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。     

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。     

不同推进方式下断层工作面围岩应力演化研究

基于正断层采用FLAC~(3D)研究了上下盘向断层不同推进方式开采下断层影响区工作面围岩应力演化规律,结果表明:上盘开采时工作面前方煤体垂直支撑应力峰值大于下盘工作面,不论是上盘向断层推进开采还是下盘向断层推进开采,随着工作面逐渐接近断层,断层前方煤体的垂直支撑应力先增大后减小,主要是因为煤柱较宽时能够承载工作面前方的垂直支撑应力叠加,但是当煤柱宽度减小到一定程度时,煤柱发生整体塑性破坏使得承载能力降低,同时随着工作面逐渐向断层推进,工作面端头两侧煤体的垂直支撑应力逐渐增大,成为主要承载区。     

近距离煤层群联合开采合理错距模拟分析

以晋北煤业3煤层和4-2煤层联合布置工作面为研究对象,通过对稳压区理论和减压区理论分析计算得到工作面合理错距分别为38.9～43.9 m、21.9～33.9 m。采用FLAC3D模拟不同错距垂直应力、垂直位移和应力参数变化,得到当上下煤层联合布置工作面错距范围超过40 m时,4002工作面处于8202工作面应力稳定区内,垂直应力、垂直位移和应力参数值都为最小值。     

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。     

急倾斜煤层工作面应力分布与破坏特征数值模拟

根据新铁煤矿49#下右六片急倾斜煤层走向长壁综采工作面煤岩赋存条件以及回采工作面采空区冒落矸石的充填特征,应用FLAC3D软件模拟在采空区中下部矸石自溜充填后工作面采动煤岩应力分布规律及顶底板破坏特征。研究结果表明:急倾斜煤层开采过后,工作面上下端部垂直应力集中系数最大,应力集中现象非常严重且在采空区后方距工作面煤壁15 m附近上下端部垂直应力达到最大值;在采空区后方随着距工作面煤壁距离的增加,剪切应力先减小,然后增加,最后趋于稳定,在采空区后方距工作面煤壁34～38 m区域剪切应力最小;工作面顶板塑性破坏剧烈,塑性破坏形式多样,工作面底板破坏较小,破坏形式简单,顶板上端部破坏高度小,顶板下端部破坏高度大。     

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。     

大采高综采工作面煤壁应力及稳定性研究

利用煤壁力学模型,分析工作面前方支承压力与煤层压缩角之间的关系,结合成庄矿4322工作面的实际情况,研究大采高综采工作面煤壁应力,计算得出煤壁上的应力为15.0 MPa,工作面前方支承压力峰值为22.6 MPa,煤壁极限平衡区宽度为16.4 m。利用数值模拟软件FLAC3D,求解工作面回采150 m后煤壁的应力,以验证理论计算结果,通过分析工作面中部和端头煤壁的塑性破环范围,研究4322工作面煤壁稳定性。结果表明:工作面两端头煤壁比中部煤壁容易发生片帮。根据工作面前方支承压力分布规律和煤壁前方塑性区范围,研究大采高综采工作面煤壁片帮机理,提出煤壁片帮防治措施。     

倾斜煤层工作面开采围岩的稳定性研究

针对某大型矿井开采倾斜煤层的特征和工作面开采的条件,利用数值计算手段,分析了工作面推进时围岩的应力场、位移场、破坏区分布特征.研究表明:最大铅垂应力分布在工作面前上方深部,最大水平应力分布也集中在工作面前上方深部；最大铅垂位移出现在控顶距的末段顶煤处,最大水平位移出现在工作面煤壁上；工作面前方煤壁形成了一定深度的破坏区,基本都属剪切破坏,通常顶煤的破坏深度略大于采高煤层.研究结果可指导工作面开采.     

正断层煤层开挖煤岩体的力学特性研究

为研究正断层煤层开挖煤岩体力学的特性,通过建立正断层附近煤层开挖时煤岩体的力学模型,运用FLAC3D数值计算并理论分析了上下盘开挖时煤岩体的力学特性。结果表明:水平位移、水平应力对煤层开挖顶端岩体的影响较小,地应力引起的竖向位移和开挖顶端相当应力是造成冒顶和开挖顶端岩体塌落的主要因素,当煤层中存在正断层时,从上盘开挖引起开挖顶端的相当应力和竖向位移比从下盘开挖引起的小,开挖区与断层距离越近,开挖顶端相当应力和竖向位移越大,相同条件下从上盘开挖较从下盘开挖更安全。因此,在工程实际中应尽量避免从下盘对煤层进行开挖,从而减小安全隐患。     

塔山矿8110工作面80m停采煤柱工程适用性研究

为解决塔山矿8110工作面80 m停采煤柱在含有断层构造条件下的工程适用性问题,模拟了停采煤柱中有无断层构造对工作面超前支撑应力分布特征、停采煤柱的稳定性以及大巷的变形情况的影响。结果表明受断层影响,工作面前方形成2个应力增高区,应力峰值系数分别为3.1、2.9,超前支撑应力在停采线前方73 m处降为原岩应力,距停采线52.4 m处煤柱整体位移量降为0 mm,大巷表面位移较小。利用围岩松动测试仪,对回风巷内停采煤柱侧的围岩松动范围进行实测,结果表明距回风大巷25 m距离内,煤壁松动范围降至2.5 m以内,采动影响下煤壁破坏不明显。对大巷进行表面位移监测,结果表明大巷顶底板最大位移量均值30.6 mm,两帮最大位移量均值17.2 mm。工程实践表明,8110工作面留设80 m停采煤柱取得了较好技术、经济效果。     

大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁稳定性的采厚效应

煤壁片帮是制约大倾角煤层大采高工作面安全高效开采的主要灾害之一,为分析采厚对煤壁稳定性的影响,综合采用数值计算、理论分析和现场实测的方法,研究了不同采厚条件下大倾角大采高工作面煤壁应力、位移分布特征,建立了煤壁垂向力学模型,确定了煤壁失稳临界条件,揭示了采厚变化对煤壁稳定性作用机理。研究表明:工作面煤壁垂直位移量远大于水平位移量,沿工作面倾向中下部区域煤壁水平位移量小于上部区域,下部区域煤壁垂直应力大于中上部区域。随着采厚增加,工作面前方煤体垂直应力不断向深部转移,应力峰值及其距煤壁距离增大,煤壁垂直应力值和垂直位移量不断减小,前方煤体垂直位移量增幅增大,煤壁水平位移量增加,且发生较大水平位移范围向深部延伸,发生煤壁片帮的机率增加。     

逆断层上下盘开采冲击危险性模拟及实验研究

为得出断层冲击地压发生的危险性,以耿村煤矿为背景,借助数值模拟、相似模拟实验等手段研究了逆断层上、下盘开采时应力变化及断层活化过程。建立数值模型,将工作面布置在上盘,研究了工作面开采时断层面不同位置应力及滑移量变化,得出了工作面距断层80～10m范围内的活化程度及冲击地压危险性;将工作面布置在下盘,研究了开采过程中断层面应力分布及变形量演化规律;借助相似模拟实验,研究了逆断层下盘开采时断层面位移变化及断层活化过程,通过对两种手段研究结果的对比分析,表明逆断层下盘开采时断层活化的危险性高于上盘开采,当工作面距断层10m时最易导致断层的活化并诱发冲击地压的发生,活化区域为煤层顶板以上20～30m范围。本研究为工作面开采过程冲击地压的防治提供了理论依据。     

近距离煤层上行开采围岩应力分布及覆岩移动规律

为了研究近距离煤层群上行开采对工作面围岩应力分布规律及覆岩破坏演化特征的影响,采用PHASE 2D有限元软件建立数值模型,分析了近距离煤层群上行开采过程中工作面煤壁塑性区发展规律、覆岩垂直位移、工作面前方支承应力分布规律。数值模拟结果显示,工作面煤壁塑性区呈现上部宽、下部窄的特征,随着工作面不断推进,煤壁塑性区宽度也随之增大,其中下层煤和上层煤工作面煤壁塑性区最大宽度分别为4.23 m、2.85 m;下层煤和上层煤覆岩最大竖向位移都发生在模型中部,最大竖向位移分别为28 mm、62 mm;支承压力呈现出先增大再减小、最后趋于稳定的发展趋势,支承压力系数峰值为1.59。研究结果表明,在上行开采实践中,当下层煤完成开采后,上层煤的围岩塑性区和位移均有所增大,覆岩稳定性降低。     

上覆煤层开采围岩变形规律研究

为了研究上覆煤层开采围岩变形规律,确保下伏煤层的安全开采,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了上覆煤层开采过程中煤岩体的垂直应力变化情况、煤层顶板垂直应力与工作面推进距离关系以及上覆煤层开采围岩变形特征。研究得出,随着上覆煤层的不断推进,工作面下伏煤层支撑应力呈“M”型分布;随着工作面的不断推进,下伏煤层应力形成应力恢复区、膨胀变形区和压缩区3个区。     

近距离煤层同采工作面顺槽合理位置的模拟研究

通过数值模拟对华苑煤业9#、10#近距离煤层上部煤层回采形成的侧向支承应力在底板煤岩层中的传递与分布规律及其对下部煤层应力分布的影响进行了研究。研究结果表明,下部煤层工作面顺槽为内错布置时,应布置在距上部煤层侧向煤壁水平距离25 m以外;下部煤层工作面顺槽为外错布置时,应布置在距上部煤层侧向煤壁水平距离15 m以外。     

倾斜煤层底板采动应力分布规律及破坏特征

为探究倾斜煤层采动底板应力分布规律,根据弹性力学中的半元限体理论推导建立了沿煤层倾斜方向底板应力求解力学模型,计算了倾斜煤层采动底板内任一点处的水平应力、剪应力大小。基于FLAC~(3D)数值仿真软件对陈四楼煤矿21110工作面回采动过程中底板的应力变化规律和破坏特征进行了数值模拟。研究表明:1)当工作面推进90 m时,煤壁下方底板垂直应力开始大于水平应力,采空区煤层下方30 m范围内底板岩层中水平应力大于垂直应力,采空区煤层下方10 m范围内水平应力的减小幅度远小于垂直应力的减小幅度;2)当工作面推进至工作面"见方"(推进距离与工作面宽度相等)期时,煤壁后方10 m处采空区底板垂直应力开始大于水平应力,并且其减小幅度小于水平应力的减小幅度;3)采用钻孔双端封堵测漏装置对21110工作面进行现场实测,测得底板最大破坏深度为16.2 m,与理论计算、数值模拟所得结果基本吻合。     

火区下近距离煤层安全开采合理错距研究

火区在煤层采动影响下可能通过裂隙影响下煤层安全开采,下煤层工作面应布置在上煤层采动减应力区。因此理论分析及UEDC数值计算研究下方煤层内错、外错10m条件下垂直应力、塑性区分布及垂直位移变化情况,从而确定工作面开切眼及停采线合理位置。研究结果表明,内错10m布置下煤层工作面,可显著降低下煤层围岩应力,有利于回采巷道维护及工作面安全高效开采。     

特厚煤层仰采综放工作面过断层应力分布与围岩控制

针对特厚煤层仰采综放工作面过断层时煤壁片帮及冒顶严重、围岩难以控制的问题,结合济宁二号煤矿10301工作面地质条件,采用理论分析的方法得出工作面过断层时要采取的合理措施,并通过数值模拟方法得出工作面过断层时的应力、塑性区演化规律。结果表明:仰采工作面过断层时超前15 m破底、下扎角为11°的方式推过F49断层最为合理;工作面推进至断层35 m时,超前支承应力峰值逐渐增大并向煤壁侧靠近,易造成煤壁片帮;与此同时,断层活化程度逐渐增强,基本顶超前垂直应力峰值增加,周期来压步距减小,顶板不易控制;当工作面推进至断层15 m时,工作面上方岩层塑性区开始逐渐导通断层,直至揭露断层时完全导通,研究结果提出了加强放煤控制、顶板管理措施,能确保10301工作面顺利通过断层。     

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。