推进方式对断层围岩应力演化规律的影响

煤炭开采中的冲击地压与断层构造密切相关,而工作面分别沿断层上盘和下盘推进时具有不同的冲击危险。为研究工作面推进方式与断层活动的相关性,以某过正断层工作面为例,通过数值计算分析不同推进方式下断层两盘接触应力状态的演化过程,基于对推进过程关键层破断规律的分析,研究断层应力演化差异性产生的原因,并通过工作面实际回采过程的微震监测数据,验证了采动影响下断层活化规律。研究发现:上盘开采时的断层应力变化幅度大于下盘开采时的应力变化幅度,上盘开采时断层围岩系统应力传递能力优于下盘开采;推进方式会影响上覆岩层破断后的覆岩结构和应力传递,上盘开采时关键层破断后更易形成砌体梁结构,且结构体系的稳定性高于下盘开采,下盘开采时工作面冲击危险性更高,须根据断层性质做好工作面布置和开采优化,进而降低冲击地压危险。     

正断层两盘不同开采顺序的支承应力演化规律

以工作面沿正断层走向布置时断层两侧工作面开采为背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了下盘工作面接替上盘工作面开采及上盘工作面接替下盘工作面开采时,断层两盘煤柱应力及接替面超前支承应力的演化规律。研究表明:正断层一侧工作面采动时,下盘工作面开采的煤柱应力集中程度小于上盘,下盘工作面采动对上盘煤岩体应力的影响较大;断层两侧工作面采动时,上盘工作面接替下盘工作面开采,上盘断层煤柱应力集中程度较高,下盘工作面接替上盘工作面开采时,下盘断层煤柱应力集中程度较低;2种开采顺序下接替面超前支承应力集中明显,其中上盘工作面接替下盘工作面开采时,上盘工作面超前应力集中程度更大。     

分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究

为了研究采动影响下断层活化规律，利用分布式光纤传感技术对工作面推进过程中断层面的应力状态进行监测。采用物理相似模型模拟工作面从上、下盘向断层推进的过程，制作2个岩性参数和断层构造相同、推进方向相反的相似材料模型，模型中埋入垂直、倾斜传感光纤，获得了断层面的应力变化、采场覆岩变形以及断层相对滑移实验数据。实验结果表明，工作面从下盘向断层推进时，引起断层面的附加剪应力集中程度远大于工作面上盘推进时，约为上盘推进时的2.2倍；断层面上部岩层先于下部受到工作面采动影响；下盘推进先于上盘推进发生断层活化失稳危险，断层活化失稳危险性最高时工作面与断层距离约为上盘推进时的1.8倍。利用分布式光纤传感技术验证了相比上盘推进，下盘推进时采动影响下断层更易活化的理论推理。断层区域工作面优先布置在上盘，有利于矿压控制，保证安全高效开采。     

分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究

为了研究采动影响下断层活化规律，利用分布式光纤传感技术对工作面推进过程中断层面的应力状态进行监测。采用物理相似模型模拟工作面从上、下盘向断层推进的过程，制作2个岩性参数和断层构造相同、推进方向相反的相似材料模型，模型中埋入垂直、倾斜传感光纤，获得了断层面的应力变化、采场覆岩变形以及断层相对滑移实验数据。实验结果表明，工作面从下盘向断层推进时，引起断层面的附加剪应力集中程度远大于工作面上盘推进时，约为上盘推进时的2.2倍；断层面上部岩层先于下部受到工作面采动影响；下盘推进先于上盘推进发生断层活化失稳危险，断层活化失稳危险性最高时工作面与断层距离约为上盘推进时的1.8倍。利用分布式光纤传感技术验证了相比上盘推进，下盘推进时采动影响下断层更易活化的理论推理。断层区域工作面优先布置在上盘，有利于矿压控制，保证安全高效开采。     

超前支承压力对断层活化影响的数值分析

应用FLAC-3D对工作面前方的移动支承压力对断层活化的影响作用进行分析,研究结果表明:在断层上盘回采过程中,随工作面推进,断层周围的垂直应力和剪应力发生剧烈变化,在距离断层带45m时,断层已完全活化;支承压力对断层上下盘岩体位移量也产生显著影响,且断层上盘的应力和位移变化量明显大于断层下盘应力和位移的变化量。     

断层煤柱及倾角对采动应力及能量分布的影响特征

针对工作面沿正断层走向布置,建立上下盘工作面开采三维数值计算模型,模拟研究上、下盘工作面采动应力及弹性能的分布特征、断层煤柱宽度及倾角对应力场和能量场的影响规律。研究表明:正断层上盘或下盘工作面开采,断层侧工作面端头及断层煤柱上的采动应力和弹性能较高,且上盘工作面开采时更高,断层阻隔效应较为明显。随着断层煤柱宽度减小,断层对工作面采动应力及弹性能积聚的影响程度逐渐增加,断层侧工作面端头采动应力及弹性能峰值明显升高;当断层煤柱宽度由50 m减小到20 m,断层煤柱应力及弹性能不断升高,煤柱宽度减小为10m时,小煤柱承载能力及弹性能降低。随着断层倾角增大,断层侧工作面及断层煤柱采动应力及能量峰值升高,高角度断层的影响较大。断层侧巷道两帮处于采动高应力状态,积聚着较高的弹性能,回采过程中应加强巷道支护,采取必要的灾害防治措施。     

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。     

深部煤层底板突水因素分析及其防治技术研究

针对王庄煤矿深部煤炭开采过程中出现水压大、构造多、裂隙发育、含水层多以致煤层底板突水系数高,严重影响煤矿高产高效生产的实际问题,结合该矿水文地质条件分析了工作面底板突水的主要影响因素并采用塑性力学理论计算了1201工作面的底板破坏深度;利用FALC3D对工作面布置在断层上盘和下盘两种情况进行了数值计算分析,得出了两种情况下围岩破坏场、渗流场、应力场及位移场分布规律;并在此基础上提出且实施了预加固断层防治突水的治理措施,取得良好效果。     

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。     

断层条件下开采时矿压显现规律的数值模拟

为了弄清朱集东矿1111(1)综采作业面在断层条件下推进过程中的矿压显现规律,采用RFPA2D-Strata软件,对比模拟分析了工作面从断层上盘、下盘向前推进过程中断层对工作面支承压力的影响。结果表明：在断层条件下,无论从上盘还是下盘开采,工作面离断层较近时,工作面前方都会产生较高的应力峰值,形成冲击危险;相较于在上盘断层开采,工作面位于下盘断层时产生的应力集中系数更高,冲击危险性也更高。     

断层对工作面顶板涌突水影响的数值模拟研究

工作面附近存在断层时,裂隙的发育高度有较大增长,断层也可能“活化”突水,增加了防治水的难度。以新巨龙煤矿工作面为原型,基于UDEC软件,建立断层倾角为30°、45°、60°和75°的数值模型,分别模拟工作面从断层上盘至下盘和下盘至上盘的推进过程,通过对最大裂隙高度增长率、断层面监测点最大剪应力和垂向位移量的分析,得到采动过程中裂隙发育高度和断层“活化”规律。     

基于梯度塑性理论的断层活化机理

基于梯度塑性理论,将断层视为内部连续、有厚度的地质体,分析断层带应变软化及其应变局部化问题。将梯度塑性理论引入断层带模型,得到了断层带沿倾向相对错动位移的理论表达式,定义了“断层带等效剪切刚度”;通过对上盘岩体的下边缘界面处单元体应力分析,得到上盘岩体沿断层倾向的相对错动位移并定义了“两盘岩体等效剪切刚度”。根据“断层带等效剪切刚度” 与“两盘岩体等效剪切刚度”的关系得到了断层活化的判据。结果表明：断层的活化不仅与断层内部地质体材料的性质 (断层内部地质体材料的脆性、内部结构尺寸) 有关,还与两盘岩石的特征参数(剪切弹性模量、泊松比)及包括断层倾向长度的最小岩层尺寸相关;断层内部地质体材料的内部参数越小、“两盘岩体等效剪切刚度”越小、断层内部地质体材料越脆及包括断层倾向长度的岩层最小尺寸越大,断层越易活化。     

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。     

采动影响下陡倾断层面对岩移的屏障效应及其发生机制

为研究采动影响下陡倾断层面对岩体移动的屏障效应及其发生机制,基于数值模拟方法,分析了采空区分别位于断层面上盘和下盘时,断层面对围岩位移场和应力场的影响。结果表明:假定条件下,采动影响范围内的断层面破坏了岩体移动和变形的连续性和协调性,影响了围岩应力的传播,具有一定的屏障效应;断层面上盘开采比在下盘开采引起的断层面两侧围岩位移差和应力差更大,采动产生的卸围压效应更强,并揭示了陡倾断层面对岩移屏障效应的发生机制。研究成果对于断层影响下岩体移动范围的确定具有重要的意义。     

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。     

采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理

根据断层滑移失稳与煤岩冲击矿压的关系,建立了断层滑移诱发煤岩冲击的黏滑-黏弹脆性体突变模型。以山东济三煤矿6303工作面地质资料为背景,采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对顶板运动的影响。研究结果表明：断层滑移诱发煤岩冲击分为两种力学机制,一是在断层活动条件下“断层滑移失稳动态诱发冲击矿压机理”;二是在断层相对稳定条件下“断层滑移稳态诱发冲击矿压机理”。断层滑移失稳动态诱发冲击矿压与断层滑移稳态诱发冲击矿压相比,更容易发生冲击矿压,且释放能量更多。断层滑移速度与工作面推进速度、工作面距断层距离、断层面力学性质、断层正压力和开采深度有关。工作面无论是由断层下盘还是由断层上盘向断层推进,工作面距断层越近,断层滑移量、滑移速度越大。工作面由断层下盘向断层推进时断层滑移量、滑移速度远大于工作面由上盘向断层推进时的,发生断层冲击矿压的危险性就越高。     

让压开拓技术在眼前山铁矿深部高应力软破岩体中的应用

眼前山铁矿上盘开拓工程一般布置于软破岩体之中,随着开采深度的不断增加,上盘开拓工程在深部高应力作用下变形破坏严重。通过调研查明了矿山深部地压的显现部位及显现形式,分析了开拓巷道在深部地应力作用下的稳定性,并计算了上盘楔形体对开拓工程施加的附加应力,最终提出了让压开拓方案及让压参数的确定方法。实践证明,让压开拓方案可以有效减小深部高应力对上盘软破岩体中开拓工程的破坏作用,同时可为每个中段节省500 m左右的开拓工程量,为矿山带来较好的经济效益。     

工作面回采与断层活化的相互影响分析

对断层活化进行了数值模拟,并分析了断层活化与工作面回采的相互影响。得出如下规律:当断层面的切向应力达到断层的抗剪强度时,断层便进入非稳定的临界状态,此时轻微扰动便可能导致断层活化,释放巨大能量。开采引起的库伦应力增量Δσm是断层活化的主要原因,断层活化概率增益与Δσm成正比。工作面从断层上盘向断层面推进时,断层面法向应力和切向应力都逐渐增大。工作面从断层上盘向断层面推进时,整体上断层面法向应力下降,切向应力上升,这都导致了断层的活化。工作面回采与断层活化是相互影响的两个方面,工作面开采会引起断层应力场的变化继而导致断层活化,断层的活化反过来又对工作面产生影响。