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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

采场覆岩应力及垮高的柱宽效应三维相似模拟研究

基于采场应力分布的动态性特点,以谢桥矿1151(3)综放工作面地质和开采条件为背景,采用实验室相似材料模拟方法,研究不同煤柱宽度条件下采场覆岩应力分布和垮落特征。研究表明,不同煤柱宽度上覆岩层应力分布及垮落高度有所不同。随煤柱宽度的增大,倾向方向工作面前方应力峰值区由原来的煤体上方逐渐向煤柱上方转移,且峰值逐渐增大,工作面后方煤柱承载上覆岩层主要荷载和压力,且随煤柱宽度增大应力峰值也增大。工作面上覆岩层垮落形成由高应力束组成的应力壳,应力壳对上覆岩体的荷载和压力起主要支撑和传递作用,随着煤柱宽度的增大,应力壳的高度逐渐减小,在煤柱及煤体内形成的壳基也逐渐发生变化和转移,壳基在煤柱内从无到有,壳基的应力集中程度也逐渐增强,煤柱内单位体积的岩块承载的荷载和压力也从小到大,再由大变小。     

深井工作面向地垒构造开采煤岩体采动响应特征

地垒构造为影响安全开采的重要因素，为分析工作面过地垒构造开采时两盘覆岩的运动规律及工作面前方支承应力的演化特征和断层活化规律，基于UDEC数值模拟软件进行研究。结果表明：工作面接近地垒构造时，上覆岩层向采空区发生回转，易引起断层活化滑移；工作面在地垒构造中，若煤体上方基本顶无法形成铰接结构，易引发断层煤柱失稳破坏煤体；由数值模拟可知，上盘工作面开采影响大于下盘工作面影响，其影响主要表现为断层冲击地压诱发影响开采范围大、断层滑移诱发冲击地压的危险性高。研究明确了地垒构造对地下工程作业的影响规律。     

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。     

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。     

不同断层落差采动应力及活化规律优化研究

以兴隆庄煤矿为工程背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了不同断层落差条件下工作面推进时的采动应力及活化规律。研究表明:下盘工作面开采时,顶底板围岩应力集中程度和工作面前方支承压力随着落差的增大而增加,而上盘工作面开采时则表现出相反的规律。下盘工作面开采,对于低位岩层,当工作面距断层30 m时,剪切应力与法向应力比值最大,此时,断层易活化、失稳。当断层落差为8 m时,剪切应力与法向应力比值最大;当断层落差为4 m时,比值最小。对于高位岩层,剪切应力与法向应力比值的最大值随断层落差增大而增加;上盘工作面开采,剪切应力与法向应力比值变化趋势与断层落差变化基本保持一致。上、下盘工作面开采,随着断层落差的增大,顶板下沉量逐渐增加。     

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。     

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。     

逆断层下盘不同采高工作面支承应力演化规律研究

以逆断层下盘不同采高工作面开采为背景,采用UDEC数值模拟方法,研究了下盘工作面向逆断层推进过程中不同采高下支承应力的分布特征及演化规律。研究表明:下盘工作面向逆断层推进过程中,由于逆断层松弛活化产生的阻隔效应,支承应力分布特征发生演化,其峰值呈现先减小后增大的变化趋势,其明显影响范围不断减小。下盘工作面3 m和5 m采高的支承应力演化基本同步,支承应力分布相似;当煤层采高增大为7 m时,受断层采动活化及煤柱的耦合作用影响,支承应力峰值较高,采动影响更为强烈。工作面前方逆断层对支承应力的影响较大,应及时加强工作面及回采巷道支护。     

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。     

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。     

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。     

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。     

正断层上盘开采断层附近应力时空分布数值模拟

采动引起的断层错动是诱发矿震和断层冲击矿压的主要原因之一。在现有的数值模拟研究中，断层上测点的数量较少，以致于对断层各处力学状态全貌的了解较为困难。而且，针对煤层应力分布的研究通常仅限于垂直应力（支承压力），而对其它应力尚缺乏了解。为研究采动条件下断层附近应力时空分布，采用FLAC3D建立了正断层上盘开采的数值模型。模型中共包括13个岩层和1个45°倾角的正断层，通过计算获得了工作面从断层上盘推进过程中断层各处及附近煤层应力的时空分布规律。监测了断层上盘断层上的22个节点以获取断层各处力学状态全貌。研究发现，在工作面推进过程中，断层上存在1个压紧区及1个或多个松动区；断层上的压紧区较为安全，压紧区上、下方松动区的正应力越来越低，当工作面邻近断层时该区的断层区段多趋于危险，该区范围最大为78 m；断层上盘煤层紧邻工作面煤壁的垂直、水平和切应力峰值分别位于煤壁前方7.5～10.5、10.5～15.5和11.5～12.5 m；断层下盘煤层3种应力最大值均上升或有上升趋势。当工作面煤壁距断层的水平距离由40 m减小至20 m时，断层上盘煤层垂直、水平和切应力受断层影响较显著的区域通常分别在距断...