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。     

基于缩小煤柱开采实验的断层带稳定性分析

以龙东煤矿F张断层为基础建立相似材料模型,监测缩小煤柱过程中断层带两侧岩体位移变化规律。实验结果表明:随着断层煤柱宽度的逐渐缩小,断层上盘采空区顶底板垂直位移逐渐增大,距煤层越近位移越大,而下盘位移变化较小;当煤柱宽度减小为30m时,顶板位移发生了突变,同时近断层带两侧上、下盘岩体垂直位移出现明显差异,位移差达0.14m,上盘岩体沿断层带发生明显错动导致断层带的失稳,造成断层"活化",实验结果可为断层煤柱宽度的合理留设提供参考依据。     

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。     

断层落差对逆断层活化规律影响的模拟研究

以某煤矿F5逆断层实际地质资料为背景,采用FLAC3D软件,对逆断层上、下两盘工作面依次回采时断层带的应力演化规律及断层的活化规律进行研究,揭示了工作面采动中落差与逆断层活化之间的联系。研究可知,下盘煤层开采时,断层落差与断层带正应力及两盘滑移量的变化成正比,即随落差的增大而增大,断层也更容易活化;上盘煤层开采时,随着断层落差的增大,断层的两盘滑移量及其所受的正应力均减小,断层落差越小,其活化程度反而越高,突水危险性更大,因此两盘开采呈现不同的规律,在实际中需加以区分,并有针对性地做好防治措施。     

断层落差对逆断层活化规律影响的模拟研究北大核心

以某煤矿F5逆断层实际地质资料为背景,采用FLAC3D软件,对逆断层上、下两盘工作面依次回采时断层带的应力演化规律及断层的活化规律进行研究,揭示了工作面采动中落差与逆断层活化之间的联系。研究可知,下盘煤层开采时,断层落差与断层带正应力及两盘滑移量的变化成正比,即随落差的增大而增大,断层也更容易活化;上盘煤层开采时,随着断层落差的增大,断层的两盘滑移量及其所受的正应力均减小,断层落差越小,其活化程度反而越高,突水危险性更大,因此两盘开采呈现不同的规律,在实际中需加以区分,并有针对性地做好防治措施。     

煤系逆断层发育过程及上盘岩层应力演化规律试验研究

基于逆断层形成的地质及力学成因,研制了煤系地层逆断层发育地质力学试验系统,利用该试验系统研究了逆断层发育过程及上盘岩层应力变形演化规律。结果表明:该系统可模拟煤系地层中逆断层发育过程,从而更加真实地反映近断层附近煤层初始应力分布规律,设置的断层诱发装置可准确控制逆断层起裂位置,逆断层倾角主要取决于岩层性质,落差主要取决于水平应力;煤系地层中逆断层发育过程可分为岩层压缩、局部起裂、逆断层贯通和上下盘错动滑移4个阶段;逆断层形成初期,断层附近区域上盘岩层自下而上水平应力增长幅值呈现单调递减趋势,逆断层基底起裂后,岩层内部水平应力开始下降,断层附近区域上盘岩层自上而下水平应力下降幅度均增大,越靠近断层,水平应力下降速率及幅度越大,其中距模型底部5 cm岩层且距断层右侧12 cm和2 cm处水平应力较峰值降低0.05,0.08 MPa;随着断层不断发育,模型内部水平应力下降速率减缓,上下盘滑动停止后,距模型底部5cm岩层水平应力仍比原始应力大0.01MPa,上盘下部岩层仍具有一定程度的构造应力。     

采动诱发断层活化规律的试验研究

根据某煤矿F_2断层实际地质资料,通过相似材料模拟试验的方法对两盘工作面依次回采对断层活化的影响、断层带的应力变化规律及突水路径的形成进行研究,研究结果表明:随工作面的推进,断层界面的垂直向应力呈现先减小后增大的趋势,且同一推进步距时,上盘界面的应力变化量大于断层带的应力变化量,大于下盘界面的应力变化量;两盘煤层中间地带在两盘依次开采过程中均受到影响,其产生活化突水的可能性较大。     

不同倾向断层对大采高工作面矿压及顶板运移影响研究

以王庄煤矿8101工作面的煤层地质条件为背景,采用1∶60大比例相似材料试验,研究大采高综采工作面分别向不同倾向断层推进时所引起的矿压及顶板岩层变化规律。研究表明:当工作面由上盘接近断层,会首先在顶板岩层内形成切入断层的超前水平裂缝,该裂缝下方顶板发生较大的垂直位移;当工作面由下盘接近断层,顶板会沿断层面出现整体下沉,支架压力增大,工作面通过断层后,采空区上覆岩层发生大范围不均匀沉降,距工作面越近下沉量越大;工作面的推进会引起上覆岩层裂隙带的台阶式发育,且工作面由下盘向断层推进引起裂隙带发育的高度与速度均大于从上盘推进时的情况;通过对支架压力的监测,明确了断层带压力增高区,对现场工作面的支护与加固具有指导意义。     

固液耦合模式下采动诱发断层活化及突水的试验研究

以五沟煤矿F16断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,在固液两相相似的基础上研究临近断层时采动对煤层顶、底板以及工作面前方煤柱的塑性破坏规律以及断层的活化突水规律,研究结果表明:由于断层带具有"屏障"作用,在煤柱的顶板和底板形成更高的集中应力;底板岩层渗透率较大的岩层,底板突水的危险性更大;在相同的煤柱宽度时,含水层水压越大,突水危险性更大。     

固液耦合模式下采动诱发断层活化及突水的试验研究

以五沟煤矿F16断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,在固液两相相似的基础上研究临近断层时采动对煤层顶、底板以及工作面前方煤柱的塑性破坏规律以及断层的活化突水规律,研究结果表明:由于断层带具有"屏障"作用,在煤柱的顶板和底板形成更高的集中应力;底板岩层渗透率较大的岩层,底板突水的危险性更大;在相同的煤柱宽度时,含水层水压越大,突水危险性更大。     

断层上下盘采动活化突水数值模拟研究

 摘 要：为了研究断层上下盘开采活动对断层活化突水的影响规律,本文利用数值计算软件FLAC3d,结合赵固二矿F109正断层的实际地质条件,建立数值计算模型。研究了工作面分别布置于断层上下盘时周边围岩应力场与渗流场的耦合作用,以及周边岩体应力和位移的变化情况。模拟结果表明,断层活化突水是塑性破坏场与渗流场相互耦合作用的过程;当工作面布置在断层上盘时,开采过程中底板位移量较大,断层上盘承受的垂向应力较断层下盘要大。断层上下盘开采活动对断层活化影响作用不同,工作面布置于断层下盘开采更安全。     

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。     

上下盘开采顺序对断层煤柱采动应力的影响

回采巷道沿断层边界布置时,采用基本顶断裂岩块铰接平衡理论研究了先采断层上盘或先采断层下盘2种开采顺序下,工作面采空区基本顶荷载在断层两侧的传递规律和差异性;现场实测了2种条件下断层煤柱及相邻回采巷道的矿压显现特征。研究表明:断层上盘先行开采时,断层的载荷传递系数较大,上盘断层煤柱压力小,下盘煤体压力较大。断层下盘先行开采时,断层的载荷传递系数与断层角度有关,当断层角度较大时,下盘采空区覆岩载荷可以传递给断层上盘,下盘断层煤柱压力小,上盘断层煤体压力大;当断层角度较小时下盘覆岩载荷难以传递给断层上盘,下盘断层煤柱压力较大,上盘煤体压力相对较小。为此,断层上、下盘开采顺序不同时应留设不同的断层煤柱。     

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。     

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。     

节理峰前剪切刚度软化模型及其影响因素分析

节理峰前剪切应力-位移曲线是研究节理剪切行为的重要内容。然而目前对于节理峰前剪切行为大多以线性描述,不能较好的描述非线性的特点。对于非线性的描述也仅仅是唯象描述剪切应力-位移曲线,未能反映影响模型的参数物理意义及影响因素。以峰前节理刚度软化行为为出发点,采用归一化的思想将节理剪切刚度与位移无量纲化,用双曲线函数表示出剪切刚度与位移之间的关系。提出了考虑刚度软化的峰前剪切本构关系,通过与试验结果对比验证了本构关系的合理性。影响该模型最重要的两个因素是初始剪切刚度与峰值剪切位移。以Greenwood和Williamson模型为基础在细观上探讨了初始剪切刚度的影响因素;抓住法向应力与节理粗糙度主要因素,探讨了影响峰值剪切位移的影响因素。对模型参数的研究有助于进一步阐明节理峰前剪切机理。     

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。     

岩体结构控制下的边坡变形破坏模式分析

结合某一水电工程,分析坝址区主要II级结构面的特征,指出断层F11和五庙坡断层带（F6、F7、F8）对边坡变形和稳定性起控制作用;通过地质分析概化出考虑主要结构面的三维数值分析模型,研究蓄水工况下边坡岩体的位移和剪应变增量分布特征;根据地质分析和数值模拟结果提出蓄水之后边坡特有的变形破坏模式,上盘岩体沿着断层F11剪切滑动从而挤压五庙坡断层带产生压缩变形。对边坡岩体的主控结构面断层F11和五庙坡断层带应进行必要的防渗和加固处理。     

高应力区陡倾矿体开采引起岩移变形的数值模拟

采用数值模拟的方法,就金川二矿区高构造应力下充填开采引起的地表变形规律、围岩位移场展开研究。结果表明：构造应力下充填开采引起的地表变形的形态和范围、变形中心位置和量值均在发生有规律性的变化,矿体上盘的地表变形量明显大于矿体下盘的地表变形量;围岩变形形式由初期的顶板下沉和底臌变成后期的两帮内挤;上盘围岩的位移量大于下盘围岩位移量。研究结果对于研究构造应力下的陡倾矿体开采引起的地表及围岩变形规律有指导意义。