采动下断层岩体响应演化及顶板安全控制研究

为解决大庄煤矿3802综采工作面过大落差断层围岩控制难题,采用理论分析、数值模拟的方法,研究了采动下断层岩体活化响应力学机制,分析不同推进距离下断层两盘岩体的应力及变形演化规律。结果表明：断层结构与煤层开采之间相互作用是断层活化的力学关键,动静载荷在断层积聚形成了断层解锁活化的能量条件。顶板悬顶越长,两盘受力由受压转为受拉,断层岩体裂缝发育贯通并沿断层面张开。提出直接通过时上下盘围岩分区域控制原则和调整回采参数、加强支护和破碎区注浆为主的控制技术,工作面安全通过了断层区,取得了显著经济效益。     

采动影响下断层面应力与滑移特征研究

为了研究工作面开采结束后断层面的应力与滑移特征,以峰峰矿区某矿实际地质条件为背景,通过理论计算和数值模拟的方法,建立了断层面应力和滑移力学模型,得到了采动影响下的断层滑移力学判据及断层滑移的主要影响因素,研究了工作面推进结束后的断层面应力特征和断层滑移情况并进行了实例验证。研究结果表明:开采造成断层面正应力和剪应力的变化是断层滑移的主要影响因素;断层面岩性参数相近时,断层面正应力和剪应力与至断层露头的垂直距离近似呈线性关系,并且正应力变化幅度远大于剪应力变化幅度,正应力增加速率为剪应力增加速率的19倍左右;煤层开采后,距离断层露头较近的断层面岩体有向下滑移趋势,距离断层露头较远的断层面岩体有向上滑移趋势。     

采动影响下煤岩体锚固效果研究与应用

以大同煤矿集团晋华宫矿采动影响巷道为背景,采用FLAC3D有限差分软件,建立了采动影响下巷道煤岩体开挖支护模型。对比分析了煤岩体中锚固巷道开挖过程中的变形特征,得出锚杆在煤体中的锚固效果明显弱于岩体中的锚固效果,煤体中采用三维锚杆索联合支护时锚固效果会明显提升。     

采动条件下顶板岩体结构对底板采动效应的影响研究

运用FLAC~(3D)分别建立了硬-软-硬、软-硬-软、均质硬岩和均质软岩4种顶板结构的数值计算模型,获得不同顶板结构对底板变形破坏特征的影响特征。研究结果分析表明:均质硬岩顶板类型的底板破坏深度最小,底板应力变化较平缓;软-硬-软和硬-软-硬顶板组合的底板破坏程度略大于前者;而均质软岩顶板组合的底板内易形成高应力区,位移变化最小。     

采动影响下断层带巷道变形机理与控制技术研究

针对断层带附近巷道围岩破碎、受构造应力作用明显、变形量大、维护困难等特点,以S2205工作面回风巷为工程背景,采用理论分析和数值计算,分析了与正断层走向平行的回采巷道在掘进和回采期间的围岩应力演化规律。采用高强让压锚杆支护浅部围岩,实现高阻让压支护,并采用注浆加固技术,提高了巷道围岩的整体承载能力。     

采动影响下的断层活化数值模拟

为了研究采动影响下断层的活化规律,利用软件RFPA对井田断层F11进行了模拟。模拟过程显示,随着工作面的推进,煤壁附近出现应力集中,2个约束端受力最大,最容易发生破坏。当向前推进到90 m时断层开始发生活化,导水裂隙带发育高度35~50 m。     

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。     

近断层采动影响下巷道支护技术

为解决刘一煤矿DF27断层附近II66采区回风下山采动影响下的支护难题,利用FLAC2D数值模型,分析近断层采动影响下巷道围岩变形规律及其稳定性影响因素,并提出高强锚网索支护技术。研究结果表明:工作面距离巷道约80 m时,采动应力扰动开始对巷道产生影响,随着工作面不断靠近断层,采动应力对巷道影响加剧,巷道围岩变形速度明显增大。采动应力活化断层以后,断层附近出现明显的非对称性应力场,使巷道围岩发生强烈的不均匀变形。巷道最大不均匀变形系数为4.6,出现在巷道帮部靠近断层一侧。     

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。     

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。     

采动影响下断层附近矿压规律相似模拟研究

为了研究采动动压影响下断层面附近的矿压规律,根据朝阳煤矿3101东工作面地质资料和开采技术条件,在几何比为1∶100的条件下制作了3m×0.3m×1.8m的相似模拟材料,布设位移基点和压力传感器进行相似模拟研究。实验结果表明:工作面由下盘向上盘推进过程中,直接顶的周期突变失稳步距为30m,基本顶的垮落周期为60m,工作面超前支撑压力的影响范围为40 m,最大支撑压力值为45.1 MPa,应力集中系数为3.0,实验结果及过程对现场实际施工具有重要的指导意义。     

逆断层条件下特高压线塔采动影响变形规律研究

以河南郭沟煤矿大倾角逆断层正上方1000k V晋东南-南阳-荆门特高压线路为研究对象,采用数值模拟方法,对逆断层两侧煤层开采特高压线塔变形规律与岩层移动特征进行了研究。得出了逆断层上、下盘煤层不同开采顺序与塔基斜率和塔基中心下沉值的变化关系,揭示了上、下盘岩层的移动特征。研究结果可为类似条件下高压线塔下采煤提供参考。     

底板承压水作用下断层破碎带岩体冲蚀-渗流灾变规律研究

针对断层突水问题,将研究对象细分为固体、充填物颗粒以及流体3部分,建立了考虑冲蚀作用的断层突水的流固耦合数学模型。以此为基础,利用COMSOL Multiphysics软件将理论模型数值化,数值模拟研究了断层充填物颗粒运移流失及渗透性演化规律。研究结果表明：底板承压水作用下断层冲蚀突水过程可以划分为两个主要阶段,在缓慢渗流阶段,断层的裂隙开度和涌水量缓慢增加;在渗流突变阶段,裂隙开度和涌水量急剧增加。在冲蚀作用下,随着断层内部可冲蚀颗粒的液化、迁移和流失,流体中充填物颗粒体积分数呈现先增大后减小的趋势。在承压水冲蚀作用下,部分裂隙不断扩张和贯通并发展成为数条优势导水通道,最终造成了断层涌水量的急剧增大和突水事故的发生。研究结果对于揭示断层渗流灾变机理并指导其突水防治具有重要理论意义。     

基于Double-Yield模型下采动影响对煤岩体应力影响机理研究

采用Mohr-Coulomb本构模型模拟其他岩层,采用Double-Yield模型模拟采空区,通过Salamon公式确定充填材料的应力应变关系曲线,并且通过对单元体进行加载得出曲线与其进行拟合得出充填材料的参数。同时对比采空区采用Null模型和Double-Yield模型在垂直应力,塑性区,以及模型底板的应力记录曲线的不同。得出采用Double-Yield模型能较真实反应矿井采空区垮落的真实情况。     

含断层底板采动效应数值分析——断层倾角对采动效应的影响

根据煤层底板地质特征,建立了含断层底板岩体工程地质力学模型,并运用连续介质快速拉格朗日元法对底板采动效应进行了数值模拟。结果表明:在相同的地质和采矿条件下,断层倾角对底板采动效应有较大影响,当工作面推进至断层时,断层倾角越小,底板采动破坏深度越大,且底板卸荷范围较大;当工作面推过断层,底板卸荷深度随断层倾角增大而增加,底板变形破坏深度也加大;断层存在活化现象。揭示了采场底板断层突水的机制。     

采动影响下逆断层阶段性活化诱冲机制

为了探明采动影响下逆断层诱冲机制,结合现场数据、理论推导以及数值模拟方法,综合分析了采动影响下逆断层活化过程,从动静载扰动的角度进一步分析了采动影响下逆断层诱冲机制。采动影响下逆断层活化为阶段性过程,通过滑移倾向性指标T_s以及滑移量的分析可以将该过程分为3个不同的阶段。研究表明:逆断层高位区域T_s值及滑移量较大,为断层面活化过程中的危险区域,且断层面活化危险程度受断层倾角以及工作面到断层距离l的影响。逆断层的存在改变了井下开采结构,造成了工作面应力状态的改变,且逆断层阶段性活化过程中会不同程度的释放能量。数值模拟结果表明:采动影响下逆断层诱冲机制主要由动静载2方面引起:静载扰动方面,逆断层倾角的减小会造成工作面超前支承压力集中系数的增大,加大了冲击地压危险性;另一方面,逆断层阶段性活化过程中释放的能量以动载的方式对工作面造成冲击,该能量可以用地震矩M₀来表征。M₀与工作面到断层距离l之间存在指数相关性,该相关性中的p,q值可以用来表征工作面在回采过程中逆断层能量积累程度。p值反映开采后期断层面能量积...     

采动影响下断层活化过程的数值模拟分析

在RFPA2D-FLOW软件基础上,利用倾角30°、60°的断层力学模型,分别对宁东煤田2#煤采掘工作面的开挖过程进行了数值模拟,模拟出断层及断层两盘岩体受力和破坏的动态变化,分析出2#煤顶、底板岩层及断层在断层活化过程中应力特征和破坏状态的变化规律。     

高耸构筑物采动损害与保护技术研究现状与展望

我国一些矿区面临着高耸构筑物下压煤技术难题。矿区高耸构筑物具有高度大、横断面小、重心高、支撑基础底面积小等特点,作为一种特殊的构筑物,其对地下开采引起的地表移动变形较敏感。在分析了高耸构筑物自身特性及其采动变形特征基础上,从采动变形理论、数值模拟、变形监测技术、保护技术等4个方面总结分析了高耸构筑物采动损害与保护技术的研究发展历程,包括高耸构筑物与地基、基础协同变形理论、工作面开采对高耸构筑物变形影响数值（物理）模拟分析、实时高效精准监测技术、地基精准注浆加固技术、基础抗变形改造技术、高耸构筑物动态调斜技术、源头减损技术等;并展望了高耸构筑物采动损害与保护技术的4个发展方向：地表移动变形多指标作用下高耸构筑物采动变形规律,采动地表沉陷规律与高耸构筑物变形传导机理,高耸构筑物实时高效精准变形监测技术,高耸构筑物精准保护技术,以便形成地表高耸构筑物“变形小-监测精-保护准”的综合理论与技术体系,为高耸构筑物下安全高效采煤提供理论和技术支撑。     

含断层构造采动底板岩体突水过程数值模拟

为确保承压水上煤层安全开采,从"下三带"理论入手,以实际工程为背景,基于FLAC3D数值软件,构建断层构造承压水上煤层开采模型,分析断层影响下底板破坏规律及突水路径,结果表明:随着工作面推进,在距断层一定范围内,煤层底板最大破坏深度为10 m,靠近断层时,受断层影响,煤壁前下方破坏深度增大至16m,并与断层破坏带导通形成突水通道;受采动影响,孔隙水压力沿着底板隔水层和断层均发生明显导升,其高度约6~8m不等,且流水矢量方向与底板突水通道路径一致;含30°、45°和60°断层工作面开采突水通道形成时,对应剩余临界水平煤柱长度分别为67m、37m和18 m,说明断层倾角越小,需要留设的保护煤柱越长,即在相同推进距离下,断层倾角越大越不易发生底板突水现象。该研究结果为矿井煤柱留设提供了科学依据,具有重要的实用价值。