开采沉陷中不同断层活化模式研究

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究开采沉陷中断层活化机理,通过理论推导将开采沉陷中断层活化分为"断层面产生离层空间"、"煤柱压缩"两种断层活化模式并分别利用数值模拟和现场实例进行了验证。研究结果表明:①采动将造成断层面产生离层空间,离层空间以下沉系数等于1传递给松散层造成断层露头处地表产生台阶下沉,影响断层离层空间的主要因素有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角、断层是否含水、断层带岩体内摩擦角及黏聚力等;②断层面离层空间随着工作面推进长度的增加而增加,当工作面推进一定长度时不再变化;断层面离层空间随着基岩厚度的增加而线性增加;断层面离层空间随着保护煤柱宽度增加而减小;断层面离层空间随煤层厚度增加而线性增加;断层面离层空间随断层倾角增大而增加;断层带岩体原生水的存在对断层面离层空间产生具有促进作用;断层面离层空间随断层带岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小;③工作面主要影响角和断层倾角的大小关系控制"断层面产生离层空间"模式断层活化,当断层倾角大于主要影响角并与主要影响角在基岩内相交时,断层将活化;④当断层倾角小于主要影响角时,工作面超前支承压力影响范围控制"煤柱压缩"模式断层活化,当工作面超前支承压力接触断层时,断层将活化。     

上下盘开采断层滑移失稳诱发地表异常沉陷机理研究

当工作面上覆岩层中含有断层,开采造成断层带岩体滑移失稳时,断层露头处地表移动变形值往往异常增大.含有断层时的地表移动变形规律与不含断层时具有显著差别.为研究上下盘开采断层滑移失稳诱发地表异常沉陷机理,通过理论推导建立上下盘开采断层滑移失稳力学模型和土体近似悬臂断裂模型,并结合数值模拟和相似模拟实验对比分析上下盘开采断层滑移失稳机理及其难易程度.研究结果表明:断层露头处地表异常沉陷是断层滑移失稳后土体在断层露头处受悬臂作用而发生断裂的结果,上盘开采断层露头附近地表裂隙或台阶偏向采空区外侧,下盘开采断层露头附近地表裂隙或台阶偏向采空区;上盘开采断层可稳定区域比下盘开采大,上盘开采断层更容易维持稳定,下盘开采断层露头处地表更容易产生台阶下沉;上盘开采随断层倾角增大,断层稳定性变差,下盘开采当断层倾角小于断层带岩体内摩擦角时,断层一定会滑移失稳,而下盘开采随断层倾角增大,断层稳定性增强;下盘开采断层露头处剪应力与正应力的比值为上盘开采的5倍左右,下盘开采断层带岩体更容易滑移失稳;断层作为岩体中天然弱面存在,对采动应力的传递具有阻断效应.研究结果对分析断层影响下的地表沉陷规律及断层露头处建、构筑物的保护具有一定意义.     

受小倾角断层影响的地表移动特征研究

为了研究受小倾角断层影响条件下铁路保护煤柱的留设方案,利用UDEC软件模拟了采煤工作面处于出露地表的小倾角断层下方不同位置时对地表移动特征的影响。结果表明:断层露头处地表会发生不连续变形,且当断层露头处于按正常地质条件下移动角划定的开采范围外时,工作面与断层露头的水平距离越近,该变形越明显,断层越易活化;工作面与断层露头的水平距离大于某一临界值时,断层露头处的移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏的临界变形值。在榆树坡煤矿1504工作面,该临界值可取446.6m,据此提出了铁路保护煤柱的留设方案。     

采煤沉陷与地质不连续界面关系的数值实验研究

为查明地质不连续界面的类型对地表下沉特征的影响程度,根据陕西某矿区主采煤层覆岩结构及其物理力学性质资料,采用FLAC3D软件建立了数值模型,研究了节理倾角、断层落差对地表下沉的影响。结果表明:地质不连续界面类型不同,对采煤沉陷的影响不同,节理发育时,将加剧采煤沉陷,而落差小于8 m的小型隐伏断层在一定程度上减弱了采煤沉陷;不连续界面类型将改变地表下沉曲线形态,节理发育时,地表下沉曲线将呈非对称状,而断层发育时,则为对称状;倾角小于30°,或者大于70°的节理,或者落差大于8 m的断层将对地表下沉产生较大的影响。     

正断层存在的地表沉陷特殊性规律研究

工作面周边存在较大断层时，一般采用留设断层保护煤柱法，使覆岩移动不直接影响到断层。为分析受正断层影响的地表移动变形规律，通过工作面开采前后地表裂缝与房屋墙体裂缝损坏的现场调查，发现位于常规沉陷影响边界之外至断层露头范围内仍有平行于断层走向的地表裂缝及墙体裂缝性损害；应用FLAC3D模拟研究了正断层影响下的上盘煤层开采时地表沉陷特征及断层带应力变化特征。结果表明：受开采扰动影响的断层带附近原始构造应力得到释放并产生一定变形，反映至地表为非对称性的偏态下沉；建筑物下伏岩层有较大断层时，应在边界角法或沉陷预计法留设地面建筑保护煤柱的基础上，考虑留设合理宽度的断层安全煤柱；同时提出断层带周边的应力变化可作为断层受开采沉陷影响与否的判定依据。     

采动影响下断层面离层空间产生及其对开采空间传递作用分析

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究断层对开采空间传递的作用,利用空间守恒,通过理论推导发现工作面开采会使断层面产生离层空间,断层对开采空间传递具有增大效应并利用数值模拟进行了验证。研究结果表明:增大的开采沉陷空间主要来自于断层面离层空间;关键层下部软弱岩层在断层面的离层空间主要来自于采空区垮落岩石的再次压缩;关键层及上部岩层在断层面的离层空间主要来自于关键层与下部软弱岩层之间离层空间的减小;影响断层面离层空间大小的因素主要有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角等,并且断层倾角与主要影响角的大小关系决定了断层面离层空间的产生。     

厚松散层覆盖下逆冲断层倾角变化与采动活化响应模拟研究

断层存在下的煤矿开采容易引起煤矿覆岩破坏和地表沉陷等一系列问题，前人对厚松散层下逆断层倾角变化引起的应力变化与采动活化规律认识还较为有限。基于FLAC3D数值模拟软件，以淮南煤田口孜东矿F1逆断层为研究对象，通过建立三维数值模型，系统研究了不同倾角逆断层下盘煤层逐步开采时，各断层带上应力的变化特征和断层滑移现象。研究结果表明，有断层一侧地表水平变形的峰值要小于没有断层的一侧，且其地表斜坡更加平缓。断层滑移变形与断层带上切向应力与法向应力的比值有关，断层倾角越小，断层越易发生滑移，断层倾角越大，断层滑移现象相对较弱，断层上部比断层下部更易活化滑移。在工作面向断层带推进时，断层活化过程可以分为初始平衡期、剪切滑移期、活化破坏期三个阶段。本文研究可为厚松散层覆盖区逆断层影响下的煤矿安全开采和防治提供重要依据。     

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。     

地下工程引起的不均衡地表沉陷分析

地下工程中的开采有时会导致不均衡岩层移动,其延伸到地表则会产生不均衡地表沉陷．在以往研究的基础上,对断层可能导致的不均衡地表沉陷进行了系统的分析．不均衡地表沉陷一般可分为5种类型;确定某一条断层对不均衡地表沉陷可能产生的影响程度时,要全面考虑时间、断层规模、断层面状态、断层的倾角、开挖处与断层的距离、开挖方向与断层走向的关系、覆盖层厚度7个因素,并找出主要的影响因素而确定之,以便采取针对性的防范措施．最后,修正了不均衡沉陷台阶量值的经验公式．     

固体充填开采地表沉陷实测规律及控制效果分析

为研究充填开采地表沉陷特征及响应过程,以唐山矿9号煤层T3292充填工作面为工程背景,通过布置地表沉陷观测站进行长期观测,采用现场实测与理论分析相结合的方法,基于概率积分法分析地表变形参数。结果表明,充填开采地表下沉值较小,最大下沉值93mm,仅为采高的2.66%;工作面推进过程中地表超前移动,超前影响距离与超前影响角平均值分别为184.8m、75.7°,随着采空区面积的增大,超前影响范围略微增加;充填开采下沉系数为0.0283,主要影响角正切值为1.2,分别为垮落开采的3%～5%和50%～62%;地表最大水平变形0.236 mm/m、最大倾斜变形0.155 mm/m、最大曲率0.393×10-3 mm/m,对工作面进行合理的固体充填开采能有效控制地表变形,减小对地表建(构)筑物的损害。     

综放开采工作面覆岩EH-4电导率分布特征

为了解采动覆岩破坏充水情况,确保水库下压煤安全开采,大平煤矿利用EH-4电导率成像系统在N1S1工作面对采动覆岩进行了探测。经对岩层电导率图象解译:工作面推过22 m,采空区上方岩层内形成一拱型高阻区,电导率800Ω以上岩拱高度约90 m(相当于采高的7.2倍);工作面推过92 m,采空区上方高度约300 m(相当于采高的24.2倍)为拱形低阻区,岩层电导率30Ω以下,离层破碎岩层集中发育在拱顶部区域。工作面超前约70°角范围,岩层破坏充水,电导率下降。推过160～190 m后,上覆岩层电导率普遍在10～20Ω之间,呈充水特征。     

厚松散层软弱覆岩工作面“三带”发育特征与高度研究

为探究厚松散层软弱覆岩地质条件下采动覆岩运移规律,基于葛泉煤矿11915工作面采矿地质条件,采用室内相似模拟方法,分析该工作面推进时的直接顶初次垮落、高位覆岩破坏动态过程,得出该工作面覆岩垮落带、断裂带与弯曲带(简称“三带”)高度范围;分析了采动覆岩“三带”内岩层位移特征,得出位于垮落带、断裂带与弯曲带内的岩层位移曲线呈波动性递减趋势。研究结果表明：11915工作面垮落带范围为10～25 m,断裂带高度范围为43～48 m,位于48 m之上的岩层属于弯曲带范围,相似模拟结果与现场实测结果相近,验证了相似模拟实验的合理性。     

膏体充填回收孤岛煤柱围岩控制技术研究

随着煤矿的长期开采，各种孤岛煤柱的安全、高采出率回收成为矿井亟待解决的难题。针对朱村矿东一下山保护煤柱回收难题，采用膏体充填法进行回采。分别从工作面液压支架与围岩的相互作用关系及支护强度要求、充填期间“充填体—上覆岩层”支撑结构体系的稳定性和充填体强度要求以及充填率对地表开采沉陷的影响3方面进行了分析研究。通过采用膏体充填开采，工作面巷道围岩稳定，上覆岩层无明显裂隙离层发育，表现为随工作面开采整体缓慢下沉状态；按开采高度2.5 m计算，地表下沉系数为0.137，地表建筑物在Ⅰ级损坏之内。     

冲击地压矿井采区下山保护煤柱合理宽度研究

留设合理宽度的采区下山保护煤柱是防范采区下山发生冲击地压的关键。为探讨冲击地压矿井采区下山保护煤柱宽度的确定方法,以李楼煤矿采区下山保护煤柱合理的宽度确定为工程背景,运用矿压理论研究了工作面向采区下山推采过程中覆岩运动规律、支承压力演化特征、冲击地压类型及其发生机制,分析了现场工作面推采过程中的微震监测数据和应力动态监测数据,综合确定了李楼煤矿工作面采动影响范围,提出了以防范各类冲击地压为原则的采区下山保护煤柱宽度的综合确定方法,并进行了工程验证。结果表明:①随着工作面向采区下山推进,采区下山保护煤柱宽度逐渐减小,工作面超前支承压力与采区下山侧向支承压力及两翼工作面超前支承压力将发生叠加、集中,震动附加应力与采区下山侧向支承压力叠加程度逐渐增大;②采区下山可能发生静动载叠加型、应力叠加型和蠕变型等3类冲击地压;③工作面超前、滞后采动影响距离为235 m,侧向采动影响距离为105.5 m;④从防范采区下山动静载叠加型、应力叠加型和延后蠕变型冲击地压的角度,综合确定李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱宽度应不小于235 m。回采后期现场监测结果与收尾情况初步验证了当前李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱240 m的合理性。     

基于数字散斑技术的煤层群开采覆岩运移规律试验研究

为研究缓倾斜近距离煤层群开采时上覆岩层运移及含水层水动力演化规律,防止煤层群下行开采时发生突水事故,采用流固耦合相似模拟试验、应用数字散斑技术、理论分析等研究手段对某煤矿六采区综采工作面煤层群开采后的顶板变形破坏进行研究。结果表明:(1)14~#上组煤层开采过程中,隔离煤柱能够较好地控制顶板的移动变形,15~#下组煤层重复开采时会破坏上组煤层隔离煤柱,导致顶板的变形破坏加剧;(2)煤层群开采后覆岩位移传播方向为竖直方向,同一岩层位移呈现出中间下沉量大、两侧下沉量小的盆地特征;(3)应用数字散斑技术测得14~#上组煤层和15~#下组煤层开采后覆岩位移最大影响高度分别为29.0m和32.8m,与经验公式法计算结果进行对比,观测误差分别是1.8%和5.3%;(4)工作面依次下行开采14~#煤层和15~#煤层时,K_4含水层有发生突水的危险。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

浅埋煤层群开采的区段煤柱应力与地表裂缝耦合控制研究

为了探索浅埋煤层群开采减缓煤柱集中压力并实现地表均匀沉降和地表裂缝耦合控制,通过物理模拟和数值计算揭示了煤层群开采中不同区段煤柱错距的间隔岩层破断规律、煤柱集中应力分布规律、覆岩和地表裂缝发育规律及地表沉降规律,掌握了不同区段煤柱错距与煤柱应力集中及覆岩裂隙演化的关系。研究得出,根据煤层间岩层的破断规律,确定合理的上下煤层区段煤柱错距,可避免上下煤层区段煤柱间的集中应力叠加和煤柱支承影响区的岩层非均匀沉降,实现煤层群开采的应力和裂缝耦合控制。建立了浅埋煤层群开采的煤柱群集中应力和地裂缝控制模型,得出了避开煤柱集中应力和实现地表均匀沉降的耦合判据,揭示了减缓煤柱群集中应力和实现地表均匀沉降的机理。