逆断层两盘开采诱发顶底板及断层应力变化规律的试验研究

以某煤矿F10逆断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,对上、下盘煤层开采过程中断层附近煤层顶、底板及断层带的应力变化规律进行研究。研究结果表明:由于断层的"屏障"作用,集中应力很难穿过断层而被限制在工作面一侧,造成断层附近越靠近断层应力集中程度越高;下盘开采对于煤层顶、底板以及断层带的影响较上盘要明显;在其他因素相同情况下,煤层赋存深度越大、上覆载荷越大,其开采过程中应力集中就越明显。     

逆断层两盘依次回采诱发其应力变化规律的试验分析

以某煤矿F5逆断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,对逆断层两盘依次回采过程中断层附近煤层顶、底板及断层带的应力演化规律和断层活化规律进行研究。结果表明,由于断层带具有"屏障"作用,在断层保护煤柱的顶、底板会形成较高的集中应力;随工作面推进,断层带及上、下盘断层界面的垂向应力一开始有所降低,而后缓慢增加。     

工作面向正断层推进支承应力演化规律

以正断层赋存条件下厚煤层开采为研究背景,采用FLAC3D数值模拟,研究了上、下盘工作面分别向正断层推进时支承应力演化规律,揭示了工作面向正断层开采的致灾规律。研究表明:断层带切割了顶底板岩层的完整性,采动应力的阻隔效应显著,致使断层煤柱易形成较高的应力集中区;下盘向正断层推进时,存在支承应力突增点,使断层煤柱发生塑性破坏,释放大量弹性能;上盘向正断层推进时,支承应力平缓增加,且推进过程中部分应力能够向下盘转移,在下盘形成较小应力集中区,应力曲线呈现一大一小"双驼峰"状。     

采动对含断层煤层底板破坏特征的影响分析

根据济宁梁宝寺煤矿3201下工作面WF62断层地质及水文地质条件,基于FLAC3D数值仿真软件对工作面底板采动破坏进行流固耦合数值模拟,进一步探究先开采上盘煤层后开采下盘煤层时,工作面推进方向对底板采动破坏的影响规律。结果表明:逆着断层倾向推进工作面时,断层带附近岩体的垂直应力集中更为明显,煤层底板采动对底板塑性区的破坏性更大,底板破坏深度较顺着断层倾向推进工作面时大5 m。因此,为了安全开采,先开采上盘煤层后开采下盘煤层时,应当顺着断层倾向推进工作面。     

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。     

不同断层倾角下煤系断层应力场演化规律研究

为深入了解煤系断层构造带应力场演化特征，以重庆石壕煤矿为例，通过物理相似模拟研究不同倾角断层在水平应力作用下破坏形态及内部的应力变化规律，同时结合数值模拟软件PFC分析不同断层倾角下应力增高区范围与断层破坏的影响。结果表明：断层倾角较小时发生滑动破坏，随着倾角的增大，断层两端应力无法通过滑动卸载，破坏形式逐渐变为剪切破坏；加载时断层下盘区域产生应力集中，断层倾角增大使得应力增高区因不同的破坏形式从下盘煤层区域向下盘顶、底板区域转移；通过PFC数值模拟，可以有效观测到模型内部裂缝，并对试件内部微裂缝进行考察研究与物理试验有着较好的一致性；通过力链分析发现，断层倾角变化会诱使应力增高区从煤层过渡到力学性能较强的顶、底板。     

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。     

基于应力-渗流耦合效应的含断层煤层底板破坏特征分析

为研究工作面上、下盘开采顺序对底板破坏特征的影响规律,以菏泽龙固煤矿1302工作面采场条件为工程背景,基于FLAC~(3D)数值仿真软件对该工作面底板破坏进行流固耦合数值模拟。研究表明:先开采下盘煤层时,断层带附近孔隙水压力较为集中,采动应力对底板塑性区的破坏性较大,且底板破坏深度较先开采上盘煤层时大5 m。因此,为了安全开采,应当采取"先开采上盘煤层,后开采下盘煤层"的开采方式。     

工作面沿正断层走向推进断层煤柱应力演化规律研究

以朝阳煤矿3101(东)工作面工程地质条件为背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了工作面沿正断层上下盘推进过程中,断层煤柱对采动应力分布演化规律的影响特征。研究结果表明:断层对煤层顶底板的应力传播阻隔效应显著,导致断层煤柱易形成应力集中区;断层上盘的应力阻隔效应相对于下盘较弱,相同断层煤柱下,断层下盘煤柱先于上盘失稳;断层上盘应力集中区域都靠近煤壁,分布较为单一。下盘应力集中区域在断层煤柱大于40 m时分布在断层煤柱上,小于40 m时最高应力值逐渐转移到煤壁上。通过现场实例验证了工作面沿正断层布置时不同断层煤柱条件下煤柱应力演化的差异性,在现场实践中,需要根据具体的工程地质条件进行分析预测,提前做好巷道与工作面的维护措施,保证安全高效生产。     

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。     

逆断层倾角对断层两侧巷道围岩稳定性的影响

运用UDEC数值模拟软件,建立40°、60°、80°3种倾角的逆断层模型。通过分析巷道围岩塑性破坏特征、顶底板和两帮的移近量以及围岩垂直应力分布特征,研究逆断层倾角和上下盘关系对两侧巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明:巷道在逆断层上盘时,随断层倾角增大,围岩稳定性有降低的趋势;若巷道布置在逆断层下盘,断层倾角为60°时巷道围岩稳定性最差;若巷道布置在逆断层下盘,则顶底板移近量均小于在上盘时,而围岩塑性区范围、两帮移近量和巷道两侧应力的集中程度大于上盘,且断层倾角越大差值越大。     

柴里煤矿23下614工作面断层与顶底板应力变化规律研究

本文研究断层与顶底板应力变化规律,运用相似材料试验法,模拟柴里煤矿23下614工作面开采条件,分析试验数据及相关应力变化曲线图,得出变化规律:顶底板应力越靠近断层带,应力集中程度越明显,一般不会越过断层,过断层时,断层带下覆岩位移及应力易发生突变;断层煤柱留设宽度越小,断层活化越明显。     

采动影响下断层冲击危险数值模拟

为了研究采动影响下断层带附近应力演化规律,以山东鲁西矿区某矿地质资料为背景,基于FLAC3D数值模拟软件和正交试验方法,依次模拟了断层倾角为30°、45°、60°、75°和断层落差为6、10、20、30 m等工况下断层带附近应力峰值的演化规律。结果表明,开切眼布置在上盘开采时断层带附近的应力集中程度远大于下盘开采,并且应力峰值随着断层倾角和落差的增大而增大,当断层倾角为75°,落差为30 m时,支承压力峰值达到了47.3 MPa,并且随着工作面推进过程中距离断层越近,煤壁前方支承应力越大,其冲击危险程度也越高。     

不同断层倾角下采场冲击危险性数值模拟研究

以红岭煤矿F505正断层为工程背景,采用理论分析、数值模拟方法,对不同断层倾角条件下沿断层走向回采采场的冲击地压危险性进行分析,比较了不同断层倾角条件下采场的冲击危险程度及诱发因素。研究结果表明:随着断层倾角的增大,上、下盘工作面采空区断层煤柱应力集中程度明显增加,其中,下盘断层煤柱应力集中程度增加更明显;工作面超前支承应力分布呈现非对称性,且断层侧应力峰值更高;下盘工作面回采的基本顶位置断层滑移量明显大于上盘工作面回采的断层滑移量,断层倾角越小,基本顶位置断层滑移量越大,采场容易发生动载型冲击事故。提出了工作面不同开采条件下采场冲击地压的防治措施,可为断层影响区域工作面的安全回采提供指导。     

含断层煤层底板采动破坏规律研究

以潘二矿11223工作面3#煤层开采为例,采用FLAC3D模拟软件研究含断层煤层工作面先期开采顺序对底板采动破坏规律的影响。结果显示,先期开采断层上、下盘时底板采动破坏深度分别为20、14 m,上盘采动破坏程度明显大于下盘,故建议先期开采工作面布置在下盘较为安全合理。     

基于数值模拟的断层对底板变形破坏规律及突水的影响作用研究

基于数值模拟手段,综合考虑矿压和水压的联合影响作用,通过模拟采煤时底板岩层应力分布状态及其变形破坏过程,深入对比研究煤层开采过程中断层对底板岩层应力重新分布及其变形破坏规律、直至突水的影响。研究表明:当采空区煤壁附近有断层存在时,工作面前(后)方底板岩层应力分布呈明显的不均一性,应力变化比完整底板更剧烈,煤壁附近应力集中现象更明显,急剧的应力变化更易导致底板发生变形、破坏,断层及其附近次级结构面的存在同时也加剧了采煤过程中底板及围岩裂纹、裂隙的扩展,断层距工作面越近,越易发生突水。     

断层影响下底板应力分布和破坏分析

采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对底板应力峰值与塑性区变化的影响。对不同断层倾角,断层刚度和底板水压下底板应力峰值和塑性区变化进行了分析,同时根据现场实测,对有无断层条件下破坏深度进行对比。断层倾角越小,底板应力峰值越高,底板破坏区范围越大;断层倾角越大,底板破坏区范围越小,最终发展为“X”型。断层刚度的增加,没有对底板塑性区产生明显的影响,只是从断层带一侧改善了底板突水通道。随着底板水压的增大,塑性区范围没有明显变化,底板应力峰值的波动程度也不大。无断层存在,底板破坏深度为0~17 m;断层带的存在使底板破坏深度增大了135%。     

穿断层组岩巷围岩变形及控制技术研究

以任楼矿中六运输大巷掘进过F_2断层组为背景,采用FLAC~(3D)有限差分程序,分析了断层结构下巷道掘进应力场分布变化规律与不同位置处巷道变形破坏特征,提出了"下盘控顶、上盘控帮、底板反拱"的支护方式,并在现场成功进行了工业性试验。研究结果表明:F_2断层组附近存在明显的垂直应力增高区;断层构造对巷道变形破坏的影响范围为10~20m,确定加强支护范围为F_2断层构造带前后60m;在当前地质状况下,F_2断层上盘巷道围岩变形大于F_2断层下盘段并且两断层上下盘破坏影响区没有明显相互作用。     

断层对煤层开采应力分布影响的数值模拟分析

以芦岭煤矿8煤层开采为例,运用FLAC3D软件分析了断层倾向与工作面推进方向在不同情况下,断层带两侧应力分布特征的差异。工作面布设分别在断层上盘逆断层倾向推进和在断层下盘顺断层倾向推进。通过数值模拟分析得出,当逆断层倾向推进的时候(工作面位于断层上盘),随着工作面推进,在断层带上出现应力集中现象,且随工作面继续推进应力集中及影响范围呈增大的趋势,断层带起到了一个阻止应力集中向前传递的作用,应力集中于断层带及上盘上;当顺断层倾向推进的时候(工作面位于断层下盘),随工作面推进,断层带两侧先出现应力减小随后增大,继续推进应力传递到对盘,断层带应力集中程度减小,断层未能限制应力的传递。因此,可以利用此结果,为工作面及巷道位置选择提供依据,避免应力集中对巷道造成破坏,延长巷道服务年限。