了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系． 关键词采动裂隙；地球物理场；数值模拟；相似材料物理模拟；现场试验；探测 S t u d yo nG e o p h y s i c a lF i e l dC h a r a c t e r i s t i c so f M i n i n g ．i n d u c e dF r a c t u r eR o c kM a s si nM i n ea n d I t sA p p l i c a t i o n s C H E N GJ i u l o n g C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y A b s t r a c t R o c km a s sd e f o r m a t i o na n df a i l u r ei nw o r k i n gf a c ec a u s e db yu n d e r g r o u n dm i n i n g l c a dt om i n i n g i n d u c e df r a c t u r e ，w h i c hi st h es o u r c eo fas e r i e so fm i n ed i s a s t e r s ．T h er e s e a r c h o ng e o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm i n i n g i n d u c e df r a c t u r er o c km a s sa n df e a s i b l eg e o p h y s i c a l t e c h n i q u e sw i t hh i g ha c c u r a c ya n dr e s o l u t i o nd e t e c t i o no nm i n i n g i n d u c e df r a c t u r er o c km a s s a r em e a n i n g f u lt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yf o rt h es a f e t yo fc o a lm i n e sa n dt h ep r e v e n t i o no f m i n i n gd i s a s t e r s ．T h i sp a p e r ，t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p h y s i c a l s i m u l a t i o na n do n s i t et e s t s ，s t u d i e ss y s t e m a t i c a l l yt h eg e o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm i n i n g i n d u c e df r a c t u r er o c km a s s ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ，m e t h o d sa n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ． 1 B a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i n i n g i n d u c e df r a ／t u r ec a u s e db yo v e r b u r d e nd e f o r m a t i o na n df a i l u r e ，e l e c t r i c a lp r o p e r t ym a t h e m a t i c a lm o d e l sb e f o r ea n da f t e rm i n i n gw e r em a d e ． T h eh i g h a c c u r a c yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sb yF E M f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i n d i c a t e t h e o v e r b u r d e nd e f o r m a t i o na n df a i l u r ec a u s e db ym i n i n gl c a dt of r a c t u r ea n dt h ec h a n g e so fa p p a r e n tr e s i 。s t i v i t yi 。no v e r b u r d e n ．T h ea f f e c t e da r e ai sm u c hl a r g e rt h a nt h ea c t u a lf r a c t u r e ，n e a r l y t w i c et h ef r a c t u r ea r e a ．T h em o s ta f f e c t e da r e ab yt h ea p p a r e n tr e s i s t i v i t yv a l u e si st h ec a v i n g z o n e ．T h ec h a n g i n gr a t i ocanb eu pt o19 ％．I nt h ec r a c k e dz o n e ，t h ec h a n g i n gr a t i oo ft h ea p p a r e n tr e s i s t i v i t yi s1 0 ％t o1 2 ％． 2 B yb u i l d i n gs i m i l a r i t ym a t e r i a lp h y s i c a lm o d e l sc o r r e s p o n d i n gt ot h ea c t u a lm i n i n g ，a n d w i t hd i r e c tc u r r e n tr e s i s t i v i t ym e t h o d ，d y n a m i cd a t ac o l l e c t i n ga n di n v e r s i o nc o m p u t i n gw e r e m a d ea n dt h ee l e c t r i cf i e l dc o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm i n i n g - i n d u c e df r a c t u r er o c km a s s w e r ea c q u i r e d ．F o u rk e yp h a s e si nw h i c ho v e r b u r d e nm i n i n g i n d u c e df r a c t u r e so c c u rw e r ec h o s e nf o rt h es u r v e ya n da n a l y s i so ft h ee l e c t r i cf i e l d s ．T h ep h y s i c a lm o d e l i n gr e s u l t si n d i c a t e T h er e s i s t i v i t vi nc r a c k e dz o n earet w ot ot h r e et i m e sh i g h e rt h a nt h o s ei nn o r m a lf i e l d ．T h er e s i s t i v i t vv a l u e si nt h ec a v i n gz o n ea r ef o u rt os i xt i m e st h a to fn o r m a le l e c t r i cf i e l d ．I nb e n d i n g d e f o r m a t i o nz o n ee l e c t r i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sh a v es o m ec h a n g e sd u r i n gm i n i n g ，m a i n l yt h e s l i g h ti n c r e a s eo ft h er e s i s t i v i t yv a l u e s ． 3 B ym a k i n gs i m i l a r i t ym a t e r i a lp h y s i c a lm o d e l sc o r r e s p o n d i n gt ot h er e a lm i n i n ga c t i v i t i e s ．t h es t u d yo nt h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe l a s t i cw a v ev e l o c i t yf i e l do fo v e r b u r d e n d e f o r m a t i o na n df a i l u r ew e r ec o n d u c t e d ．T h e nt h ew a v ef i e l dc o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo v e r b u r d e nm i n i n g - i n d u c e df r a c t u r ew e r ea c q u i r e d ．S o u n d w a v eC Ts u r v e yw a sm a d et ot h e m o d e l si nt w od i f f e r e n tp h a s e sb e f o r ea n da f t e rm i n i n g ．T h ed i s t r i b u t i o no ft h ew a v e - v e l o c i t y f i e l db yi n v e r s i o nc o m p u t i n gi n d i c a t e s t h ev e l o c i t yi nt h ef r a c t u r ez o n ec a u s e db yo v e r b u r d e n d e f o r m a t i o ni sa b o u t1 0 ％- - 2 0 ％l o w e rt h a nt h a ti nt h en o r m a lf i e l d ．B u ti nc a v i n gz o n e ，i ti s h a r dt or e c e i v ea n ye f f e c t i v es i g n a l so ft h ee l a s t i cw a v ep e n e t r a t i n g ．I nt h em i n e o u te d g ez o n e a f f e c t e db u tn o td e s t r o y e db ym i n i n g ，t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa r et h ei n c r e a s eo fw a v ev e l o c i t y ． 4 C o m b i n e dw i t ht h ed a t eo f3 Ds e i s m i ce x p l o r a t i o no nm i n i n ga r e a ，t h ed y n a m i cs e i s m i c w a v ef i e l d sc h a r a c t e r i s t i c so fm i n e d o u ta r e a ，m i n i n g i n d u c e df r a c t u r ea r e aa n dt h em i n i n g a f 万方数据 第6 期 全国优秀博士学位论文摘要Ⅲ f e c t e db o r d e ra r e aw e r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m i c a l l y ．I nm i n e d O U ta r e a ，c o a l s e a mr e f l e c t i o nw a v e sd i s a p p e a r e do ri t se n e r g yb e c a m ew e a k ，a n dt h e r ea p p e a r e di r r e g u l a rr e f l e c t i o nw a v e si nt h eo v e r b u r d e nw i t hw e a ke n e r g ya n dp o o rs e q u e n c e ．I nt h es u p p o r t i n gp r e s s u r ea r e a , t h ee n e r g yo fr e f l e c t i o nw a v eg r o u pw a sr e i n f o r c e da p p a r e n t l y ．I nt h em i n i n g - 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