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。     

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。     

采动诱发断层滑移失稳的研究

以济三煤矿6303面地质条件为背景,进行了断层滑移失稳相似模拟试验及数值模拟.研究表明,工作面由断层下盘向断层推进,在采动影响下断层面正应力下降,剪应力上升,断层发生"活化",断层滑移量急剧增加,顶板稳定性变差,工作面支承压力升高;工作面过断层后,断层正应力增加,剪应力减小,顶板易于形成平衡结构,矿压显现不明显.工作面由断层上盘向断层推进,断层面正应力上升,断层不易于"活化",断层滑移量较小,顶板易于形成平衡结构;工作面过断层后,断层正应力迅速下降,断层滑移量增加,顶板稳定性差,工作面支承压力增加.通过对比分析,可以确定当工作面位于断层下盘时冲击矿压危险性远高于工作面位于上盘时的危险性.并通过对几个煤矿断层冲击矿压现象的分析从而验证了该结论的正确性.     

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。     

正断层对顶板变形规律及冲击地压的影响分析

以常村煤矿25采区为工程背景,采区内有Fj239、Fj214和Fj245这3个正断层,断层落差小于2 m,倾角约为45°,从上盘垂直断层向下盘推进开采,通过数值模拟方法对采场顶板稳定性及冲击地压进行了研究。结果显示:随着工作面逐步推进,当不经过断层时直接顶及上覆岩层以拱形上移式塌陷,经过断层时直接承顶及上覆岩层沿结构面方向沉降变形;开采过程中能量容易集中在顶板断层及工作面处,断层越密集能量集中程度越高;工作面距断层越近工作面前方的超前支承压力峰值越大,且峰值位置有向工作面靠近的趋势。     

上盘采空断层下盘开采的煤柱宽度优化研究

在断层和采动影响下,下盘工作面断层侧煤柱宽度制约着工作面的安全生产。以黄陵煤矿二盘区 203下盘工作面为工程背景﹐采用理论分析、数值模拟和相似模拟相结合的方法﹐研究上盘工作面采空后﹐下盘工作面断层侧煤柱上方载荷与煤柱尺寸之间的关系﹐揭示煤柱宽度为30,26,22,20,13和6 m时的位移、应力演化及塑性区分布特征,分析煤柱宽度为30 m时的覆岩结构特征,并通过综合分析,优化了工作面合理煤柱宽度。研究表明:上盘工作面采空时,在断层和采动的影响下,随着煤柱宽度的减小,下盘工作面断层侧煤柱上方的载荷分为载荷降低区、载荷过渡区和载荷稳定区;当煤柱宽度为30 m 时,下盘工作面断层侧高位岩层出现离层,煤柱上方应力集中程度大于另一侧,承载能力强,稳定性高;当煤柱宽度减小至22 m 时,靠近断层侧的顶板最大下沉量和应力集中程度显著增大,煤柱开始发生塑性破坏,承载能力逐渐减弱﹔当煤柱宽度减小到l3 m时,断层侧塑性区向工作面两端及上方发展至贯通煤柱,煤柱稳定性较差﹔当煤柱宽度减小至6 m 时,靠近断层侧顶板最大下沉量和应力集中程度继续增大,塑性区继续发育。通过相似模拟试验研究发现,当煤柱宽度为30 m 时,顶板垮落并充填采空区,下盘工作面断层侧煤柱上方无明显变化。经综合分析,确定下盘工作面断层侧煤柱的合理宽度为 18~22 m,可提高工作面回采率,同时可保证工作面安全生产。     

逆断层不同倾角对采场冲击地压的诱导分析

归纳了易造成冲击地压发生的主控参量,分析了断层倾角对冲击效应的力学机理,建立了逆断层简化模型,研究了不同断层倾角条件下的应力场、能量场、顶板下沉量等诱冲因素对冲击地压的基本作用规律。研究表明:上盘开采时,断层倾角小于45°的工作面超前支承压力峰值、弹性能峰值及顶板下沉量随断层倾角的增大而增大,大于45°时随断层倾角的增大而减小;下盘开采时,工作面超前支承压力峰值随断层倾角的增大而减小,且断层倾角为60°及75°时,工作面超前支承压力峰值前移,增加了冲击危险性;断层倾角大于45°的工作面前方弹性能峰值及顶板下沉量随断层倾角的增大而减小,小于45°的随断层倾角的增大而增大。无论上盘或下盘开采,断层区域弹性能及垂直应力都随着断层倾角的增加而增加。总体而言,断层倾角对下盘开采影响比上盘大。     

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。     

基于不同正断层角度的上盘工作面突水数值模拟分析

运用FLAC3D软件,模拟位于正断层上盘的工作面推进过程中不同的断层倾角对工作面突水的影响。模拟结果表明:断层倾角越小,底板和煤柱塑性破坏越严重,容易导致承压水通过底板裂隙进入工作面引起突水;断层倾角越大,断层活化越明显,承压水的导生速度、高度、渗透幅度均增大,容易通过煤岩柱塑性破坏区进入工作面引起突水。     

硬厚顶板下邻断层工作面不同推采方向应力特征分析

采场应力场及其动态演化对煤矿动力灾害(冲击地压、矿震等)诱导影响显著,尤其是处于地质条件相对复杂的工况。考虑坚硬厚层顶板和断层赋存条件,利用UDEC(Universal Distinct Element Code)数值模拟研究硬厚顶板下邻断层工作面不同推采方向应力分布及演化,分析推采方向对应力特征及其诱发冲击潜在危险主控区域的影响与差异。结果表明,断层切割形成断层煤柱与覆岩异形结构、断层倾向与阻隔效应,以及硬厚岩层持久悬空对采动应力及潜在冲击危险区均存在显著影响,主要表现为上盘工作面开采应力显著增强区主要处于本盘剩余断层煤柱中,仅在煤柱较小(10 m)时对盘呈现明显的应力升高,而下盘开采断层煤柱仍较大(60 m)时,应力显著增强区域就已转移至对盘煤岩体内并提升对盘冲击危险性。但无论上盘或下盘开采,当断层煤柱减至一定程度时,断层附近都将承受冲击潜在危险并明确其潜在危险区域,而后采用理论模型分析和现场微震监测验证断层切割硬厚岩层对采场潜在冲击危险的影响及应避免受断层切割的硬厚顶板大面积悬顶破坏的结论。研究结果可为类似条件下冲击地压预测及危险区域划分、工作面布设、开采顺序选取与断层煤柱留设等提供参考。     

断层带强度对采动应力影响的数值模拟

以工作面沿断层走向推进为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件,根据岩体强度指标GSI确定断层带弹性模量,并分析了不同断层带岩体强度指标GSI条件下,断层带对采动应力分布的影响。研究表明:工作面沿断层走向推进时,下盘工作面断层煤柱以及工作面超前支承应力集中较上盘工作面回采时更高,断层对下盘工作面回采时采动应力分布的影响更明显。断层带岩体质量指标GSI值越小,断层煤柱以及工作面超前支承应力集中更明显,即断层岩体裂隙越发育对采动应力的阻隔作用越强。     

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。     

硬厚覆岩正断层附近采动应力演化特征

硬厚覆岩断层影响下采动应力出现奇异性。采用三维数值模拟方法,研究了工作面向正断层推进、上盘工作面沿正断层布置的采动应力演化特征。研究表明:断层显著削弱了硬厚覆岩的采动应力传播,应力阻隔效应十分突出,顶板断层带处于低应力状态,底板断层带处于应力集中状态。上盘工作面向正断层推进时,工作面与断层之间覆岩呈"倒楔形",采动应力高,是灾害防治的重点区域;断层外侧覆岩呈"楔形",采动应力低于原岩应力。下盘工作面向正断层推进时,断层两侧采动应力不高。在断层带影响下,工作面端头外侧煤体上形成强承载区。上盘工作面沿正断层走向布置时,在断层煤柱和工作面前方形成高应力集中区,回采巷道采动应力集中突出,是重点治理区域。     

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。     

正断层下盘工作面煤柱尺寸效应及冲击危险性分析

为了研究工作面沿断层走向布置,不同煤柱宽度条件下采动空间的冲击危险性。采用FLAC3D数值模拟的方法,研究了不同宽度断层煤柱应力及其稳定性、正断层活化及弹性能密度空间分布。结果表明:正断层下盘工作面开采当断层煤柱尺寸较小时,采空区断层煤柱发生塑性破坏,断层滑移范围从基本顶位置处延伸至高位岩层断层面处,断层滑移量大,采动应力集中及弹性能聚集区域位于断层侧工作面前方;当断层煤柱尺寸较大时,煤柱能有效控制基本顶位置处断层滑移,仅高位岩层处断层发生少量滑移,断层侧工作面前方采动应力集中程度与弹性能密度明显降低。因此在确定断层煤柱尺寸时,应避免断层煤柱发生塑性破坏。     

断层对顶板型冲击矿压的影响

为了研究断层附近冲击矿压发生规律,必须了解断层附近顶板运动特征.本文分析了顶板运动对冲击矿压的作用,采用"砌体梁"理论研究了断层倾向对顶板平衡结构的影响.以济三煤矿6303面地质资料为背景,通过FLAC5.02D软件建立了相应的分析模型,模拟了煤层开采过程中断层对顶板运动的影响.结果表明:无论工作面是由断层下盘向断层推进,还是由断层上盘向断层推进,随着工作面距断层面距离的缩小,顶板稳定性变差.当工作面由断层下盘向断层推进时,在采动影响下断层易"活化",顶板岩体利用断裂结构面发生滑移、回转和破坏失稳,从而导致顶板型冲击矿压.当工作面从断层上盘向断层推进时,顶板岩体易于形成平衡结构,顶板下沉量较小,顶板运动较为平缓,断层冲击矿压的危险性就会小的多.通过对比分析,可确定当工作面从正断层下盘向断层推进时冲击矿压的危险性远高于工作面从上盘向断层推进时的危险性.     

大采高工作面过断层采动应力演化与顶板稳定性研究

运用数值模拟研究了大采高工作面过断层期间围岩应力演化,分析了断层周围应力和工作面前方支承应力随推进的变化;分析了大采高工作面过断层与一般采高工作面过断层、正常回采期间工作面顶板结构特征;分析了过断层期间顶板稳定性,指出了顶板可能发生的失稳类型,提出了注浆加固煤柱来提高顶板稳定性的措施。实践表明:注浆加固后过断层期间煤柱具有较好的承载能力,顶板完整性较好,支架未出现异常的载荷及破坏,能够较好的控制顶板。     

不同倾角下工作面沿正断层开采断层煤柱应力演化规律研究

以赵楼煤矿5310工作面开采条件为研究背景,采用FLAC3D数值模拟软件,建立不同正断层倾角模型,研究了工作面沿正断层走向推进过程中,断层煤柱稳定性以及应力演化规律。研究结果表明,上盘断层煤柱支承应力峰值高于下盘,受断层倾角影响较大。断层煤柱支承应力随断层倾角增大而增大,工作面前方支承应力主要集中在靠近断层一侧;下盘断层煤柱支承应力曲线在断层倾角为45°、50°时呈双峰状,在55°、60°时呈单峰状,断层煤柱支承应力峰值受断层倾角影响较小;上下盘断层煤柱宽度应不小于30m,需根据具体工程条件确定断层煤柱宽度。     

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。     

综采工作面过断层构造带的方法与措施

<正>综采工作面在推进过程中会经常遇到断层,断层的存在不仅影响回采作业的顺利进行,同时还会造成断层附近顶板破碎、瓦斯积聚,给工作面带来一系列隐患。一般而言,综采工作面过断层的难易程度不仅与断层的落差、倾向和倾角有关,还与煤层赋存条件、生产工艺及综采设备选型密切相关。实践证明,断层落差越小,影响范围越小,对综采工作面的影响也就越小。综采工作面过断层的方法一般有调整采高法、挑定起底法和跳采法等。本文将详细阐述这三种方法在