综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析

由于综放工作面开采空间大,对周边煤岩体扰动强烈,易引发断层构造活化,进而诱发大能量矿震导致冲击地压灾害,基于赵楼煤矿1303综放工作面生产和地质条件,理论分析了工作面回采对断层构造扰动影响的主控因素。采用相似模拟方法分析了断层构造错动滑移时空演化特征,并统计分析了工作面采动实际矿震震源活动演化规律。结果表明:逆断层下盘工作面回采,断层面发生张拉离层和剪切滑动的主控因素为表征开采扰动垂直作用力Pv和水平作用力Ph的比值k、表征断层几何特性的断层倾角θ、以及表征断层力学特性的内摩擦角φ;工作面开采首先引发覆岩低层位断层岩块滑动,并随工作面与断层面距离的减小逐渐向高层位断层岩块扩展;断层诱发矿震需满足断层产生滑动失稳且滑动表现为黏滑两个条件。工作面矿震活动规律:采空区范围越大,矿震活动越剧烈;矿震震源丛集于采空区区域,且随工作面推进向前方及高层位岩层转移。对1303工作面矿震事件影响程度:Fd96断层张剪失稳采空区覆岩破断运动FZ14断层张剪失稳。     

逆断层下盘工作面回采扰动引发断层活化特征的试验研究

为分析逆断层下盘工作面回采对断层面错动失稳影响,在双轴等压加载条件下,试验获得了逆断层下盘煤层回采扰动下断层活化失稳特征。结果表明:回采工作面围岩由内向外形成采动卸压区、支承升压区、原始应力区的动态演化将诱发断层构造错动活化,且逆断层构造更易受回采工作面扰动区影响;双向等压条件下逆断层下盘煤层开挖,垂直方向扰动与水平方向扰动载荷比由1逐渐增加至6,断层面发生离层或剪滑失稳的危险升高;断层构造面附近应变呈不均匀分布,且煤层处应变明显高于顶、底板岩层;煤层开挖引发的声发射事件84%能量分布在10-13~10-10 J,主要分布于煤层顶板岩层,且跨越断层面声发射事件较少,表明断层构造对应力扰动有阻断作用;开挖煤层与断层面交叉处是声发射事件集聚区域,发生错动失稳危险性较高。对比赵楼煤矿1303工作面实际矿震数据,矿震震源与试验声发射源空间分布特征具有一定相似性,佐证了类逆断层组合结构岩石试验方法的可行性。     

开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切,也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题,断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时,以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象,通过相似模拟和数值模拟,研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景,建立了F_(16)逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型,运用应力监测和声发射监测的手段,分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征,研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型,研究了断层区域岩层裂隙发育情况,分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律,总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段,即水平载荷施加阶段,工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段,断层滑动面不断积聚能量,声发射事件数激增;工作面开采过程中,断层频繁受开采扰动,正应力与切应力两者变化不同步。开采初期,正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采,正应力与切应力的变化情况相反,正应力逐渐降低,切应力逐步增大。工作面接近断层时,断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期,断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能,声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时,能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的"缺震"现象较为吻合,即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少,发生后激增的现象。因此,断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。     

正断层上盘边角煤开采诱发断层活化规律

为研究边角煤工作面采动断层活化规律,基于兴隆庄煤矿肖家庄三号正断层上盘5313工作面遗留边角煤开采,采用数值模拟研究工作面采动不同层位断层面应力和断层滑移量演化规律,分析采动诱发断层活化失稳的可能性。研究结果表明:随工作面与断层距离减小,断层面剪切应力与法向应力增大,两者比值升高,同时断层滑移量随之增长,断层活化失稳可能性增大;当工作面距断层小于30 m时,断层面应力比值显著升高,滑移量剧烈增大,断层活化最为显著。     

临近断层的工作面开采诱发断层活化机理研究

基于临近断层构造区工作面开采易诱发冲击地压事故的工程背景,提出了建立断层构造区工作面开采的力学模型并对其计算分析,结果表明：工作面采动对断层弱面造成扰动影响,按距离可分为远场和近场扰动效应|远场采动诱发断层活化时,断层弱面上粘合接触点统计上的破坏形式决定了断层弱面是稳滑状态还是粘滑状态|近场采动诱发断层构造活化时,采掘工作面位于断层下盘岩层时,断层岩块发生向上、向下剪滑失稳及断层岩块张拉离层失稳危险性高于上盘开采方式。     

地垒构造区域内工作面矿震发生规律研究

为深刻揭示和总结地垒构造区矿震规律的特殊性,以东滩煤矿1305工作面为研究对象,采用力学计算、数值模拟和微震监测相结合的方法,分析地垒构造区垂直应力二次分布,微震信号反映出矿震的影响。结果表明:工作面开采距离EF93断层距离84 m和35 m时,EF93断层和EF32断层相继发生错动,容易诱发矿震;微震监测和数值模拟叠加结果显示出震源在工作面前方和采空区后方积聚,且主要集中在顶板硬岩和应力升高区,开采距离EF93断层80 m时,断层错动诱发高能矿震,验证了力学计算结果;地垒构造区开采震动能量和频次都升高,断层活化是影响震动增强的主因;地震活性系数b值与震动能量呈负相关性,大震发生之前往往经历"小震密集-平静-大震发生"的过程。     

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。     

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。     

重复采动引发矿震的机理探讨及灾害控制

基于重复采动下巨厚岩层失稳仍引发大能量矿震的特点,通过分析重复开采中上覆岩层的冒落和移动规律,研究巨厚岩层关键块体的结构形态、在不同区域的受力情况以及断裂失稳特点,得出重复采动引发矿震的机理:一是采高增加造成采空区上方顶板"活化",导致原铰接平衡岩层结构发生滑落或剪切失稳,引发矿震;二是顶板岩层移动线外扩,导致边界区域岩层在平面和高度方向活动范围增加,造成高应力集中区巨厚岩层大范围失稳,引发强烈矿震。依据矿震诱发冲击机理,通过优化工作面开采设计、降低对危险区域的扰动和优化巷道围岩结构强度,有效地保证了被解放层采场的作业安全,实现了"有震、无灾"的控制目标。     

上下盘开采影响下断层滑移失稳力学机制

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。为了研究上下盘开采断层滑移失稳力学机理,基于关键层理论建立了上下盘开采断层活化力学模型,推导了断层滑移失稳的判据,并结合数值模拟和相似模拟对上下盘开采断层活化难易程度进行了分析。研究结果表明:①相对于上盘开采,下盘开采断层保持稳定除了满足断层带岩体在断层面不发生滑移外还需满足断层面不产生离层,下盘开采断层保持稳定条件更加苛刻,下盘开采断层更容易活化;②对于上盘开采,随着工作面推进,浅部断层带岩体正应力逐渐减小,剪应力逐渐增大,深部断层带岩体剪应力和正应力都逐渐增大,说明断层露头处断层带岩体已经处于活化状态,断层带岩体产生裂隙,应力逐渐松弛,而深部断层带岩体正在为活化蓄能,浅部断层带岩体超前深部断层带岩体发生活化;③对于下盘开采,随着工作面推进,浅部断层带岩体剪应力和正应力逐渐增加,深部断层带岩体剪应力与正应力逐渐减小,工作面推进长度较小时,断层即活化;④工作面推进过程中,下盘开采断层带岩体剪应力与正应力的比值为上盘开采的3～5倍;⑤上盘开采断层活化时仅在断层露头处地表产生轻微裂隙,未形成明显台阶,下盘开采断层活化将在断...     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

基于应力波理论的断层对覆岩移动变形和应力传递阻隔效应研究

为了研究断层对开采沉陷影响机制，将工作面开采对覆岩的扰动视为应力波在岩层介质中的传递，建立了应力波在软弱岩层和坚硬岩层间双向传递的应力表达式。采用理论和数值计算分析了软弱岩层介质对应力波传递的影响，揭示了断层对覆岩移动变形和应力传递阻隔机制并通过相似模拟进行验证，最后利用数值计算分析了不同断层特征参数对覆岩移动变形阻隔作用的影响程度。结果表明：工作面开采产生的应力波波速越大，采动对覆岩的扰动越大|断层带岩体作为破碎带存在，应力波在断层带岩体多重反射作用下穿过断层带后波速下降明显，开采盘与非开采盘应力波最大波速之比为4.68～35.61，断层对采动应力传递具有阻隔效应，覆岩移动变形主要发生在开采盘|由于应力波穿越断层后在浅部波速衰减小于深部，浅部断层带岩体先于深部断层带岩体发生非连续变形|断层特征参数对覆岩移动变形传递阻隔作用排序为断层带宽度＞断层落差＞断层倾角＞断层带岩体内摩擦角＞断层带岩体黏聚力。     

下向分层进路充填采矿法中预留阶段顶柱力学行为分析

基于下向分层进路充填采矿法,针对下分层开采或回采过程中遇到开挖进路帮部一侧为胶结充填体、另一侧为矿体的情况,将胶结充填体假设为弹簧支撑件,把采场预留顶柱简化为平面问题的“固定端超静定悬臂梁”力学模型,并将半逆解法引入预留顶柱力学分析中,推导出均布荷载下“固定端超静定悬臂梁”应力分量,揭示了顶柱稳定性的主要影响应力为水平拉应力σ_x和剪应力τ_xy。理论分析表明:影响σ_x和τ_xy分布变化的主要因素,既包括采场结构参数顶柱厚度和跨度,也包括了充填参数充填体弹性模量。以某铁矿为例,采用控制变量法研究了顶柱在不同采场结构参数和充填参数条件下σ_x和τ_xy的变化规律,结果表明,当顶柱厚度不小于5 m、跨度选取5~7 m、胶结充填体强度1~3 MPa时可有效减小顶柱上部的水平拉应力和剪应力,避免了顶柱处于悬臂梁状态和顶柱下部出现较大拉应力。     

采场前方应力分布参数的分析与模拟计算

从微观岩体力学模型入手,分析了采场前方应力集中峰位置分布计算公式中的煤体强度a₀,应力集中系数k和摩擦因素f_s等3个关键参数,指出它们是随着工作面推进而动态变化的参数;确定了公式中a₀在不同区段的取值(如破坏区、塑性区和弹性区依次取值为σ*_c,σ_c和σ_c)和计算公式,指出σ*_c,σ_c和σ_c等3个值之间存在过渡数值.在此基础上,进行了相关模拟计算和对比分析,结果显示,工作面推进过程中出现的破碎区宽度大于塑性区宽度.     

采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究

以义马矿区的F16大型逆冲断层为背景,结合断层影响下5个矿井的地质钻探和井下揭露情况搭建相似模型,在考虑断层面的分形特征和断层面两侧覆岩赋存特征的基础上,综合运用声发射监测、采场覆岩位移和采场应力监测系统,研究采动影响下断层"活化"前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征。研究表明:受逆冲断层南北两侧地层覆岩结构复杂和构造运动影响,断层"活化"前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应明显不同。断层"活化"前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板应力基本不受采动应力影响,声发射信号较弱。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值,声发射的总事件数和能率发生突变增加。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动,产生大量声发射信号。     

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。     

基于BP神经网络的底板破坏深度预测

在总结采场底板破坏深度预测方法和理论的基础上,结合大量实际资料分析,归纳出开采深度、煤层倾角、开采厚度、工作面长度、底板抗破坏能力和有无切穿型断层或破碎带6个方面是影响底板破坏深度的主要因素.根据全国典型突水案例,构建基于BP神经网络的底板破坏深度的预测模型,确定建立BP神经网络所需的输入样本和检验样本,运用Matlab软件对网络进行训练,得出了优化的网络模型,并根据建立的网络模型预测肥城煤田曹庄井田8812和9604工作面的底板破坏深度.通过与实测结果对比,证明该网络模型的计算结果比相关规程提供的底板破坏深度经验公式计算的结果更接近实际.