断层含水导水性研究文档格式.docx

1、（2）断裂的两盘的岩性，与之相同的力学性质的断裂，当两盘都是刚性岩层时，其导水性相对良好，当两盘都是软性岩石时，其导水性相对较差。如果断裂其中一盘为刚性岩层，另一盘为软性的岩层，在天然状态下断裂有可能是隔水的，但是随着开采的进行可能逐渐的变成导水性的，但同时也可能容易出现滞后突水的现象，突水滞后的时间是不等的，有可能是几个小时，也有可能是几天或者是几年。这点在煤矿开挖中应引起注意。（3）断层的规模，在其他条件相同的情况下，断层的走向越长，断裂越宽，导水性越好，断裂的落差的大小一般对导水性不起决定性作用，断层的导水性主要取决于两盘岩性的接触关系4-5。除上述因素以外，断层形成后的充填胶结程度，后

2、期构造作用和地下水活动都会对断层的导水性产生一定的影响。就大多数水文地质条件复杂的金属矿山而言，地下水危害往往是安全开采所面临的主要风险，在进行水文地质勘察时其主要的目的之一就是提供比较可靠的矿坑涌水量预测成果：在矿坑涌水量预测过程中关于控矿断层对矿坑涌水量的影响研究是十分重要的基础工作6。1.2 国内外研究现状 有断层存在的区域的水文地质条件较为复杂，其研究内容主要从以下几个方面进行：水文地质勘察，水文地质钻探，抽水试验，动态观测及水样采取，同位素分析及矿坑涌水量预算。对矿山断层进行水文地质研究的核心是验证断层富水导水性以及断层对矿坑涌水量的影响程度7。当今研究认为断层的富水导水性与断层的性

3、质、规模，断层带的物质特征有密切的关系。而最重要的是从断层的性质方面去探讨和分析8。但断层构造含水性的因素不仅仅是断层的性质，而断层所处的岩石性质更具重要意义。这就需要在研究过程中对断层所涉及到的相关地层进行详细的勘查和研究。当考虑、分析断层构造的富水导水性时，必须综合考虑其两侧岩石的组成和性质，才能得出复合客观规律的正确认识和预测9。对断裂富水导水的研究调查，是矿床水文研究工作的重点之一。首先应该从其原本的水文地质特性入手，探测出断层不同部位的导水特性及其岩石力学性质，以及两侧断层岩岩性的变化关系，并在此基础上根据断层的位置分布，结合开采条件来评价断层的充水作用：究竟是作为沟通充水含水层与其

4、他水源之间联系的间接充水作用；还是导致矿坑大量突水的直接通道作用。后者是关键性问题，勘探时经常需要投入大量的勘探与试验工程，并利用各种技术研究方法综合评价其导水和控水作用。如：钻探，坑探，物探，抽水试验以及地下水水位，水化学，动态等特征的对比分析10。工程中通常要进行现场调研、断层破碎带观测与室内测试资料的综合整理分析,对以下内容进行研究:1.断层面特征；2.断层破碎带特征；3.断层上下盘地层之间的对接关系；4.断层及伴生断层的构造特征；5.断层构造演化。目前超前地质预报是获得断层信息较快、较准的途径，在工程中的应用比较广泛，如瑞利波，地质雷达，瞬变电磁法，CSAMT电阻率法等。对含水断层利用

5、地质雷达对破碎围岩和裂隙水进行超前预报，针对信号采集和数据处理解析过程中各影响因素,采取相应的处理措施，最大限度地去除干扰，最后得出清晰准确的测线伪彩色成果图及测线波形图等成果，并从成果图中统计探测范围内的结构面和裂隙发育的具体位置和规模、裂隙水发育位置等参数,为超前预注浆加固提供参数。对开挖后的地质情况进行地质编录,验证地质雷达预报的准确性与有效性。瞬变电磁法是基于导水断层和含水采空区与围岩在视电阻率值上的明显物性差异，利用瞬变电磁法在同一深度视电阻率切片图以及同一测线视电阻率等值线图中的低阻异常来划定断层以及圈定采空区，为钻孔位置确定提供依据，以确保煤矿安全高效的开采。CSAMT（可控源音

6、频大地电磁测探）是1975年由Myron Goldstein 提出，并在1978年由美国的Zonge 工程研究公司发展成为有用的工具。CSAMT采用可控人工场源，测量是由电偶极源传送到地下的电磁场分量，2个电极电源的距离为1-2KM，测量是在距离场源5-10KM以外的范围进行，此时场源可近似为一个平面波，通过不断变化电磁场频率，达到电阻率测深的目的，通过测量电场和磁场的水平分量求取地下介质的电阻率。其属于电磁类勘探方法，解释基础是电阻率，在工程物探中用电阻率值的高低及分布形态来区分岩性， 从而发现断层、断层的充水状况及物质组成成分。除了初期探测，针对有破碎带及断层赋存并临近地下铁矿山矿体的开采

7、,如果破碎带及断层中含水，随着开采的进行及空区的加大，含水破碎带及断层会产生变形、失稳及断裂破坏,给采场带来严重的冒顶、塌方或突然涌水等严重的灾害事故，可以通过稳定性分析及模拟计算对含水破碎带及断层临近矿体的开采进行研究，从而制定保证安全的采矿技术方案。一般地,对断层的导水性仅作定性分析；而对断层导水性进行定量分析的方法,在一定程度上弥补了定性分析的不足之处,能够较为准确地预测断层或断层某一部位的导水性,另外在矿井防治水工作中也便于采取针对性防治措施,从而更加有效地指导矿井安全生产。断层导水性是由多种地质因素综合作用决定的（具体因素会在第四章详细讲述），针对各主要地质因素可以结合矿井的实际情况

8、,按各种影响因素其对断层导水性影响程度的差异赋予不同的数值（量化）,通过综合分析各地质因素的量化值,对断层的导水性做定量判断。例如某一条断层的导水性或断层某一点的导水的可能性,一般说来均可以将各类主要地质因素其相对应的量化值进行叠加,叠加之和的总值越大,则反映该断层导水的可能性越大。另外,根据矿井实际揭露断层的导水情况,可以把赋予的量化值加以统计并且划分区段为：导水可能性较大、可能导水、导水可能性小、导水可能性极小,并以此作为是否需要布置探放水工程的参考依据,在预计断层导水可能性较大的地段,必须坚持（先探后掘）的原则,进行超前探放水；在断层可能导水的地段同样也需要布置探放水工程。施工方面主要采

9、用帷幕注浆进行外围加固，超前长管棚进行堵水预支护，以及采用台阶法进行开挖快速穿越含水断层。帷幕灌浆是目前国内外处理软弱围岩或破碎带时，特别是含水不良地质体，常用的辅助施工措施就是采用帷幕注浆。帷幕注浆堵水效率高、耐时久，且兼有加固岩层的作用，特别是在防水要求高或富水软弱地层隧道中，帷幕注浆更是确保顺利穿越不良地质体的必要手段。帷幕注浆包括全断面帷幕注浆、半断面帷幕注浆、周边帷幕注浆、局部帷幕注浆等，其主要作用是通过注浆，能够在隧道的外围形成一个不透水层，使隧道外围的水压力降到最小，达到封堵裂隙、隔离水源、堵塞水点的目的，以减少洞内涌水量，改善施工条件，降低施工风险。另外在施工过程中根据实际揭露

10、的地质反馈信息，随时进行动态设计、动态施工，这种信息化的工作方法既能保证施工的安全进行，同时又可以加快工程的进度，对顺利穿越含水断层断层起到至关重要的作用。1.3研究内容及技术路线通过对大量文献的查阅，目前对断层的含水性以及导水性的研究内容及技术路线如下：（1）在地球物理勘察的基础上，进行水文地质钻探,物探。（2）利用揭露断层的钻孔及矿区内其他钻孔，进行分组、群孔多种组合的抽水试验， 并结合抽水期间地下水动态同位素变化，以查明不同含水层组之间的水力联系和不同人工干 预条件下的地下水流场特征。（3）利用钻孔在断层不同部位所取岩芯的胶结程度、矿物成分分析，以查明水文地质特征随断层深度、走向的变化。

11、（4）结合矿床开发利用方案，利用数值模拟方法，预测矿坑涌水量，并进一步分析断层对矿坑涌水量的影响。 第二章 断层的形成及充水特征 2.1断层的形成机制 断层的形成涉及破裂的发生和断层的形成、断层作用与应力状态、岩石力学性质，以及断层作用与断层形成环境的物理状态等问题。下面以图1-1,1-2分别从宏观、微观两方面来展示断层的形成。当岩石所受到的力大于其本身的抗压强度，即此时的应力差超过其抗压强度，岩石便开始发生破裂。破裂之初，岩石表面会产生一些微裂隙，随着破裂的不断进行，微裂隙逐渐得到发展，相互联通，会形成明显的破裂面，该断裂面会导致断层上下盘发生相对的滑动。断层形成之初所产生的一些微裂隙大多数

12、会呈羽状散步，对于这些羽状微裂隙的性质，经过一些学者的研究，发现大多数为张性微裂隙。当断裂面一旦形成，随着断裂面的继续发展，当断裂面所受到的应力差大于其摩擦阻力时，两盘就会开始相对滑动，这就形成了所谓的断层。随着两盘的滑移以及断层的形成过程中，应力会得到不断释放，当应力释放到应力差小于两盘的滑动摩擦阻力的时候，这样一次断层作用就结束了，随着多次断层作用的结果，就形成了我们所观察到的产状复杂的断层。根据大量学者对现代对断层滑移时空以及位置的观测，以及对大断层位移的研究和统计分析，可以从中得出断层是以复杂的脉冲式进行发展和活动，且其活动和发展的速率与位移都是不稳定的。 图1-“宏观”断层 图2-“

13、微观”断层2.2断层的导水、充水特征绝大多数断层都充斥着大量的水，同时也是导水的主要渠道。断层具有一些显著的充水特征，根据查阅文献以及学者的研究，可以通过断层与矿井充水水源之间存在的一些关系，可以将断层分为含水断层、导水断层以及隔水断层三大类型。但是，大多数断层不仅含水，还可以导水，所以通过研究发现简单的将一条断层分为这三大类型中的一类是不够严谨的。由于在空间展布上，一条断层既有其导水性的一面，也有其隔水性的一面。研究发现，当断层两盘中至少有一盘岩体中含有软岩时，该区段的断层就表现为隔水断层；而当断层两盘岩体都是硬岩时，该区段的断层就表现为导水。断层的充水作用主要取决于断层的性质、规模、形成年

14、代、断层两盘伴生裂隙的发育程度,断层所切割地层的岩性及该地层的富水性,断层两盘岩层的对接组合状况等等。断层主要具备以下导水及充水特征：（1）由于断层形成过程中破坏了切割岩体，破坏了岩层的连续性,对于相对脆弱的断层带,常出现岩石破碎,裂隙发育,应力集中等现象。当矿山压力、水头压力对断层共同作用的时候,脆弱的断层带会被地下水突破，发生突水现象,水头压力越高,突水的可能性越大。（2）断层的导水性与断层性质有很大的关系。断层本身在天然状态下就是导水的通道,通常宽度较大，胶结性较差的断层带，导水性较强。另外，张性断层相对其他性质的断层的导水性要更强一些。一般的正断层上盘、逆断层下盘是容易发生突水的部位。

15、（3）断层的充水特征与断层两盘含水层和隔水层的组合对接情况有关,这种组合情况改变矿床直接充水含水层的补给条件。若断层使得原本直接充水含水层和断层另一侧的隔水岩层相对接,则使其补给条件变差；若断层使直接充水含水层和断层另一侧的强含水层组合对接,则原本直接充水含水层的补给条件将得到有力的改善,使其有了比较稳定的补给水源。（4）煤矿开采实践表明,突水断层通常是一些较小的断层,而大断层的突水是比较少见的。这主要是因为规模较大的断层在开挖前期已经被勘探并将其控制,而且采取了留设煤岩柱等防治水措施,即使开拓中对断层有所揭露,也只不过是跨度较小巷道穿过；而小断层不容易被查明,一般也不会留设煤岩柱,且经常出现

16、在采区内,尤其是隔水层厚度较小的地段,较小规模的断层也可能使含水层和煤层间的距离距小于安全数值,再加上断层对隔水层力学强度的削弱,所以小断层突水现象是比较常见的。（5）从空间上看，对于较大的断层来说，它的导水性一般会在走向和倾向的发生变化的地段而产生较大的变化。同时，断层的导水、隔水性质与断层两侧的岩层性质密切相关：当断层的两侧均为含水层的时候，断层通常都表现为导水；当断层两侧岩层均为隔水层的时候，断层则常表现为隔水；在脆性较强的岩层中，断层常具有较好的导水性,而在富水性较差的围岩中,断层的导水与含水能力都比较弱。（6）从时间上看,断层具有明显的滞后突水特征。即在井巷工程揭露断层的当时并没有发

17、生突水,而在井巷穿过该断层一段时间后才发生突水,这种滞后的时间可以是几天、几月、几年甚至十余年。其主要原因是某些断层在天然状态下不导水,因井巷工程导致水压、矿压和地应力等因素的共同作用,原来不导水的断层具备了导水的条件,从而出现滞后突水。（7）有些断层在自然状态下其导水性可能很弱;在开采条件下,当井巷揭露断层的部位远离强含水层时,断层可能表现为不导水;但当揭露断层接近含水层时,则会发生突水。一般地,一条断层往往表现为由数条小断层组成的断层带,而一条小断层在断层突水中的作用并不大,但这些小断层共同作用的结果会在断层突水中发挥更大的作用,尤其是部分小断层虽然没有揭露,但其在断层突水中的作用已经发挥

18、。（8）断层是引起煤矿底板突水的主要原因之一。大量实际资料表明，底板突水绝大多数都发生在断层或附近有断层存在的位置，断层对底板突水的作用，除了断层带及其两侧岩层中产生许多脆弱破裂面，使隔水底板的强度降低外,还有断层的位移能够导致隔水底板的厚度减少甚至缺失,使其降低或失去抵抗水压与矿压的能力,因此底板断层突水发生在正断层的上盘或逆断层的下盘时这一特征表现得更叫明显。虽然底板突水大都是发生在断层或裂隙带上，但一般都是在水压标高超过断层或者裂隙带标高几十米至几百米之间时才会发生突水情况。当如果断层两侧岩体都属于硬岩时，其断层带中的导水空隙能使下浮含水层的水沿着断层带上升一定的高度，使底板更容易发生突

19、水。对应这样的断层必须加大超前探水距离,进行超前预注浆处理,留设足够的防水煤岩柱,才能保证采矿工作安全的进行。第三章 断层含水性研究方法及治理方案3.1断层含水性的研究方法对于断层含水性的研究，通过查阅大量文献资料，发现很多学者对其研究具有不同的方法。本节主要介绍电阻率法（直流电法）、瞬变电磁超前探测法、瑞利波探测法、地质雷达探测法以及钻探法。3.1.1电阻率法（直流电法）由于岩石的孔隙、裂隙都是含水的，并且随着岩石湿度与饱和度的增加，电阻率会发生急剧的下降。但是，对于水分含量相同，而岩性不同的岩石的电阻率之间可能会有很极大的差别，而导致这种情况出现的原因是因为水分有不同的矿化度。通过矿化度对

20、电阻率的影响的分析研究，发现断层的电阻率与断层的规模大小并无直接关系，而与其密切相关的是断层的破碎程度和断层含水的饱和程度。而对于干燥的岩石的店主率，却是主要取决于岩石的含水饱和度。经过大量学者的实验研究，得出一般情况之下，含水断层和岩层的电阻率是要远远小于干燥的围岩的电阻率。根据以上断层的电阻率主要受控于含水饱和度以及断层的破碎程度，因此我们可以通过对断层两盘的电阻率测量，可以获取断层的含水性以及断层的位置信息：对断层两盘进行直流电法实验，当断层破碎带含水时，在电性断面上会表现为低电阻率异常，相反的是，如若破碎断层带不含税，则会在电性断面上表现为高电阻率异常。通过电阻率法还可以获取断层的位置

21、信息。电阻率法具有简便经济的优点。3.1.2瞬变电磁超前探测法研究发现巷道在掘进前方所隐伏的导水与含水构造都极其容易导致矿井突水事故的发生，从而对煤矿的安全生产造成了极大的威胁。采用接触式钻探的方法进行预报，不仅成本高、效率低，而且钻进过程中很有可能诱发水害，因此研究和应用非接触式的地球物理超前探测技术，准确又及时地预报掘进前方隐伏的导水、含水的构造，对于煤矿的防治水工作以及安全生产具有十分重要的意义。在目前，瞬变电磁产前探测法以矿井瞬变电磁法较为成熟且发展较快，而矿井瞬变电磁法的形式以多匝小回线装置，是近几年发展起来的一种新型井下物理探测技术，其工作原理为：采用2个线圈，1个作为发射，1个作

22、为接收，发射线圈平面的法线方向便是其探测的方向。探测时架设线圈使其法线方向对准巷道中所要探测的目标体，在发射线圈中通以阶跃电流，而后瞬间关闭。通电期间大地中便建立了一次磁场，断电后在巷道的围岩中激发了以发射线圈法线方向为中心的涡旋感应电流场。最初激发的感应电流场仅仅局限于发射线圈周围而且强度最大，但随着时间的推移，该感应电流场沿着发射线圈平面的法线方向向周围介质中扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。矿井瞬变电磁法具有施工方便快捷、体积小、探测距离大等优点。并且克服了直流电法施工受限，电极接地困难等障碍。能够明显地探测到巷道掘进前方的断层、陷落柱、水文钻孔等构造。除了矿井瞬变电磁发，美国一些科学

23、家也对瞬变电磁法的超前探测进行了大量的研究，其中通过对美国地球物理学家 M N Nabghan 的研究阅读学习，从中获得以下结论：在均匀介质的条件下，感应电流呈环带状分布，沿着与线圈平面呈 30倾角的锥形斜面会产生向前或者向外移动，并且强度由内到外会逐渐减弱。通过对涡旋电流的测量统计发现，在任何时刻发射线圈前方的涡旋电流在发射位置处产生的磁场都可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚刚关闭时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向前、向外扩散，并且逐渐变形为圆电流环。等效电流环就像从发射回线中吹出来的一系列“烟圈”，因此，将涡旋电流沿发射线圈法线方

24、向向外扩散的过程被人们形象地称为“烟圈效应”如（图3）。从“烟圈效应”来看，早、晚期瞬变电磁场分别是由靠近发射线圈和远离发射线圈的巷道前方介质的感应电流所产生的，反映的是近距离和远距离的电性的分布。因此，根据接收到的瞬变电磁场随时间变化的规律，可以得出前方的地质信息，以达到超前探测的目的。图 3 瞬变电磁超前探测原理示意3.1.3瑞利波探测法对于弹性半空间介质，当表面受到振动产生一定的影响，在介质中会产生三种不同的波：纵波，横波，表面波。其中表面波有两种不同的类型，一种是粒子振动，振动轨迹垂直于波在水平面中的传播方向，称为勒夫波。另一种类型的波的是英国物理学家瑞利于1887年在理论上证明的，被

25、称为Rayleigh波，粒子的振动在包含波的传播方向的垂直平面上的波，质点的运动是逆时针的椭圆形轨道，其传播速度略小于横波，振幅随深度呈指数函数减小。天然地震中，瑞利波是最大危险的地震勘探地震波，瑞利波被视为一个干扰波。因此在地震减灾和常规地震勘探中，都在设法减小它的危害以及影响。说到方法，瑞利波勘探法，可分为两个频域稳态法和时域瞬态法的。前者与后者相比虽然技术较为成熟，但其缺点是设备体积大，效率低。后者具有高效快捷的优点，是目前与其他方法相比，学者研究的热点。所述瑞利波勘探较其他方法具有以下特点：（1）高的分辨率，所述瑞利波勘探，来控制振动的频率，通过改变，实现高分辨率的搜索。（2）它不会受

26、到该层中的速度之间关系的影响。瑞利波勘探中，有速度反转现象即高速层中可以夹着低速层。它具有在阻抗大的区域，如果在层之间，所述瑞利波方法是有一个小的速度差，也能够探索需要一个反射层。（3）不会受到测量场地周围电磁以及金属的影响。（4）占用勘探场地小。（5）高效率，可以在短时间内获得勘探结果。 瑞利波检测属于地震勘探的类别，使用锤击源，施工方便，数据处理直观，检测精度高是用于非破坏性的原位测试的理想方法，并且不存在盲点检测。由于稳定瑞利波法所需要的仪器体积过大，不便携带于井下进行调查和检测，此外，仪器所需功率大，下井勘查携带便携式仪器无法圆满解决防爆问题，因此重点放在研究瞬态瑞利波法。但是，目前的

27、技术对于地质异常可以精确定位，但地质异常的性质判别仍需要通过地质综合分析来完成。3.1.4地质雷达探测法图4-地质雷达工作原理示雷达属于高频电磁波,地质雷达的工作原理是基于电磁波的反射原理。通过天线向地下发射高频电磁波（电磁脉冲）,当波前遇到目标体或其它介质的界面时返回地面。测量信号返回地面的时间,并根据接收天线与发射天线的位置来计算目标体的位置和深度。我们可以用图4加以说明。图中T为发射天线,R为接收天线,两者间的距离为X,H为反射点的埋深。波从T出发,按几何光学原理经。返回地面到达R的时间为t。设电磁波在介质中的传播速度为V。由简单的几何关系可得出t=.（1）我们可把（1）式称为时距公式,

28、表达了目标体位置同时间之间的关系。这里需要知道电磁波在介质中的传播速度V。目前地质雷达从数据采集、储存、到数据处理都已实现数字化。由于地质雷达的电磁波与地震勘探中的地震波传播原理相似,所以地质雷达的数据处理方法,同地震勘探的数据处理方法基本相同。主要有静校正、速度分析、带通（FFT）滤波、频率一波数件k）滤波、偏移和反褶积、叠加等。或者将地质雷达数据换成地震处理格式,用地震处理软件进行处理,这样使处理方法更丰富,能取得更好的效果。地质雷达探测技术具有以下优点：利用电磁波的反射进行探测，工作轻便、快捷、数据处理自动化程度高。缺点:在含水断层破碎带内,雷达信号短时间内衰减较大,对于较大的断层破碎带

29、，地质雷达难以穿透,在远处未能进行有效探测。另外,与所有反射波法一样,地质雷达探测存在探测盲区。3.1.5钻探钻探是地质勘探工作中的一项重要技术手段。用钻机从地表向下钻进，在地层中形成圆柱形钻孔，以鉴别和划分地层。可从钻孔中不同深度处取得岩心、矿样、土样进行分析研究，用以测定岩石和土层的物理、力学性质和指标，提供设计需要。利用钻探岩芯识别断层,在地质勘探上判断是否存在断层是最直观、最有效的方法。识别岩芯中的断裂形变、挤压扭曲、岩芯破碎带等断层标志,主要包括岩石的颜色、成分、结构、构造等。将对勘探区的构造分析,提供必要的地质依据。钻探成果直观,但与以上几种方法相比较,钻探成本高、周期长。3.2富