推覆分析

推覆分析（精选4篇）

推覆分析 篇1

一、前言

我国中小学框架结构教学楼抗震薄弱环节很明显, 因为其应用了单跨、悬挑、大开洞等建筑方法。此外, 墙体的影响也事不可忽略的。在历次地震中, 就是因为填充墙的问题导致了其受到十分严重的损毁, 人员伤亡大部分都是由此造成的。原因是大开洞的构造让填充墙框架柱形成“短柱”, 加上其本身的刚度效应, 以至于其框架结构在地震作用下发生软弱层破坏, 最终导致脆性的剪切破坏。

二、填充墙框架结构的推覆分析

1、我国填充墙框架的应用现状

在我国抗震设计规范中, 填充墙的作用仅仅是围护和隔断作用, 横向和纵向的填荷结构主要是梁和柱, 而框架结构才是填充墙。因这一结构体系被广泛用于学校建筑中, 因为其本身明显的优点———平面布置灵活、室内空间大。为了隔音、防水、保温、隔热, 在实际工程中, 一般情况下都是采取通过拉筋来加强与框架之间的联系或者把填充墙与框架柱、梁周边嵌实。纵向的薄弱层很容易在填充墙纵向布置不均匀的时候产生。而且结构可能严重受损和倒塌, 仅仅是因为填充墙的刚度效应。

填充墙在框架结构建中有着复杂的作用, 而且其也对地震剪力分配起到了不可忽视的作用, 但其本身的约束效应和刚度效应在许多中小型建筑设计中往往被视为“非结构”部件。地震扭转效应在有些时候会被预期值高, 这是因为结构刚度中心偏移, 而刚度中心偏移的根本原因是填充墙平面内布置不对称, 于是导致结构刚度中心与实际刚度中心可能出现较大偏差, 最终导致了一些悲剧的发生。此外, 洞口的存在很多情况下下使填充墙在框架之间产生拱推力, 而在中小学建筑中, 大开洞往往存在与许多填充墙上, 在某种程度上, 这加强了承重墙对主体结构的梁、柱产生约束效应。

2、填充墙框架的重要影响

填充强被破坏的常见原因是由于破坏截面转移、大开洞的填充墙墙对框架柱的约束增大造成的短柱效应和剪力不均匀分配。中小学框架结构在地震中的危险性有可能会因为结构的实际受力与设计意图发生较大的偏移而增大, 而这种情况产生的原因就是在设计者在建筑设计中没有考虑到填充墙的约束效应和其本身的刚度。地震剪力是被填充墙和框架共同承担的, 在一般情况下, 地震剪力的分配是根据两者的刚度来分配的。

而且框架和填充墙在同一抗震水平下的变形容许值有很大的差异, 因为其二者在材料上有着巨大的差异。框架柱在地震作用的初期会比填充墙分担更多的地震剪力。因为填充墙的在地震初期的开裂会造成刚度退化, 而这对框架并没有什么影响, 其依然处于弹性阶段。

填充墙的刚度会随着层间变形的增加儿逐渐减小。地震剪力在框架和填充墙之间较大内力重分布, 因为二者的刚度比值逐渐增大。在真正的建筑设计中必须要考虑填充墙分担的地震剪力, 因为在地震过程中, 填充墙明显的刚度效应会增大框架设计的地震剪力, , 所以并不能在建筑设计中把全部的地震剪力按照框架柱的侧移刚度来分配。这样会依然给建筑结构安全带来一定的问题

3、解决填充墙问题的办法

(1) 在建筑的底层柱形成塑性铰的情况下, 结构很容易发生倒塌现象发生, 因为横向框架冗余度极少, 横向只有一跨, 结构柱铰在大部分情况下都发生在下部两层。

(2) 底部柱剪刀可能会因为填充墙的影响而造成破坏或倒塌。因为结构塑性铰因为填充墙的影响而发生了变化。纵向设置半高填充墙是, 其底层柱很容易出现剪切铰, 而且框架柱塑性铰数量增多。

三、楼梯框架结构的推覆分析

1、我国楼梯框架的应用现状

楼梯是具有强大通行和疏散的功能的垂直公共交通方法之一。然后在现今的大部分建筑中, 楼梯在建造是并没有考虑到地震的作用, 其只是被孤立的进行设计与建造。楼梯的设计被一步步进行简化, 在各种结构体系中都是这样, 比方说框架结构、砌体结构等。楼梯并没有被作为建筑整体的的一部分来参与整体计算, 仅仅在楼板处破开洞, 然后对其进行配筋和内力计算, 之后将楼梯的竖向荷载传递到框架梁、柱或墙上, 仅此而已。汶川地震的震害调查报告改变了我们日常的认知, 一般情况下楼梯间是不会对刚度产生影响的, 因为楼梯间部位虽然被开洞然后削弱了刚度, 但是楼梯本身又增大了刚度。但是在汶川地震的震区有很大一部分楼梯产生了断裂, 主体结构的抗震性被楼梯系统影响了。

2、楼梯框架结构的重要性

在汶川地址之中, 楼梯间是重灾区中的重灾区, 这足以体现出中小学建筑在设计是没有充分考虑好楼梯间的作用。中华人民共和国住房和城乡建设部公告第71号在汶川地震之后对中国国家标准《建筑抗震设计规范》进行了局部修订。对应修订说明中描述为:“本次修订, 考虑到楼梯的梯板等具有斜撑的受力状态, 对结构的整体会因此受到比较明显的影响, 在结构计算中请给予适当考虑。"分析结果很明确的表示, 楼梯在建筑物中使不可缺少的一部分。

两跑楼梯对于框架结构的抗震性能也有着很大一部分的影响, 即使一直以来它都被认为对主体结构影响不大。楼梯的存在性是很重要的, 很多部件内部的力都因此发生了明显的改变。因为它在减小自振周期和侧移的同时增大了大结构局部的抗侧刚度。有关研究表明:与楼梯相连的框架柱是结构中的薄弱部位, 因为在楼梯与整体分析下, 楼梯是其第一道防线。楼梯在地震情况下的安全不能用常规的设计方法来保证, 因为梯梁与整体工作后的梯板等部件之间的内里增幅大。

3、解决楼梯框架问题的办法

(1) 在楼梯道安全的大前提下, 在对楼梯间部件加强处理之后, 还要整体烤炉楼梯间的刚度均衡。

(2) 在钢筋的计算和配置是要按照偏压 (拉) 构件进行;

(3) 应该在楼梯平台板上采用双面双向配筋, 因为楼梯是传递楼梯支撑作的重要构件。

(4) 适当加强支承梯板的框架梁跨中位置, 提高其延性, 使其在强震发生是能够产生足够大量的耗能。

(5) 框架柱配筋应因为楼梯分系统的存在作相应调整, 楼梯的平台高度才能因此被楼梯平台相连的框架在地震中产生最大弯矩。

四、结束语

我国大部分中小学的外廊式结构抗震性能相比之下较差。其原因有很多, 比方说在结构上的大开洞、大开间会导致结构在纵横两个方向的刚度差异, 很容易在地震作用下发生极危险的扭转效应。对于这种情况, 相应的解决办法可以是建立“四个水准”的建设标准。四个水准就是:正常使用、暂时使用、生命安全和防止倒塌, 将其余地震作用水平相结合, 就可以得出最后的结论。对于中小学建筑结构框架来说, 这有着非常重要的意义。

摘要：广大青少年的生命安全与中小学建筑的抗震性能优劣息息相关, 同时, 在地震灾害发生后, 学校建筑自身的属性十分适合为无家可归的人们提供一个基本的生存环境, 加之学校的厕所、食堂等基础公共服务设施, 在很大程度上可以满足避难人群的基本生活需求。剩下的比方说操场、停车场之类的的户外大型开放空间也也提供了必要的室外开阔空间。可如若是灾后的学校遭受到严重破坏甚至坍塌, 必将会给学生和普通民众造成很大程度上的伤害与损失。

关键词：中小学建筑,填充墙,楼梯,地震

参考文献

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[5]曹万林, 宠国新, 李云宵.带楼梯框架弹塑性工作性能研究[J].世界地震工程, 2013 (3) :52.56

[6]曹万林, 王光远, 刘建民等.异型柱框架楼梯间结构层刚度及其衰减过程的试验研究[J].建筑结构学报, 2014, 19 (1) :58-65

推覆分析 篇2

地质构造是影响煤层瓦斯赋存规律的重要因素, 也是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素。其中, 逆冲推覆构造是燕山板内造山带的重要构造形迹之一, 笔者旨在研究燕山南麓地区逆冲推覆构造对瓦斯赋存的影响, 并以宣下、兴隆矿区为例进行分析。

1 区域地质概况

根据地层的总体展布, 燕山地区可划分为北部宣化、承德复向斜带, 中部的马兰峪复背斜带和南部的京西复向斜带, 呈北北东—南西西向展布[1] 。燕山山脉断裂构造主要有2组方向, 即近东西向和北北东向。近东西向的断裂构造主要有丰宁—隆化断裂和尚义—平泉断裂等。主要含煤地层为石炭、二叠纪煤层和侏罗纪煤层。中生代岩浆活动强烈, 且活动的时空分布主要受EW—NNE向构造体系的控制, 岩性复杂。研究区主要包括兴隆、宣下矿区, 共6对矿井。

2 逆冲推覆构造特征分析

2.1 几何学特征

逆冲推覆构造的几何学特征分析是推覆构造运动学和动力学机制研究的基础, 对探讨其控煤作用及瓦斯的分布规律有重要意义。燕山地区的推覆构造主要发育在北京西山南部, 北京昌平十三陵及怀柔汤河口一带, 河北宣化下花园以及兴隆一带, 呈面状散布[2] (见图1) , 主要特征之一就是基底卷入的厚皮构造性质和块断式变形特征 [3] 。各逆冲断层走向NE—NEE向, 具有向NW凸出的弧形特征, 断层倾向SE, 地表倾角局部较缓。现具体分析兴隆逆冲推覆构造之平安堡—土城头段, 由图1知, 断层倾角仅有10°左右, 而绝大多数区段的倾角都在30°以上, 甚至可达60°以上。结合区域上前人研究成果, 由出露较好的兴隆逆冲推覆构造研究表明, 断层倾角自前锋向后缘迅速变陡, 具有浅缓深陡的几何学特征。变形和位移主要集中在主逆冲断层附近的强变形带中, 上盘地层产状陡立甚至局部倒转, 构成地层陡立带, 常与下盘缓倾地层共同组成上盘断坡、下盘断坪。在主逆冲断层下盘亦可发育孤立的不对称向斜构造, 大体上可与上盘背斜相对。

2.2 运动学分析

燕山地区逆冲推覆构造具有向NW凸出的弧形特征。燕山造山带的逆冲系统总体上为一构造楔形体, 是一个基底和盖层同时卷入强烈构造变形的大型薄皮构造 [4] , 前缘较薄, 后端较厚, 尖端指北。在后端, 兴隆和承德推覆体内部发育了向南运动的反冲断层, 形成了三角带构造, 且与主逆掩断层构成冲起构造。

根据各推覆体变形强度的差异及逆掩断层形成的先后顺序, 可大体确定燕山造山带逆冲系统的扩展形式[5] 。以兴隆逆冲断层为例, 鹰手营子东部被中、上侏罗统髫髻山组火山—沉积岩覆盖, 且其下盘发育的次级逆掩断层也被中、上侏罗统所覆盖, 由此可知该断层形成于中、晚侏罗世之前。而承德逆掩断层形成于晚侏罗世, 大庙、隆化、围场逆掩断层最终形成于侏罗世末期—早白垩世早期。由此看来, 5条逆掩断层由南向北扩张, 燕山逆冲构造体系整体由南向北扩张。

推覆构造带具有总体走向北东、并向北西突出的弧形特征, 上盘逆冲方向指向NW—NNW, 下盘地层主要为髫髻山组及其上覆后城组 (土城子组) [5] 。燕山期构造运动使燕山地区构造线方向以NE—NNE为主, 印支期东西向构造与其后期NE—近SN向构造一起共同构成燕山地区的主要构造。

2.3 区域应力场的演化

燕山地区现今的构造、地貌景观, 是在漫长的地质历史时期, 经历了长期的建造、改造过程而形成的。四期构造应力场的更替, 形成了复杂的褶皱、断裂及岩浆岩侵入等地质构造格局。中新生代的构造运动是燕山地区主要的造山作用期。

1) 海西—印支期。

本区构造主应力为SN向, 经挤压作用形成了鹰手营子倒转向斜, 使北部地层向南倾斜, 在向斜形成的同时, 南北向的挤压应力造成了几条东西向的压性断裂[6] , 包括康保—围场断裂、丰宁—隆化断裂、大庙—娘娘庙断裂、尚义—平泉断裂等, 断层面均向南倾斜, 除此之外尚有次一级的小构造产生, 形成叠瓦式构造 (见图2) 。

2) 燕山早—中期。

北部的基底隆起带持续稳定上升, 南部燕山台褶带的北部产生数条东西向线状褶皱带, 自北向南逐渐减弱, 并且呈弧顶向南突出的弧形。发生于龙门期—九龙山期的早燕山构造幕是本区燕山运动的主要构造幕。构造主应力为NW—SE向。至早燕山期末, 本区盖层褶皱主体完成, 平泉—古北口断裂的大规模逆冲活动基本结束。该期是燕山造山带的形成阶段, 构造变形强烈, 从造山带后端至前缘, 逐渐形成了兴隆、承德、大庙、隆化和围场等5条主干逆掩断层, 其褶皱形态也从箱状褶皱转变为歪斜褶皱 (见图3) 。

在兴隆矿区、开滦矿区均有推覆构造发育, 对煤系地层的影响较大, 特别是对煤中瓦斯赋存具有控制作用。

3) 燕山晚期—喜山早期。

燕山区原先发育的断裂在NW—SE方向的拉张构造应力作用下发生反转, NNE向、NE向断裂表现出张扭性特征, 并新生了一系列NNE向的正断层, 对煤层中的瓦斯具有逸散作用。同时, 由于深层地壳或地幔的调整, 导致区域性的岩浆活动, 在煤层深成变质作用的基础上, 叠加了岩浆热变质作用。

4) 喜山晚期—现今。

受EW向挤压应力场的影响不明显, 经受了四期主应力的作用, 形成了当前构造格局。

2.4 应力演化对煤系地层及瓦斯的影响

推覆构造影响煤层的埋藏深度、厚度及赋存状态[7] , 该区的煤系地层主要受逆冲推覆构造及火山作用的影响, 影响过程分为4期。

宣下矿区及兴隆煤田鑫发矿区的煤层变化相似 (见图4) , 同为侏罗纪煤, 在燕山早—中期, 受逆冲推覆构造作用的影响, 约在侏罗纪末期, 煤层埋深达1 000多m, 同时由于广泛的岩浆活动, 煤级升高, 产生一定量的CH4。随后地壳抬升, 煤层变浅, 瓦斯部分逸散。总体而言, 该区煤层经历了二次埋藏二次生气史。

兴隆矿区的石炭二叠纪煤层自形成以后, 随着上覆地层的堆积, 埋藏深度不断增加, 到中三叠纪末, 埋深达2 000 m (见图5) , 由于地热效应, 煤级升高, 并生成一定量的CH4, 随后受印支运动影响, 煤层被抬升, 瓦斯逸散;燕山期, 在NW—SE向的挤压力作用下, 发生区域性的推覆构造作用, 并伴随大规模的岩浆作用, 煤级不断增高, 形成大量的瓦斯, 由于推覆构造作用提供了较好的埋藏条件, 煤中瓦斯得以保存, 瓦斯含量相对较高。

3 瓦斯分布情况

3.1 瓦斯等级分布

通过对研究区瓦斯统计资料的总结, 得出该区域的瓦斯分布等级, 如图6所示。

兴隆矿区的3对矿井, 鑫发矿、汪庄矿和营子矿推覆构造较发育, 均为高瓦斯矿。宣下矿区宣东二号矿同样受推覆构造的影响, 煤层埋深较大, 上覆岩层较厚, 瓦斯含量较大;而牛西矿和涿鹿矿推覆构造仅小部分区域发育, 对矿区的影响较小, 加之生气条件有限, 故瓦斯含量较低。

3.2 逆冲推覆构造对瓦斯分布的影响

对兴隆煤田区而言 (图7 (a) ) , 汪庄矿和营子矿位于兴隆煤田山谷中, 受燕山期NW—SE向水平挤压作用形成叠瓦式构造, 井田内分布21条落差50 m以上的走向东西、倾向向南的逆掩断层, 将煤层切割成多个块段, 煤层形成叠瓦式, 除较大断层外, 伴生的小断层普遍发育 (图7 (b) ) 。密集发育的逆断层造成煤层叠瓦式分布, 降低了煤体强度, 提高了煤系地层井田内部的含煤密度, 且断层挤压面封闭良好, 此外, 由于岩浆岩的入侵, 使得区内煤的变质程度变大, 煤级较高 (焦煤) , 瓦斯生成量相对较大, 从而瓦斯含量增高。

鑫发煤田位于承德市东南部, 区内推覆构造及褶皱都较发育, 煤层被切割, 不连续, 煤质变化明显, 瓦斯分布较复杂, 由于上覆透气性极差的盖层, 瓦斯保存较好, 含量较高。

在宣化煤田的东部发育有鸡鸣山—黄羊山逆掩断层, 宣东二号矿处于间接受力状态, 由于挤压作用, 上覆岩层较厚, 整体构造简单, 断层稀少, 煤层无露头, 构造煤发育, 保存条件较好, 瓦斯含量高。

涿鹿矿区和牛西矿区, 经历多期构造活动, 推覆构造不发育, 受岩浆的影响不大, 煤级较低, 瓦斯含量相对较低。井田内还发育不少断距1~5 m的小断层, 这些小断层多为正断层, 走向、倾向多变, 无规律可循, 局部地段煤层倾角可达到20°以上, 使煤层失去原有的连续性。落差较大的正断层成为瓦斯逸散的良好通道, 导致了低瓦斯矿井的产生。

4 结语

在燕山南麓分布一系列逆冲推覆构造, 在逆冲推覆构造形成及演化的过程中, 形成了一系列的叠瓦式构造, 煤层埋深相应增大, 含煤密度变大, 挤压作用使煤系地层的封闭性增强, 加之区域性的岩浆作用使煤变质程度增大, 瓦斯生成量大, 导致推覆构造发育区瓦斯含量普遍较高, 形成沿燕山褶断带的高瓦斯走廊, 分布了一系列高瓦斯矿井。

摘要：通过分析燕山南麓逆冲推覆构造及其演化过程, 揭示了推覆构造对该区瓦斯的控制作用, 发现逆冲推覆构造发育情况不同, 其瓦斯含量存在明显差异, 形成了不同的高低瓦斯矿井。

关键词：瓦斯,赋存规律,应力场,逆冲推覆构造

参考文献

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缅甸M区块推覆体地层固井技术 篇3

缅甸M区块位于印支板块和印度板块边界上, 受两大板块相对运动和俯冲、碰撞作用的影响, M区块经历了复杂的盆地演化、构造变动, 形成了Kal2adan、Kabaw、Sagaing等大断层[1]。

1 M区块推覆体地层性质对固井的挑战

1.1 浅层异常高压

M区块受构造应力和推覆构造影响, 浅部地层压力异常高, 50米以下地层就见气, 实钻过程中见砂岩就见气, RM19-3-1井通过FMT测压显示, 552米处孔隙压力相当于2.33 g/cm3, 该井在钻进至200m以后钻井液密度已经达到1.4g/cm3以上, 但气测背景值一直在30%以上。Shwe Tha Htay-1完钻井深在848米, 泥浆密度达到2.1g/cm3, 固井前循环后效气达到80%左右, 气体滑脱速度在40m/h。

1.2 地层破碎带

M区块经历了复杂的盆地演化、构造变动, 断层交错纵生, 推覆构造在断层上下100m之间形成强烈的破碎带, 这种破碎带造成井壁极其不稳定, 在钻井液滤液及钻柱等干扰下, 产生大量的井壁掉块, 形成糖葫芦井眼, 不利于井眼的清洁;而且高密度泥浆固相含量高, 在套管壁和井壁上易形成较厚的虚泥饼, 提高顶替效率, 井眼清洁是固井的关键因素之一。

1.3 地层温度梯度倒挂

找准井眼的温度也是固井的关键。作为推覆体的地层, 由于上盘是外来的老岩层, 温度梯度比较高, 而下部的新岩层, 温度梯度反而低, 但是由于新老岩层在一起经过长时间的温度传递, 地层温度仍然是遵循常规地层的规律趋势:温度随着井深的增加而增加, 只不过推覆体地层的温度上升趋势随深度增加而变缓 (如图2) 。通过09年四口井的实钻数据, 分别对比了在12-1/4”井眼和8-1/2”井眼完钻温度、测井温度和固井前循环出口温度, 推算出在400米和1000米左右的地温梯度.

M区块推覆体地层温度, 对于单凝水泥浆固井, 容易造成上部先凝固, 不利于压稳。

2 主要技术措施

2.1 水泥浆体系优化

2.1.1 低温高密度防气窜水泥浆配方

通过大量的室内试验, 优选出了适合低温早强防气窜高密度水泥浆体系, 配方如表1和表2:

表中:JHG-嘉华“G”级高抗硫酸盐水泥, PC-G80L/84L-降失水剂, PC-F41L-分散剂, PC-H21L-缓凝剂, PC-X60L-消泡剂, PC-GS2-防气窜剂, CD-10-加重剂, PC-A90S-早强剂.

2.2 前置液的优化

由于井浅, 钻井液密度高, 需要使用高密度双作用清洗隔离液[5], 使得前置液既能平衡地层压力, 又能高效清洗和隔离粘稠钻井液。前置液的配方和性能如表3所示。

表中:PC-X60L:消泡剂, CSP213S:隔离剂, CD-X1200:加重剂铁矿粉, barite:重晶石, %PC-W21L:清洗液.

2.3 主要工艺措施

2.3.1 压稳

(1) 在固井整个过程中不能注入低于泥浆密度的液体;

(2) 为了减少水泥浆凝固过程中失重现象的影响, 采用双凝的水泥浆结构, 且首浆稠化时间比尾浆长2小时。当下部水泥浆侯凝过程中发生失重现象时, 上部的水泥浆尚处于可流动状态, 可以保持有效的液柱压力, 使水泥浆体系形成自下而上的凝结, 大大降低水泥浆失重引起的高压气流涌入形成气窜通道;

(3) 憋压候凝。固井完成后的迅速关井憋压, 可弥补高密度水泥浆体系失重后, 环空液柱压力不足以平衡地层压力的气窜压力。关井憋压应注意如下技术要求:

关井一定要迅速, 顶替完成后应马上进行, 因水泥浆的失重是从一静止很快就开始的, 这段时间水泥浆形成结构强度小, 气窜最容易在这段发生。

环空憋压不能一开始就加最高的压力, 这样可能造成地层破裂, 根据地层的情况, 尽量在1小时内逐渐把压力加到3-5MPa, 甚至更高。

2.3.2 替净

针对破碎带地层引起的井径不规则和高密度泥浆在井壁形成较厚的虚泥饼问题, 除了使用一些常规的措施来提高顶替效率, 如提高套管居中情况, 固井前调整泥浆性能, 上下活动套管, 在葫芦井眼的小井径处放置漩流扶正器等等, 还要富余3-5方返出地面的污染水泥浆, 确保没有污染的水泥浆封固高压浅气层。

现场应用:

缅甸M区块2009年四口探井, 完钻井深基本在1000m左右, 在7”生产套管固井中均采用了高密度水泥浆体系, 固井一次成功率100%, 固井质量优良, 未出现套管冒气现象。彻底改变了2005-2006年RM19-1-1井和RM19-3-1井固井出现的质量问题。

3 结论

(1) 缅甸M区块推覆体地层具有浅层异常高压, 存在破碎带, 温度梯度倒挂等特点;

(2) “PC-GS2+PC-G84/80L”低温高密度防气窜水泥浆的失水量小、过渡时间短、早期强度发展快, 具有抑制失重和微膨胀的双作用防气窜功能, 有利于防止气窜;

(3) “CSP213S+PC-W21L”加重前置液的流变性好、失水低、清洗能力强, 具有平衡地层压力、清洗泥饼双作用功能, 适合高压破碎带地层固井;

(4) 旋转套管、大稠化时间差的双凝水泥浆柱、返出泥浆污染了的水泥浆和快速蹩压候凝等固井工艺适合推覆体高压浅气层固井。

摘要：缅甸M区块推覆体地层具有“浅层异常高压, 地层破碎和地温梯度倒挂”等特点, 中海油开展了“低温高密度防气窜水泥浆”、“双作用前置液”和“高压浅气层固井工艺”等技术研究, 优选出适合于推覆体地层固井的防气窜水泥浆、双作用隔离液和防气窜固井工艺。2009年缅甸M区块的四口探井固井, 一次成功率100%。

关键词：推覆体,浅层异常高压,低温高密度水泥浆,防气窜

参考文献

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推覆分析 篇4

国投新集能源股份有限公司一矿和二矿是我国推覆体下采煤最早的煤矿, 煤层顶板推覆体内存在着寒武系白云质灰岩水、夹片灰岩水、断层水的威胁, 尤其13-1煤层进入-450 m水平以下, 虽然顶板没有强含水层, 但多个工作面仍发生顶板涌水, 最大瞬时水量达400 m3/h, 造成工作面多次被淹, 顶板水害问题已严重影响了矿井的正常生产, 并成为新集矿区的安全隐患。然而, 推覆体下采煤在我国尚没有成熟的防治水经验, 顶板水的成因也仅限于水文地质条件分析, 缺乏深入的探讨。在对新集矿区水文地质条件分析的基础上, 对坚硬片麻岩推覆体下开采水害形成的条件进行了分析和探测, 对灾害的成因进行了相似材料模拟和计算机数值模拟, 认为弱含水层顶板水灾害为推覆断层造成上覆坚硬片麻岩和下伏砂页岩发生离层积水、释放所致。

次生离层水害是一种新型的水害类型, 在国内外尚属罕见, 因此开展这一问题的研究对矿井水害类型的认识与防治具有很大的理论意义和实际价值。

1 水害的成因分析

1.1 新集矿区的水文地质条件

新集矿区属于华北煤田的南部, 煤系地层为山西组至上石盒子组地层。可采13层, 从下往上依次为1#槽至13#槽。矿区的2个煤矿为推覆体下开采的矿井, 其地质构造和岩石体系分上下两个系统:逆冲断层上盘的推覆系统和逆冲断层下盘的原地系统, 如图1所示。逆冲断层切穿了下伏系统, 但多位于最上部13#煤上方0~400 m的范围内, 其中逆冲断层位于最上部13#煤上方50~80 m区域为最近5年的开采范围。在整个范围内, 推覆系统为坚硬的寒武系白云质灰岩和元古界的片麻岩。下部系统存在着石炭系薄层灰岩、寒武系厚层灰岩或白云质灰岩含水层, 但距离13煤太远, 不会造成灾害。因此推覆体内的白云质灰岩即成为防治水的重点。

推覆体内灰岩的分布范围在勘探和补充勘探期即进行了划分, 在灰岩距离煤层较近的部位采取了留设煤柱或钻孔疏放的防治水工艺, 但在片麻岩隔水层顶板区, 则未采取任何措施。

然而上覆推覆体为片麻岩的1307工作面2003年元月30日发生水量达400 m3/h的溃水, 导致工作面停产, 造成了很大的经济损失, 因此, 片麻岩顶板的水害成因研究成为推覆体下采煤必须解决的问题。

1.2 水害成因分析

上覆地层中新生界松散层厚平均为123.7 m, 基岩厚度约230 m。逆冲断层埋深215~283 m。推覆体地层为片麻岩, 厚度为82~150 m, 推覆体以下为砂页岩地层。1307工作面所采的13#煤厚度为7.79 m, 顶板向上的岩性及其厚度依次为:泥岩1 (12.5 m) 、砂岩 (14.2 m) 、粉砂岩 (13.8 m) 、泥岩2 (11.5 m) 、闪长玢岩 (87.6 m) 。

1307工作面平均埋深353 m, 走向长1 350 m, 倾斜宽150 m, 煤层倾角12°。综合放顶法开采, 自然垮落法管理顶板。

采矿学认为, 煤层开采后必然形成覆岩的冒落、导水裂隙带和弯曲沉降带。正常情况下, 弯曲沉降带将一直发育到地表, 造成地表塌陷[1,2]。但是, 1307工作面13#煤顶板82~150 m以上为巨厚的片麻岩, 坚硬的顶板因不能与其下伏砂页岩同步弯曲下沉而产生的“离层”, “离层空间”充水后形成形如巨大“水包”——次生水源。当离层空间过大, 上覆岩层的“悬臂”过长而发生断裂时, 将产生冲击性压力, 使得“水包”破裂而发生溃水, 如图2所示, 这就是1307工作面溃水的主要原因。

2 顶板次生离层水成因模拟

2.1 相似材料模拟

根据相似材料模拟的三个定律, 进行了如表1所示的相似配比。

注:*:砂∶碳酸钙∶石膏

模拟的7#煤层厚度3.2 m, 底板厚度15 m, 顶板厚度71.8 m。平面模型架模拟高度为1 m, 长度3 m, 宽0.3 m。

模拟结果如图3所示。从图3中可以看出:①顶板岩体以推覆断层为界发生了离层;②煤层顶板越靠近断层位移量越大;③在工作面推过60~80 m处片麻岩发生断裂。

2.2 数值模拟

模拟在倾向上取520 m, 走向长度取200 m, 竖直方向上为238 m。模型底端位于-395 m处, 顶端位于-157 m处, 力学参数如表1所示。表1中的数据较实验室实验得到的数据偏小, 主要是因为岩体中存在各种各样的节理裂隙。

模拟采用了FLAC3D软件。共剖分了68640个单元, 73677个网格点。约束条件是侧面和底面采用简支, 即侧面不可以水平位移, 但可以纵向位移;地面不可以上下位移, 但可以水平位移。破坏准则采用库伦莫尔强度理论。

从图4可以看出, 在工作面的正上方, 片麻岩应力值为-0.15×10-6~0.0 MPa, 而煤系地层应力值为-5.5×106~5.0×106MPa, 片麻岩底界应力发生突变, 显示出明显的离层现象。

从图4可以看出, 工作面推进40m时, 片麻岩下方出现体积应变集中现象, 显示出明显的离层现象。

3 顶板次生离层水害的探查与防治

为了证实工程地质的分析结果和模拟试验结果, 在工作面以十字形布置了5个钻孔, 中心孔位于离层区的中央, 边缘孔分别位于上下巷内20 m, 工作面中轴线的超前支撑煤壁内和切眼内。探查结果发现, 过片麻岩后都不同程度的发生了掉钻;T3孔片麻岩底界的上下岩层的岩芯较为破碎, 采取率 (RQD) 较低, 其他4个钻孔片麻岩和煤系地层岩芯均完整, RQD值较高。说明中央孔处在溃水后, 片麻岩和下伏煤系地层都发生了破坏垮落, 而离层空腔的边缘, 岩层尚未垮落。对钻孔的光学成像观测发现, 各钻孔都有不同程度的离层现象, 其中T3孔的离层在片麻岩内、片麻岩底界和煤系地层内部有发现, 而其他钻孔仅在片麻岩底界发现, 其中靠近下巷的5号钻孔, 离层间隙最大, 约为0.54 m。分析认为中央钻孔处的离层间隙最大, 片麻岩也有多层, 垮落并不同步, 片麻岩“层”内也发生了离层, 但离层间隙显著小于煤系地层。而其他位于离层空腔边缘的钻孔处片麻岩层内的离层并不明显。

水害的次生离层成因确定为水害治理提供了依据。根据其成因, 在工作面的上下巷迎着推进方向斜向工作面内一定的间距施工疏干钻孔, 如图6、7所示。为了保证在开采过程中不会因为超前破坏而堵孔, 应在钻孔内下入透水套管。

4 结语

顶板次生离层水尽管是一种少见的水害形式, 但因其发生突然, 危害很大。在水文地质和工程地质条件分析的前提下, 相似材料模拟和数值模拟是确定灾害源成因的有效方法。针对离层水的成因, 采取了防治措施, 使得此类水害在本矿类似的水文地质和工程地质条件下开采的其他工作面没有再发生顶板水害事故。这一问题的研究成果已被应用于集团公司巨厚、坚硬的片麻岩和片麻岩顶板的工作面, 并取得了满意的效果。

摘要：在水文地质和工程地质条件分析、相似材料模拟和数值模拟的基础上, 确定了新集矿区的顶板水害为次生离层水包破裂所致, 钻探和光学成像证实了分析和实验结果。针对灾害原因, 采取了采动疏干的防治水方法, 取得了满意的效果, 确保了类似条件工作面开采的安全。

关键词：离层水,片麻岩,数值模拟,相似材料模拟,疏干

参考文献

[1]王经明, 马茂盛, 王勇.沙下大采高采煤导水裂隙带高度的确定[J].煤田地质与勘探, 1999, (1) :45-48.