地裂缝成因机制分析及数值模拟
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６ ８
张哲瑞 ： 基于进化神经网络的采空区导水裂隙高度 的预测模型研究 度的影响因数分析 ，确定 了运用智能计算方法处理
表 １ — ２ 外 推 能 力检 测 表
ＮＯ Ｏｕ ｔ ｐ ｕ ｔ Ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ Ａ ｂ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｅ ｌ ２ ３ ３ １ ． ３ ８ ８ ０ ６ ３ ３ ６ ． ０ ｏ ８ ２ ４ ２ － ３ ０ ４ ７ ３ ９ ３ １ ． ２ ９ ３ ６ ． ０ ７ ４ ３ ． ０ ３ Ｏ ． ０ ９ ８ Ｏ ６ ３ ０ １ ５ — ０ ． ０ ６１ ８ ０ ｏ ３ ２ ３ － ０ ． ７ ２ ５ ２ ６ １ ４ ３ Ｅｒ ｒ ｏ ｒ Ｒｅ ｌ ａ ｖ ｅ ｎ ｔ ０ － ３ ｌ ３ ４ ０ ｏ ４ ９ ０ ． １ ７１ ３ ３ ４ ４ ｌ １ ． ６ ８ ５ ４ ７ ８ ６
当错 动量达到一定程度 ， 地表便 出现拉应力 区及土 体的破坏。由于拉应力 区主要集 中在断层 的地表延 伸处附近尤其上盘 附近 ，使得地裂缝 多发 育于上 盘， 同 时在剖 面 上也 出现 了陡变带 。
［ ５ 】 彭建兵 ， 范 文， 李喜安 ， 王庆 良， 冯希 杰 ， 张 骏， 李 新生， 卢全 中， 黄强兵 ， 马润 勇 ， 卢 玉东． 汾 渭盆 地地裂缝成 因
【 关键 词 】地裂缝 ； 成 因机制分析 ； 数值模拟
【 中图分类号 】Ｐ ５ ４ ２
【 文献标识码 】 Ａ
【 文章编号】 １ ０ ０ ８ — ８ ８ ８ １ （ ２ ０ １ ６ ） ０ １ — ０ ０ ６ ８ — ０ ２
１概 况
山西 太原 盆 地 的清 徐县 发 现 一条 长 １ ５ ｋ ｍ 的地
其非线性问题的可行性。 通过收集相关数据样本 ， 确
定了运用开采厚度 、 上覆岩层岩石力学性质 、 采煤工 艺三个影响因数为预测导水裂隙高度 的输入参数 。 通过对数据样本 的学习训练得到了导水裂隙高度 的 预测模型，通过检测样本得到其模型有较好 的外推 能力 ， 可以有效进行采空区导水裂隙高度 的预测。
１ ． ７ ７ ５ ３ ８ ９ １
【 ２ 】 王双 美． 导水裂 隙带 高度研 究方法概述田． 水 文地 质工
程地质， ２ ０ ０ ６ （ ５ ） ： １ ２ ６ － １ ２ ８ ．
［ ３ １ 陈荣华 ， 白海 波等． 综放 面覆岩 导水裂 隙带 高度 的确
定 田． 采矿与安全工程 学报 ， ２ ０ ０ ８ （ ６ ） ： ２ ２ １ — ２ ２ ３ ．
【 参考文献】
［ １ 】 冯夏庭 ， 王泳嘉． 采矿 工程 智能 系统——人 工智 能与
神 经网络在矿 业 中的应 用［ Ｍ］ ． 北京 ： 冶金 工业出版社 ， １ ９ ９ ４ ．
４
４ ２ ． ４ ６ ０ ６ ９ ２
４ １ ． ７ ２
wk.baidu.com
０ ． ７ ４ ０ ６ ９ ２ ３ １
（ 上接 ６ ９页） 显 的对 应 关 系 。
【 参考文献 】
【 １ 】 李 自红 ， 刘 鸿福 ， 曾金艳 ， 陈 文． 基 于分形理论 的地
裂缝成 因机制研 究Ⅱ 】 ． 震 灾防御技术 ， ２ ０ １ ２ ， （ １ ） ： ３ ０ － ３ １ ．
（ ２ ） 地裂缝 的主要力源是构造作用力和土体重 力的共 同作用 ， 交城断裂延续至今具有特强持续的 活动性 ，交城断裂的正断活动产生水平拉张应力 ， 在此应力作用和土体 自 重作用力 的共 同作用下 ， 导 致了上覆土层 的垂直差异变形 ， 上覆土层 自下而上 产生破裂 ， 从而形成地裂缝。
２ ０ １ ６年 ２月
山西煤炭管理干部学院学报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｃ ｏ ａ ｌ — — Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ａｄ ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
Ｆ ｅ ｂ ． ， ２ ０１ ６ Ｖｏ １ ． ２ ９ Ｎ ｏ ． １
下部 断层 相连 的有 Ｌ ． 。 、 Ｌ 、 Ｌ ， 这 三 条地 裂缝 在 地 面
３ ｍ以下转换 为断层 ，并沿断裂面继续 向下 开裂 ，
断裂 ， 断裂的右旋扭动使上部地层产生拉破裂［ ２ １ 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ３ — ０ ７
作者简介 ： 郝天河（ １ ９ ６ ５ 一 ） ， 男， 山西夏 县人 ， 山西忻州神达能源集团有限公司工程 师。
区 内的构造 应力 场 主压 应力 为 Ｎ Ｅ—Ｎ Ｎ Ｅ， 以水
平方向为主 ， 这种以 Ｎ Ｅ— Ｓ Ｗ 向挤压 、 Ｎ Ｗ— Ｓ Ｅ向近 水平拉张有作用动力来源主要源 自于区内基底断裂 的右旋扭动所致。交城断裂为具有右旋走滑性质的
有Ｌ 。 、 ｋ、 Ｌ 。 、 Ｌ 、 Ｌ ， ： 、 Ｌ ， ， 地裂缝宽 １ ０ ～ ２ ０ ｃ ｍ， 其 中与
交城断裂在清徐地裂缝 出现段 ， 平泉村 以北断 裂走向为 Ｎ ４ ５ 。 ，在平泉村西南断裂走向逐渐变为 Ｎ ７ ０ 。， 断裂倾 向为 ｓ Ｅ ， 倾角 ５ ５ ～ ７ ０ 。。 地裂缝带走 向Ｎ Ｅ ４ ５ 。～ ７ ０ 。， 倾向 ｓ Ｅ ， 倾角 ８ ５ ～ ８ ８ 。。 交城断 裂在上固驿段总体走 向沿 Ｎ Ｅ ６ ０ 。延伸 ，两者延伸 方 向相 同 ， 地 裂缝 呈 条 带状 分 布 。方 山探 槽 中共 揭 露出 ｌ ３ 条 地裂缝 ， 有３ 条分别与断层 Ｆ ２ 、 Ｆ ３ 、 Ｆ ６断 层相连接。另有 ２ 条裂至地表的地裂缝位于地层 由 倾斜变为水平 的转变部位 ， 现今出露 于地表的地裂
研 究 中的若干关键 问题 Ⅱ 】 ＿ 工程地质 学报 ， ２ ０ ０ ７ ， （ ４ ） ： ２ ４ － ２ ５ ．
７４
Ｌ 。 。 、 Ｌ 在下部探槽 中交汇在主断裂上 ，探槽揭露深 度范围地裂缝仍然存在。 按照地裂缝上裂点的埋深与地层层位 的关系 、 充填物的差异和密实程度 、地裂缝之间的穿插 、 错 断关系， 可将地裂缝分为 ４ 个活动期次。 第一期地裂缝位于探槽 中主断裂下盘 ， 地裂缝 的充 填 物为 紫 红 色粗 砂 ， 第 一 期地 裂 缝 发 生 期 约 在
【 ２ ］门玉明 ， 彭建兵 ， 李寻 昌． 山西清徐 县地裂缝 灾害现状 及 类型分析 Ⅱ 】 ． 工程地质学报 ， ２ ０ ０ ７ ， （ ４ ） ： ２ ６ － ２ ７ ．
【 ３ ］ 武 强 ，陈佩佩 ． 地 裂缝 灾害发生机理与 ” 三 图法 ”
评 价方法研 究 一 一以山西榆 次地裂缝研 究为例 卟 地质 学报 ，
ｌ ～１ ． ２万 年之 间 。
裂缝 ， 造成严重的地质灾害。太原盆地 的地球物理 场特征和地壳结构是 地裂缝发育 的地质背景 ， 特别 是清徐 凹陷边界断裂构造（ 交城断裂 ） 活化 直接控 制和影响地裂缝的形成。 清徐地裂缝 主要发育 于清徐县西边 山的洪积 扇区和黄土台塬地带 ， 而且主要分布在交城断裂附 近， 地裂缝延伸方向单一 。清徐地裂缝兼具有活动 继 承性 型成 因和扭 动派 生型 成 因两种 成 因类 型 。
第２ ９ 卷
第１ 期
・
煤 电技术研究 ・
地裂缝成 因机制分析及数值模拟
郝 天 河
（ 山西忻州神达能源集团有限公 司 ， 山西 忻州 ０ ３ ４ ０ ０ ０ ）
【 摘 要】本文分析 了 清徐地裂缝的主要力源是构造作用力和土体重力的共同作用， 地裂缝与交城断裂存在明显
的对应 关系。通过 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ３ Ｄ数值模拟分析表 明： 断层的活动 必然带动上覆土层 的差异沉降及应力场变化 ， 当错动 量达 到一定程度 ， 地袁便 出现拉应力区及土体的破 坏。由于拉应力区主要 集中在断层的地表延伸处 附近尤其上盘 附近 ， 使 得地裂缝 多发育于上盘 ， 同时在剖 面上也 出现 了陡变带。
２地 裂 缝成 因机 制分 析
第 二期 地 裂缝 位 于 探槽 中 主断 裂 下 盘 ， 地 裂 缝
的充填物为黄 褐色细砂 ， 埋深 ０ ． ４ ｍ， 该期活动期在 全新世早期。 第三期地裂缝的充填物为灰黑色粗砂 ， 其活动
期在 全新 世 中期 。
２ ． １ 活动 断 裂继 承性 成 因
缝 主要 位 于 断裂上 盘 １ ５ ｍ至下 盘 １ ０ ｍ 的范 围内 ， 地 裂带宽 ２ ５ ｍ。探槽 中揭露 的地裂缝 现 今正 在 活动 的
第四期是现今活动期 。 这 四期地 裂缝 最早 的第 一期大 至发 生于晚更 新世晚期距今 １ ～１ ． ２ 万年期 间， 在此之后有相继 出 现了３ 次地裂活动 ， 其活动的间隔大致为 ３ ０ ０ ０ 年。 方 山探槽 中地裂缝有 明显的垂直位移现象 ， 主 断 层上 的地 裂缝垂 直 位移 量 为 １ ５～２ ０ ｃ ｍ， 表 明交 城 断裂现今在进行蠕滑活动［ １ Ｊ 。 ２ ． ２基底 活动构 造扭 动成 因
２ ０ ０ ５ ， （ ６ ） ： ３ ３ — ３ ４ ． 【 ４ 】 石玉玲 ， 门玉明 ， 彭建兵 ， 黄强兵 ， 刘洪佳 ， 陈立伟 ． 西 安城 区地裂缝破 裂扩展 的数值模拟 田． 水 文地 质工程地质 ， ２ ０ ０ ８ 。 （ ６ ） ： １ ８ －１ ９ ．
（ ３ ） 通过 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ数值模 拟分析表 明 ： 断层 的 活动必然带动上覆土层的差异沉降及应力场变化 ，
张哲瑞 ： 基于进化神经网络的采空区导水裂隙高度 的预测模型研究 度的影响因数分析 ，确定 了运用智能计算方法处理
表 １ — ２ 外 推 能 力检 测 表
ＮＯ Ｏｕ ｔ ｐ ｕ ｔ Ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ Ａ ｂ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｅ ｌ ２ ３ ３ １ ． ３ ８ ８ ０ ６ ３ ３ ６ ． ０ ｏ ８ ２ ４ ２ － ３ ０ ４ ７ ３ ９ ３ １ ． ２ ９ ３ ６ ． ０ ７ ４ ３ ． ０ ３ Ｏ ． ０ ９ ８ Ｏ ６ ３ ０ １ ５ — ０ ． ０ ６１ ８ ０ ｏ ３ ２ ３ － ０ ． ７ ２ ５ ２ ６ １ ４ ３ Ｅｒ ｒ ｏ ｒ Ｒｅ ｌ ａ ｖ ｅ ｎ ｔ ０ － ３ ｌ ３ ４ ０ ｏ ４ ９ ０ ． １ ７１ ３ ３ ４ ４ ｌ １ ． ６ ８ ５ ４ ７ ８ ６
当错 动量达到一定程度 ， 地表便 出现拉应力 区及土 体的破坏。由于拉应力 区主要集 中在断层 的地表延 伸处附近尤其上盘 附近 ，使得地裂缝 多发 育于上 盘， 同 时在剖 面 上也 出现 了陡变带 。
［ ５ 】 彭建兵 ， 范 文， 李喜安 ， 王庆 良， 冯希 杰 ， 张 骏， 李 新生， 卢全 中， 黄强兵 ， 马润 勇 ， 卢 玉东． 汾 渭盆 地地裂缝成 因
【 关键 词 】地裂缝 ； 成 因机制分析 ； 数值模拟
【 中图分类号 】Ｐ ５ ４ ２
【 文献标识码 】 Ａ
【 文章编号】 １ ０ ０ ８ — ８ ８ ８ １ （ ２ ０ １ ６ ） ０ １ — ０ ０ ６ ８ — ０ ２
１概 况
山西 太原 盆 地 的清 徐县 发 现 一条 长 １ ５ ｋ ｍ 的地
其非线性问题的可行性。 通过收集相关数据样本 ， 确
定了运用开采厚度 、 上覆岩层岩石力学性质 、 采煤工 艺三个影响因数为预测导水裂隙高度 的输入参数 。 通过对数据样本 的学习训练得到了导水裂隙高度 的 预测模型，通过检测样本得到其模型有较好 的外推 能力 ， 可以有效进行采空区导水裂隙高度 的预测。
１ ． ７ ７ ５ ３ ８ ９ １
【 ２ 】 王双 美． 导水裂 隙带 高度研 究方法概述田． 水 文地 质工
程地质， ２ ０ ０ ６ （ ５ ） ： １ ２ ６ － １ ２ ８ ．
［ ３ １ 陈荣华 ， 白海 波等． 综放 面覆岩 导水裂 隙带 高度 的确
定 田． 采矿与安全工程 学报 ， ２ ０ ０ ８ （ ６ ） ： ２ ２ １ — ２ ２ ３ ．
【 参考文献】
［ １ 】 冯夏庭 ， 王泳嘉． 采矿 工程 智能 系统——人 工智 能与
神 经网络在矿 业 中的应 用［ Ｍ］ ． 北京 ： 冶金 工业出版社 ， １ ９ ９ ４ ．
４
４ ２ ． ４ ６ ０ ６ ９ ２
４ １ ． ７ ２
wk.baidu.com
０ ． ７ ４ ０ ６ ９ ２ ３ １
（ 上接 ６ ９页） 显 的对 应 关 系 。
【 参考文献 】
【 １ 】 李 自红 ， 刘 鸿福 ， 曾金艳 ， 陈 文． 基 于分形理论 的地
裂缝成 因机制研 究Ⅱ 】 ． 震 灾防御技术 ， ２ ０ １ ２ ， （ １ ） ： ３ ０ － ３ １ ．
（ ２ ） 地裂缝 的主要力源是构造作用力和土体重 力的共 同作用 ， 交城断裂延续至今具有特强持续的 活动性 ，交城断裂的正断活动产生水平拉张应力 ， 在此应力作用和土体 自 重作用力 的共 同作用下 ， 导 致了上覆土层 的垂直差异变形 ， 上覆土层 自下而上 产生破裂 ， 从而形成地裂缝。
２ ０ １ ６年 ２月
山西煤炭管理干部学院学报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｃ ｏ ａ ｌ — — Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ａｄ ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
Ｆ ｅ ｂ ． ， ２ ０１ ６ Ｖｏ １ ． ２ ９ Ｎ ｏ ． １
下部 断层 相连 的有 Ｌ ． 。 、 Ｌ 、 Ｌ ， 这 三 条地 裂缝 在 地 面
３ ｍ以下转换 为断层 ，并沿断裂面继续 向下 开裂 ，
断裂 ， 断裂的右旋扭动使上部地层产生拉破裂［ ２ １ 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ３ — ０ ７
作者简介 ： 郝天河（ １ ９ ６ ５ 一 ） ， 男， 山西夏 县人 ， 山西忻州神达能源集团有限公司工程 师。
区 内的构造 应力 场 主压 应力 为 Ｎ Ｅ—Ｎ Ｎ Ｅ， 以水
平方向为主 ， 这种以 Ｎ Ｅ— Ｓ Ｗ 向挤压 、 Ｎ Ｗ— Ｓ Ｅ向近 水平拉张有作用动力来源主要源 自于区内基底断裂 的右旋扭动所致。交城断裂为具有右旋走滑性质的
有Ｌ 。 、 ｋ、 Ｌ 。 、 Ｌ 、 Ｌ ， ： 、 Ｌ ， ， 地裂缝宽 １ ０ ～ ２ ０ ｃ ｍ， 其 中与
交城断裂在清徐地裂缝 出现段 ， 平泉村 以北断 裂走向为 Ｎ ４ ５ 。 ，在平泉村西南断裂走向逐渐变为 Ｎ ７ ０ 。， 断裂倾 向为 ｓ Ｅ ， 倾角 ５ ５ ～ ７ ０ 。。 地裂缝带走 向Ｎ Ｅ ４ ５ 。～ ７ ０ 。， 倾向 ｓ Ｅ ， 倾角 ８ ５ ～ ８ ８ 。。 交城断 裂在上固驿段总体走 向沿 Ｎ Ｅ ６ ０ 。延伸 ，两者延伸 方 向相 同 ， 地 裂缝 呈 条 带状 分 布 。方 山探 槽 中共 揭 露出 ｌ ３ 条 地裂缝 ， 有３ 条分别与断层 Ｆ ２ 、 Ｆ ３ 、 Ｆ ６断 层相连接。另有 ２ 条裂至地表的地裂缝位于地层 由 倾斜变为水平 的转变部位 ， 现今出露 于地表的地裂
研 究 中的若干关键 问题 Ⅱ 】 ＿ 工程地质 学报 ， ２ ０ ０ ７ ， （ ４ ） ： ２ ４ － ２ ５ ．
７４
Ｌ 。 。 、 Ｌ 在下部探槽 中交汇在主断裂上 ，探槽揭露深 度范围地裂缝仍然存在。 按照地裂缝上裂点的埋深与地层层位 的关系 、 充填物的差异和密实程度 、地裂缝之间的穿插 、 错 断关系， 可将地裂缝分为 ４ 个活动期次。 第一期地裂缝位于探槽 中主断裂下盘 ， 地裂缝 的充 填 物为 紫 红 色粗 砂 ， 第 一 期地 裂 缝 发 生 期 约 在
【 ２ ］门玉明 ， 彭建兵 ， 李寻 昌． 山西清徐 县地裂缝 灾害现状 及 类型分析 Ⅱ 】 ． 工程地质学报 ， ２ ０ ０ ７ ， （ ４ ） ： ２ ６ － ２ ７ ．
【 ３ ］ 武 强 ，陈佩佩 ． 地 裂缝 灾害发生机理与 ” 三 图法 ”
评 价方法研 究 一 一以山西榆 次地裂缝研 究为例 卟 地质 学报 ，
ｌ ～１ ． ２万 年之 间 。
裂缝 ， 造成严重的地质灾害。太原盆地 的地球物理 场特征和地壳结构是 地裂缝发育 的地质背景 ， 特别 是清徐 凹陷边界断裂构造（ 交城断裂 ） 活化 直接控 制和影响地裂缝的形成。 清徐地裂缝 主要发育 于清徐县西边 山的洪积 扇区和黄土台塬地带 ， 而且主要分布在交城断裂附 近， 地裂缝延伸方向单一 。清徐地裂缝兼具有活动 继 承性 型成 因和扭 动派 生型 成 因两种 成 因类 型 。
第２ ９ 卷
第１ 期
・
煤 电技术研究 ・
地裂缝成 因机制分析及数值模拟
郝 天 河
（ 山西忻州神达能源集团有限公 司 ， 山西 忻州 ０ ３ ４ ０ ０ ０ ）
【 摘 要】本文分析 了 清徐地裂缝的主要力源是构造作用力和土体重力的共同作用， 地裂缝与交城断裂存在明显
的对应 关系。通过 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ３ Ｄ数值模拟分析表 明： 断层的活动 必然带动上覆土层 的差异沉降及应力场变化 ， 当错动 量达 到一定程度 ， 地袁便 出现拉应力区及土体的破 坏。由于拉应力区主要 集中在断层的地表延伸处 附近尤其上盘 附近 ， 使 得地裂缝 多发育于上盘 ， 同时在剖 面上也 出现 了陡变带。
２地 裂 缝成 因机 制分 析
第 二期 地 裂缝 位 于 探槽 中 主断 裂 下 盘 ， 地 裂 缝
的充填物为黄 褐色细砂 ， 埋深 ０ ． ４ ｍ， 该期活动期在 全新世早期。 第三期地裂缝的充填物为灰黑色粗砂 ， 其活动
期在 全新 世 中期 。
２ ． １ 活动 断 裂继 承性 成 因
缝 主要 位 于 断裂上 盘 １ ５ ｍ至下 盘 １ ０ ｍ 的范 围内 ， 地 裂带宽 ２ ５ ｍ。探槽 中揭露 的地裂缝 现 今正 在 活动 的
第四期是现今活动期 。 这 四期地 裂缝 最早 的第 一期大 至发 生于晚更 新世晚期距今 １ ～１ ． ２ 万年期 间， 在此之后有相继 出 现了３ 次地裂活动 ， 其活动的间隔大致为 ３ ０ ０ ０ 年。 方 山探槽 中地裂缝有 明显的垂直位移现象 ， 主 断 层上 的地 裂缝垂 直 位移 量 为 １ ５～２ ０ ｃ ｍ， 表 明交 城 断裂现今在进行蠕滑活动［ １ Ｊ 。 ２ ． ２基底 活动构 造扭 动成 因
２ ０ ０ ５ ， （ ６ ） ： ３ ３ — ３ ４ ． 【 ４ 】 石玉玲 ， 门玉明 ， 彭建兵 ， 黄强兵 ， 刘洪佳 ， 陈立伟 ． 西 安城 区地裂缝破 裂扩展 的数值模拟 田． 水 文地 质工程地质 ， ２ ０ ０ ８ 。 （ ６ ） ： １ ８ －１ ９ ．
（ ３ ） 通过 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ数值模 拟分析表 明 ： 断层 的 活动必然带动上覆土层的差异沉降及应力场变化 ，