断层构造区应力对煤与瓦斯突出的影响

针对河南能化集团九里山矿断层构造区煤与瓦斯突出频发的现状,对九里山井田断层构造区应力状态分布特征进行了研究,并分析构造应力对煤与瓦斯突出的影响。在九里山井田不同埋深布置测点,利用应力解除法对其地应力场进行现场测量,找出九里山井田不同水平的地应力方位和量值;以井田内大中层断层为框架,建立了三维地质模型,结合地应力实测值,利用FLAC3D软件进行三维数值模拟,对井田区域应力场特别是断层构造带附近应力分布特征进行分析,并在此基础上划分出井田应力增高区,应力降低区和应力梯度区;将应力区域划分结果与煤与瓦斯突出区域相对比,分析断层区应力分布与煤与瓦斯突出的关系,为该矿煤与瓦斯突出防治提供参考依据。     

低渗透断层煤与瓦斯突出的数值模拟

低渗透断层突出是矿井突出的主要方式之一,利用岩石破裂过程分析RFPA-2D系统对采掘中低渗透断层煤与瓦斯突出进行了数值模拟。结果表明:采掘工程扰动致使采掘影响带煤层、顶底板发生应力、应变、形成裂隙和瓦斯解吸运移,在低渗透断层两盘间形成瓦斯压力差,当瓦斯压力差值突破断层面力学强度时突出发生。研究结果对低渗透断层突出机理认识和防治提供理论和技术支撑。     

正断层附近煤的物理力学性质变化及其对矿压分布的影响

通过对正断层附近煤层显微裂隙、孔隙观测,力学性质实验和数值模拟分析,系统地揭示了正断层对煤的物理力学性质和矿压分布的影响。研究表明,正断层带附近煤岩体破碎,煤（岩）体中裂隙的发育程度随距断层面距离的变小而增强,煤岩力学强度越靠近断层越低;且裂隙的力学性质向断层面方向由张性向张扭、压扭性再到张性转化;断层导致初始应力场的挠动,局部产生附加应力。在采动影响下断层“活化”,随着距断层面距离的减小,工作面前方煤（岩）体中支承压力均明显增大,支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移,在回采工作面煤壁和其前方断层之间煤柱之上压力分布类似于小的残留煤柱的情况,煤柱愈窄,压力峰值愈高,煤的抗压强度是残留煤柱承压作用的极限。     

不连续煤体断层附近应力分布规律研究

为研究断层附近应力分布规律,防止断层附近应力异常区域对采掘活动的影响,以天安矿业集团星村煤矿3307工作面为例,对微震监测系统取得的数据进行分析,同时运用理论分析、数值模拟、现场实测等手段,得出了对应工况下的不连续煤体断层附近应力分布规律。研究发现,断层上盘应力明显高于断层下盘应力,且应力异常区域主要集中在断层附近80m范围内;同时,关键层位的确定与处理对于冲击地压的防治尤为重要,工作面需针对不同的推采形式及工作面布置方式,制定相应的防范措施。     

巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制

为了揭示巨厚坚硬顶板条件下断层诱发冲击地压的前兆特征及诱冲机制,基于义马跃进煤矿25110工作面为研究对象,对某段时间内冲击现象的发生规律进行了归纳分析,针对断层诱发冲击地压的典型案例,结合微震监测数据,分析了冲击地压发生前的微震能量与频次及微震活动的时空规律,并采用数值模拟研究了采动影响下断层带附近应力场的分布特征,从地质构造、微震活动、应力场3个方面讨论了该工作面冲击地压发生的原因及机制。研究表明:巨厚坚硬顶板被F16逆断层及两正断层切割,易造成顶板大面积运动,为冲击地压的发生提供了动载条件;工作面发生冲击前微震能量与频次下降,断层带附近区域微震活动减少,有明显"缺震"现象,为冲击地压的发生积聚了能量;受采动、断层及相邻工作面采空区影响,25110工作面形成了高强度支承压力,断层带至下巷附近应力高度集中,尤其下巷底板存在较高的水平应力,为冲击地压的发生提供了力源条件。     

逆冲断层周围地应力分布数值模拟研究

采用FLAC3D数值模拟软件,以义马煤矿25110工作面为原型,对逆冲断层周围地应力分布进行数值模拟,分析了断层剖面、断层下盘剖面与煤层截面相交处、沿煤层倾向方向剖面的地应力分布,得出断层的存在使得上下盘的应力出现了不连续,岩层与煤层不同的物理力学性质在高应力下也表现出了不同的受力状态,最大主应力、最小主应力分布分别与z方向应力、水平x方向应力基本一致,为有冲击矿压危险的煤层进行防突优化设计提供了依据。     

煤岩正断层处的力学分析与数值模拟

煤层开采经常遇到断层情况,本文就煤岩正断层处进行力学分析和ANSYS数值模拟,认为断层处应力值仅与断层处的载荷集度及断层倾角有关,数值分析结果与理论分析基本一致,可供顶板破断支护提供参考。     

不同倾角正断层附近应力分布规律数值模拟研究

查明不同倾角正断层附近应力分布规律对瓦斯分布规律预测、煤与瓦斯突出预测具有重要的参考价值。以鹤壁四矿31052采煤工作面内不同倾角正断层参数为基础,结合实验室岩石力学测试,构建了正断层地质模型;借助ANSYS有限元模拟软件对不同倾角(30、45、60°)正断层附近的应力分布进行模拟。结果表明:煤厚7.5 m、断层垂向高度50 m、断层倾角45°时,断层端部的应力集中程度最高,断层附近煤岩体破碎严重;工作面前方距断层40 m左右范围应力"释放区、集中区、正常区"三区界限较明显。断层长度、煤厚取值不同时,断层端部应力集中程度会发生变化。煤厚和工作面距断层距离对断层附近横向上应力变化有重要影响,断层垂向高度和断层倾角对断层附近纵向上应力变化有重要影响。     

布尔台煤矿掘进工作面过断层巷道支护技术研究

针对煤矿掘进面过断层期间支护困难、巷道冒落可能性大的问题，对掘进工作面过断层围岩变形机理及控制技术研究进行了研究。通过理论研究对正断层附近的应力环境进行分析，并通过数值模拟对过断层巷道及正常巷道在不同支护方案条件下的应力、位移状况进行对比研究，最终给出了掘进面过断层的支护方案，并应用到布尔台煤矿的工程实践中。研究结果表明：采用“锚杆+锚索”支护方案来加强支护强度及新增角锚杆可以实现对过断层掘进工作面围岩的有效控制。     

潞新矿区构造应力场实测与反演分析

采用小孔径水压致裂法对潞新矿区进行了地应力实测,表明矿区属于构造应力场类型,主应力大小和方向受断层影响较大。运用ANSYS和FLAC~(3D),对构造应力场进行数值反演,显示断层附近的应力量值的变化复杂,端部出现较大的应力集中。多断层对岩体应力状态的影响更为复杂,断层间的相互作用会使应力叠加,增大应力集中的范围和强度。实测和数值反演相结合是构建矿区应力场的有效方法。     

小断层两盘瓦斯地质特征及防突措施强化研究

煤层小断层是影响煤与瓦斯突出的重要因素,采用现场实测与理论分析相结合的方法,对小断层两盘瓦斯地质特征及强化防突措施进行了研究。研究结果表明,断层两盘地应力、煤层瓦斯和煤的物理力学性质均是变化的,而且上盘影响范围和幅度也大于下盘,断层两盘瓦斯地质特征受断层成因控制,距小断层一定距离处发生煤与瓦斯突出的危险性最大,可以通过加密抽采钻孔或增大卸煤量的强化防突措施进行消突。     

构造区域应力场与煤与瓦斯突出区域预测

以地质动力区划方法划分的Ⅴ级活动断裂为构造格架,结合地应力测量,进行区域构造应力场数值模拟,从而确定区域岩体应力分布规律。结果表明:煤矿区域原岩应力分布状态主要受断裂构造的支配,断裂构造的叠加扰动使原岩应力场重新分布,从而在时间和空间上制约着煤与瓦斯突出的区域性分布。并对矿井开采所引起的煤与瓦斯突出危险性作出评估和预测,拓宽了煤与瓦斯突出预测途径。     

深部开采逆断层对冲击地压的诱导机制

基于逆断层形成机制,理论分析了逆断层周围的地应力环境,并以义马F16逆冲断层为工程背景,建立了其圆弧形态断层面的简化力学模型,得到了临近断层带两盘一定范围的应力分布特征;通过相似模拟实验观测了断层活化-失稳阶段对工作面冲击的物理过程,研究了冲击前后断层滑移与煤层应力变化规律;应用三维精细化数值模拟技术并结合现场实践,分析了临近F16逆冲断层典型冲击地压案例,揭示其发生的受力特征。综上研究表明:当上覆坚硬岩层阻挡软弱煤岩体沿断层面向上逆冲滑动时,临近断层带的坚硬煤岩体会产生应力集中,并在断层两盘一定范围内出现应力升高;临近断层回采过程中煤体所受的超前支承压力、断层支承压力、两盘失稳滑落对煤体冲击以及断层突然失稳破坏所产生的高能应力波会随着工作面与断层距离不同而产生不同的作用效果,按其一种或几种的叠加作用效果将逆断层诱发的冲击地压分为构造应力模式、断层活化模式与断层失稳滑动模式。从逆断层带地应力环境、采动影响下临近断层煤体受力特征与采动影响下断层活化-失稳滑动对工作面动载冲击效应方面,系统地揭示了逆断层对冲击地压的诱导机制,为逆断层诱发的冲击地压预警与防治提供参考。     

阜新盆地构造应力场演化对煤与瓦斯突出的控制

阜新盆地是中燕山期(J₃-K₁)断陷盆地.盆地内断裂构造主要有北北东、北东、北西西、北北西和近南北向.盆地内主要褶皱构造呈北东向雁列式排列.位于盆地内的阜新矿区煤与瓦斯突出灾害频繁发生.研究认为,构造应力场多期演化使得大多数断裂历经了多期活动,对应不同的力学性质和位移方式.构造应力场的多期演化对局部构造应力、构造煤和瓦斯赋存的分布具有重要影响.在现今北西西向构造应力场作用下,盆地内北北东向、南北向和近南北向构造由于受垂直走向的挤压应力作用,形成应力集中带,渗透率降低,瓦斯保存较好,成为动力灾害多发地带;而北西西向构造相对受拉张应力作用,瓦斯易于逸散,动力灾害程度相对较低.北东向、北西向构造发生动力灾害的危险程度介于二者之间.     

煤与瓦斯突出多物理场分布特征的数值模拟研究

为揭示煤与瓦斯突出过程煤体多物理场耦合灾变机制,在含瓦斯煤气固耦合方程基础上,利用COMSOL软件中的固体力学与PDE模块,模拟了突出前后煤体应力场、变形场、气体流动场分布规律.与前期开展的突出物理模拟试验结果进行对比验证,证实了数值分析方法的可行性.模拟结果表明:突出后孔洞壁附近煤体发生塑性变形,导致此处煤体渗透率增...     

构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应

为揭示地质构造区域石门揭煤诱导突出的机理,运用自行研发的大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统,对石门揭露断层构造带煤层的过程进行了相似模拟,同步采集分析了突出全过程的应力变化规律及揭煤过程的声发射响应规律,并对构造带揭煤突出过程的能量耦合跃迁失稳过程进行了理论分析。结果表明:在构造带掘进巷道的推进过程中,巷道上方的岩层和煤层均会经历应力增大和减小的过程,但构造区域煤层的应力集中系数大于岩层区域,呈现较强的应力敏感性;在开挖时和突出的过程中,声发射信号能较好地反映煤岩动态变化;在巷道掘进过程中,构造区域煤层不断积聚弹性能和瓦斯内能,并相互耦合逐步达到能量的极限平衡状态,一旦揭煤扰动到该系统,就会引起能量的耦合跃迁失稳,从而诱发突出。     

基于梁模型的正断层应力分析与ANSYS数值仿真

煤层开采经常遇到断层,依据梁模型就煤岩正断层处进行应力分析和ANSYS数值模拟,认为断层处应力值仅与断层处的载荷集度及断层倾角有关,ANSYS数值分析结果与梁模型理论分析基本一致,可为顶板破断支护提供参考。     

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。