综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析

由于综放工作面开采空间大,对周边煤岩体扰动强烈,易引发断层构造活化,进而诱发大能量矿震导致冲击地压灾害,基于赵楼煤矿1303综放工作面生产和地质条件,理论分析了工作面回采对断层构造扰动影响的主控因素。采用相似模拟方法分析了断层构造错动滑移时空演化特征,并统计分析了工作面采动实际矿震震源活动演化规律。结果表明:逆断层下盘工作面回采,断层面发生张拉离层和剪切滑动的主控因素为表征开采扰动垂直作用力Pv和水平作用力Ph的比值k、表征断层几何特性的断层倾角θ、以及表征断层力学特性的内摩擦角φ;工作面开采首先引发覆岩低层位断层岩块滑动,并随工作面与断层面距离的减小逐渐向高层位断层岩块扩展;断层诱发矿震需满足断层产生滑动失稳且滑动表现为黏滑两个条件。工作面矿震活动规律:采空区范围越大,矿震活动越剧烈;矿震震源丛集于采空区区域,且随工作面推进向前方及高层位岩层转移。对1303工作面矿震事件影响程度:Fd96断层张剪失稳采空区覆岩破断运动FZ14断层张剪失稳。     

开采扰动下断层面库仑应力及诱发矿震时空演化特征

为研究煤矿开采扰动下断层面库仑应力演化特征及诱发矿震时空分布规律,基于赵楼矿1303综放工作面生产地质条件,理论分析了断层面库仑应力影响因素,采用数值模拟及岩石力学试验方法,探讨了逆断层下盘工作面向断层开采过程中,断层面不同位置库仑应力变化规律,并分析了现场矿震监测数据时间统计特征及震源空间分布规律。结果表明:开采扰动因素σx,σy,τxy(等于τyx),断层倾角θ及断层面摩擦因数μ综合决定了断层面库仑应力f,当开采扰动及断层摩擦因数确定时,取df/dθ=0可确定断层活化失稳最危险角;断层构造破坏了采动应力扰动圈的对称性及位移扰动圈的连续性;岩石力学试验及数值模拟结果均表明沿断层面岩层高位点先于低位点受到采动影响,且过断层前随断层与工作面距离减少,断层面活化失稳危险先升高后降低;工作面过断层前后,矿震日震动频次由20次/d上升至35次/d,而日震动平均能量由22 kJ下降至4 kJ,表明工作面过断层前高能量矿震较多,对围岩扰动剧烈,过断层后扰动较平缓;同时工作面过断层前后,断层面上矿震震源集中区由高层位岩层向低层位岩层转移。     

硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征

上覆硬厚岩层受逆断层切割后,工作面顶板运动、采动应力会有异常变化。采用三维数值计算方法,模拟分析了上、下盘工作面向逆断层推进过程中的采动应力演化特征、煤层顶板运动特征及断层活化规律,并采用工程实例进行了分析验证。研究表明：在逆断层切割作用下,上盘工作面围岩呈倒楔形,采动应力向底板深处、顶板高处转移,围岩应力集中程度大于下盘工作面。下盘工作面与上盘工作面相比,采动应力受工作面与断层距离的影响较大。巨厚岩浆岩及其下部岩层形成类似“杠杆”结构,造成煤层顶板的下沉和反弹。逆断层下盘工作面煤层直接顶断层带活化的可能性大于上盘工作面,高位岩浆岩断层带活化的可能性小于下盘工作面。下盘工作面与逆断层距离40 m时断层开始活化;上盘工作面与逆断层距离40 m时,煤层直接顶断层带开始活化,与逆断层距离30 m时高位岩浆岩断层带开始活化。     

临近断层的工作面开采诱发断层活化机理研究

基于临近断层构造区工作面开采易诱发冲击地压事故的工程背景,提出了建立断层构造区工作面开采的力学模型并对其计算分析,结果表明：工作面采动对断层弱面造成扰动影响,按距离可分为远场和近场扰动效应|远场采动诱发断层活化时,断层弱面上粘合接触点统计上的破坏形式决定了断层弱面是稳滑状态还是粘滑状态|近场采动诱发断层构造活化时,采掘工作面位于断层下盘岩层时,断层岩块发生向上、向下剪滑失稳及断层岩块张拉离层失稳危险性高于上盘开采方式。     

开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切,也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题,断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时,以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象,通过相似模拟和数值模拟,研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景,建立了F_(16)逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型,运用应力监测和声发射监测的手段,分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征,研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型,研究了断层区域岩层裂隙发育情况,分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律,总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段,即水平载荷施加阶段,工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段,断层滑动面不断积聚能量,声发射事件数激增;工作面开采过程中,断层频繁受开采扰动,正应力与切应力两者变化不同步。开采初期,正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采,正应力与切应力的变化情况相反,正应力逐渐降低,切应力逐步增大。工作面接近断层时,断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期,断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能,声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时,能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的"缺震"现象较为吻合,即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少,发生后激增的现象。因此,断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。     

分层开采时断层滑动位移演化特征研究

本文结合义马煤田地质构造,以千秋矿21221工作面为工程背景,进行了采动影响下断层滑移失稳相似模拟实验研究,探究了煤层分层开采扰动对断层滑移失稳的影响特征规律。结果表明,煤层上分层开采时顶板已发生较大程度的松动及离层现象,下分层开采时,顶板岩层进一步发生垮落现象,下分层开采扰动引发上覆岩体垮落范围更大,使断层周围位移变化更强烈、上下盘错动更明显、煤岩体中积聚的应变能峰值更高;同时,断层滑移滞后于煤岩体中应变能的剧烈释放,应变能峰值"突降"现象可作为判断断层滑移失稳的前兆;煤层下分层开采较上分层开采时能量剧烈释放的时间更早,更易诱发冲击地压灾害的产生。     

不同开挖引起断层活化的数值模拟对比分析

强度较低的断层面,周围采动活动易于诱导其断层活化,引发冲击地压。经验表明,在不同采动方案下,引起断层活化的程度存在差异。利用UDEC数值模拟软件,分别模拟工作面从逆断层的上盘和下盘逼近断层回采过程,对比研究断层面最大剪切应力和对应法向应力的演化规律以及断层面上、下盘相对运动规律。结果显示:在工作面回采过程中,工作面距断层水平距离越近,越易于诱导断层活化;工作面在逆断层上盘逼近时,断层相对稳定,活化程度较低;工作面在逆断层下盘推进时,断层活化程度较大,诱发冲击地压的危险性很大。研究表明巷道在逆断层上盘开挖比在下盘更安全、稳定。     

顶板岩性组合结构对逆断层活化特征研究

为了减少断层活化对煤炭安全生产带来的威胁,本文以河南某矿11011工作面过断层为工程背景,通过FLAC~(3D)三维数值模拟软件和微震监测等方法,研究了在不同顶板岩性组合结构下,工作面向逆断层推进时,煤层顶板的运动特征、断层带应力演化规律以及工作面过断层期间微震事件特征。研究表明,断层受到的开采扰动随工作面推进而逐渐增加,活化程度也越剧烈,在距断层10～20m时,断层活化危险性最大;受工作面回采的影响,顶板不同岩性组合结构下,断层发生活化难易程度为:软硬硬软软软硬硬硬软软硬硬硬软软;在工作面回采过程中,断层带B监测点的相对下沉量大于监测点A,说明断层上方高位处先发生活化失稳;随着工作面不断接近断层,断层受开采扰动的影响也越大,断层附近区域岩体微裂隙越多,断层附近区域微震事件越多,断层活化越剧烈。研究成果为断层发育区煤炭资源安全开采提供理论依据与技术参考。     

大型断层采动活化特征及对断层防水煤柱影响模拟研究

含、导水的大中型断层对于煤矿安全生产往往产生较大的危害,一般采用留设防水煤柱的方法加以防治。在采动条件下,断层会产生不同程度的活化,对防水煤柱的安全性造成一定的影响。通过对新集一矿F10断层水文工程地质条件分析,利用FLAC3D数值模拟软件,模拟工作面顺、逆断层开采时,断层带及两盘岩层位移、应力分布状态,分析两盘岩层移动、破坏特征及其对防水煤柱的影响。模拟结果表明,当上盘煤层开挖距断层15 m时,断层面两侧应力和位移发生差异性变化,存在"活化"趋势,对防水煤柱的影响较小,不会影响其安全性。当下盘煤层开挖距断层25 m时,断层发生明显变化,塑性带范围向上扩展到断层对盘岩层,存在明显的"活化"现象,对防水煤柱的影响较大。     

大断层下盘采动对上盘煤层影响数值模拟研究

针对运河煤矿落差60~265m的F10逆断层下盘厚煤层开采实际,利用FLAC3D数值软件对大断层下盘工作面的回采进行模拟,分析采动后断层及其上盘区域煤层应力分布和覆岩变形特征。研究表明:下盘厚煤层开采后,工作面导水裂隙带范围未波及到F10断层,断层附近岩层下沉变形量较小,断层性质不会受到大的影响;断层上盘区域整体下沉,且向下发生了轻微的"倾斜",导致上盘区域应力分布发生变化;F10断层和DF14断层的影响,使得断层上盘区域构造应力明显,对上盘煤层安全开采有一定影响。     

大断层下盘采动对上盘煤层影响的相似材料模拟

针对运河煤矿落差60~265 m的F₁₀逆断层下盘厚煤层开采实际,采用相似材料模拟方法,研究了大断层下盘采动对上盘煤层的影响。研究结果表明：下盘厚煤层开采后,F₁₀断层附近压力增大且应力分布受到较大影响,断层下盘压力远大于上盘压力,在断层附近产生应力集中;工作面开采对断层上盘煤层的变形和应力影响较小,煤岩性质不会发生大的变化,对上盘煤层开采影响不大;距离采动区域较远的DF₁₄断层区域也受到工作面开采轻微影响。     

Experimental study on the mechanisms of fault reactivation and coal bumps induced by mining

Experiments simulating the effect of coal mine stopping through a fault zone were designed based on a working face of the Qianqiu coal mine in Yima, China. Through simulation of the physical process of fault reactivation and coal bumps, the displacement of the surrounding strata and evolution characteristics of fault stress under the effect of mining were studied. The mechanism of fault reactivation induced by coal mining was analyzed. The results show that shortly before fault reactivation, the normal stress and shear stress increased rapidly and the risk of a fault slip occurring was also increased. The fault reactivation, caused by the mining activity, occurred when the working face was 25–35 m from the fault along the hanging wall. The influence of mining increased the possibility of fault reactivation, while the local failure of the bearing capacity of the working face was the direct cause of the fault slip. Our results indicate that the influence of fault slip on the coal of the working face had a transient impact and acted as a loading-unloading function.     

采动影响下断层附近矿压显现规律的相似模拟试验研究

为了研究采动影响下断层附近矿压显现规律,以曹村煤矿1010工作面的地质条件制作了两个相似材料试验模型,模拟工作面分别从断层下盘和上盘向断层推进研究了断层附近的矿压显现规律,研究结果显示:工作面由断层下盘向断层推进时,越靠近断层顶板稳定性越差,周期断裂步距小,当开采工作面在断层面位置时断层的正应力和剪应力达到最大值;当开采工作面从断层上盘向断层推进时,开采工作面顶板岩层断裂易于形成梁式结构,且断层滑移量相对保持不变;开采工作面经过断层后,断层的上下盘均发生显著运动,而主要以断层上盘沿断层面向下相对运动为主。     

特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度的微地震监测

采用高精度微地震监测系统对塔山煤矿采高15 m以上特厚煤层综放工作面岩层运动进行了监测,将监测结果与岩石力学计算和岩层运动分析相结合进行分析,得到了区段煤柱支承压力高峰区距离巷帮的距离.将微地震监测与数值计算的结果进行对比,二者基本一致,证明了微地震监测结果的正确性和可靠性.综合考虑多种因素,确定区段煤柱的合理宽度为20～25 m.     

大柳塔煤矿12611-2综采面过断层技术研究

文章以大柳塔煤矿12611-2综采工作面过断层为研究背景,采用FLAC有限差分软件对12611-2综采工作面过断层、破碎带期间煤层顶板和围岩的应力应变规律进行数值模拟研究,从而为综采工作面过断层的安全技术措施提供了一定的验证作用。     

深部开采逆断层对冲击地压的诱导机制

基于逆断层形成机制,理论分析了逆断层周围的地应力环境,并以义马F16逆冲断层为工程背景,建立了其圆弧形态断层面的简化力学模型,得到了临近断层带两盘一定范围的应力分布特征;通过相似模拟实验观测了断层活化-失稳阶段对工作面冲击的物理过程,研究了冲击前后断层滑移与煤层应力变化规律;应用三维精细化数值模拟技术并结合现场实践,分析了临近F16逆冲断层典型冲击地压案例,揭示其发生的受力特征。综上研究表明:当上覆坚硬岩层阻挡软弱煤岩体沿断层面向上逆冲滑动时,临近断层带的坚硬煤岩体会产生应力集中,并在断层两盘一定范围内出现应力升高;临近断层回采过程中煤体所受的超前支承压力、断层支承压力、两盘失稳滑落对煤体冲击以及断层突然失稳破坏所产生的高能应力波会随着工作面与断层距离不同而产生不同的作用效果,按其一种或几种的叠加作用效果将逆断层诱发的冲击地压分为构造应力模式、断层活化模式与断层失稳滑动模式。从逆断层带地应力环境、采动影响下临近断层煤体受力特征与采动影响下断层活化-失稳滑动对工作面动载冲击效应方面,系统地揭示了逆断层对冲击地压的诱导机制,为逆断层诱发的冲击地压预警与防治提供参考。