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。     

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。     

上覆煤柱影响下工作面应力场分布变化规律

为了研究近距离煤层群下行开采过程中,下煤层工作面受到上覆煤柱影响形成高应力区后,导致顶板垮落、冲击地压、煤壁片帮、瓦斯爆炸等煤矿灾害的发生问题,本文运用FLAC~(3D)软件,分别对厚度为1m、2m、3m、5m的上覆煤柱作用下位煤层开采前及开采过程中顶板应力分布动态变化规律进行数值模拟与分析。研究表明:①在下煤层未开采前,上覆煤柱会使下煤层处于应力集中状态;当煤柱厚度增加时,下煤层顶板支承应力场峰值、应力集中系数和应力集中区域范围逐渐减小,支承应力场峰值始终处于煤柱中心线附近。②随着工作面推进距离的增加,采区前方应力集中区域范围逐渐减小,支承应力场峰值及集中系数先增大后减小;在工作面推进过程中,煤柱厚度越小,工作面前方顶板支承应力峰值、集中系数和集中范围越大,应力集中区域与工作面的距离越小,越应注意防止冒顶、顶板破碎等矿井灾害事故的发生。     

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。     

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。     

厚煤层不同尺寸护巷煤柱的支承应力研究

为了给现场开采中选择合理护巷煤柱宽度提供理论依据,通过FLAC3D数值软件对不同尺寸护巷煤柱内的支承应力进行模拟分析。研究表明:当采用小煤柱护巷时,煤柱被压酥,不会产生弹性核,能够有效降低煤柱的冲击危险性;当煤柱尺寸逐步增大时,煤柱内的支承应力峰值先由小变大,当采空区与巷道侧向支承应力峰值叠加时,煤柱内的支承应力达到峰值,支承应力曲线呈现"单峰状",此时煤柱冲击危险性最大;随着煤柱宽度进一步增加,煤柱内的支承应力峰值开始减小,支承应力曲线逐步向"马鞍形"转变。     

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。     

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。     

采高对断层煤柱支承应力及断层活化规律影响研究

采用FLAC~(3D)数值软件,建立下盘向正断层开采数值模型,研究了不同采高条件下,断层煤柱内的支承应力演化特征和断层活化失稳规律。研究表明,采高对断层煤柱内的支承应力及断层面上的剪切应力和法向应力比值影响显著,随采高增大,断层保护煤柱发生塑性失稳时的煤柱尺寸明显增大,且断层活化失稳的时间越早。相同条件,采高增大时,为防止煤柱失稳和断层活化而留设的保护煤柱尺寸需相应增加,断层附近开采时工作面和回采巷道需加强支护强度。     

煤柱承载、分区及接续工作面基本顶力学模型与计算分析

 论文基于煤柱的承载、分区及其对接续工作面基本顶板的支撑特点展开研究。利用极限平衡理论和克希霍夫定律的基础上,首先给出一侧采空实体煤内支承应力的表达式,结合岩石的全应力-应变曲线对实体煤各区域的划分给出确定准则,并考虑双侧采动条件下留设煤柱尺寸内部存在分区的情况。为了进一步分析不同尺寸煤柱接续工作面支承压力分布规律,采用FLAC3D对5m、20m以及80m护巷煤柱的稳定性及相应接续工作面支承应力分布情况进行计算分析,研究结论表明,接续工作面开采时,5m护巷煤柱完全破坏,接续工作面支承应力峰值点偏向采空区一侧;20m护巷煤柱中部存在弹性区,但处于高应力状态,接续工作面支承应力峰值点偏离采空区;80m护巷煤柱中部仍保持原岩应力状态,接续工作面支承压力分布规律与首采区相同,即中部出现峰值,向两侧呈对称式衰减。因此,最终的研究结果表明,计算接续工作面支承应力分布时,不能忽视与相邻工作面采空区之间所留设的煤柱尺寸因素。     

正断层对顶板变形规律及冲击地压的影响分析

以常村煤矿25采区为工程背景,采区内有Fj239、Fj214和Fj245这3个正断层,断层落差小于2 m,倾角约为45°,从上盘垂直断层向下盘推进开采,通过数值模拟方法对采场顶板稳定性及冲击地压进行了研究。结果显示:随着工作面逐步推进,当不经过断层时直接顶及上覆岩层以拱形上移式塌陷,经过断层时直接承顶及上覆岩层沿结构面方向沉降变形;开采过程中能量容易集中在顶板断层及工作面处,断层越密集能量集中程度越高;工作面距断层越近工作面前方的超前支承压力峰值越大,且峰值位置有向工作面靠近的趋势。     

断层下盘一侧采空工作面采动应力分布及其演化规律

以赵楼煤矿断层下盘一侧采空的11303(东)工作面地质条件为背景,采用FLAC~(3D)软件模拟分析了断层下盘工作面背向断层推进时,断层煤柱应力、工作面中部及采空侧端头超前支承应力演化规律。研究表明:工作面推进小于120 m时,断层煤柱应力集中程度逐渐增大,随工作面继续推进,断层煤柱集中应力变化不大。工作面推进小于80 m时,工作面中部超前支承应力峰值逐渐增大,而超过80 m后应力峰值变化不大。工作面采空侧端头受采动及相邻采空区影响,超前支承应力远大于实体煤侧,且在推进170 m时支承应力峰值达到最大。     

断层下盘留煤柱开采数值模拟

为研究工作面开采和断层之间的相互影响,利用FLAC3D软件模拟煤层开挖对断层的影响,模拟有断层和无断层存在2种情况下采场矿压分布规律。研究表明:对于煤柱支承压力,在断层附近急剧减小然后逐渐增大,远离断层时,支承压力恢复正常分布规律。断层的存在加剧顶板下沉。利用应力判别法,确定导水裂隙带高度,从而确定合理的断层煤柱留设尺寸。     

近距离房采煤柱下回采巷道失稳机理数值模拟研究

近距离房采煤柱下长壁开采将受到工作面顶板动压和上覆煤柱集中应力的共同影响,导致工作面剧烈来压从而引发回采巷道失稳事故。针对神东矿区大柳塔矿22202工作面潜在的巷道失稳事故问题,采用数值模拟研究了房采煤柱下长壁开采顶板的应力演化及运动规律,分析了回采巷道围岩的应力和变形特征。研究结果表明,工作面进入房采煤柱下方后,支承应力峰值点超前工作面距离会显著减小,造成超前支承峰值和工作面的顶板力叠加,在顶板来压和叠加应力共同作用下将引发巷道失稳事故;在房采煤柱采空区边缘前后20m范围内顶板运动和应力分布不稳定,巷道失稳事故发生的规律性差;远离采空区边缘60m后,顶板来压周期性明显,巷道失稳事故会周期性地发生。     

断层倾角对上盘工作面冲击危险性影响分析

以红岭煤矿沿F505正断层走向布置的上盘工作面为背景,采用数值模拟软件FLAC3D,研究了在断层倾角不同的情况下,上盘工作面开采采动应力及断层滑移规律。结果表明,断层倾角越大,断层煤柱及断层侧工作面超前支承压力集中程度越高,采动空间冲击危险性越高;断层滑移量与煤柱应力峰值变化趋势相同,均随着断层倾角的增加而增加,由于上覆岩层跨落角与断层倾向相反,断层对顶板活动的影响较小,而且断层倾角越小煤层顶板越不易受到断层影响。     

正断层下盘工作面煤柱尺寸效应及冲击危险性分析

为了研究工作面沿断层走向布置,不同煤柱宽度条件下采动空间的冲击危险性。采用FLAC3D数值模拟的方法,研究了不同宽度断层煤柱应力及其稳定性、正断层活化及弹性能密度空间分布。结果表明:正断层下盘工作面开采当断层煤柱尺寸较小时,采空区断层煤柱发生塑性破坏,断层滑移范围从基本顶位置处延伸至高位岩层断层面处,断层滑移量大,采动应力集中及弹性能聚集区域位于断层侧工作面前方;当断层煤柱尺寸较大时,煤柱能有效控制基本顶位置处断层滑移,仅高位岩层处断层发生少量滑移,断层侧工作面前方采动应力集中程度与弹性能密度明显降低。因此在确定断层煤柱尺寸时,应避免断层煤柱发生塑性破坏。     

近断层工作面冲击地压危险性数值模拟研究

以大兴煤矿北二700工作面为工程背景,采用RFPA数值模拟软件对断层附近工作面冲击危险性进行研究。结果表明,受断层构造应力的影响,断层煤柱的应力分布呈"双驼峰"型,当工作面距离断层小于40 m时,工作面超前支承应力与断层应力叠加,断层煤柱应力上升明显,且煤柱应力随着煤柱宽度的减小逐渐增加;与煤柱应力变化规律相似,声发射事件数同样随着煤柱宽度的减小逐渐增加,因此在工作面回采过程中当煤柱宽度小于40 m时,应加强断层煤柱区域的冲击地压监测与防治工作。     

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。     

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。     

近距离房采煤柱下长壁工作面压架机理

针对神东矿区大柳塔矿22202工作面可能存在顶板剧烈来压和压架事故等问题,采用理论分析和数值模拟方法研究长壁开采应力演化规律及压架机理。结果表明,工作面进入房采煤柱下方后,支承应力峰值点超前工作面距离会显著减小,造成顶板应力和超前支承峰值应力叠加,使应力集中更加明显。当工作面处于煤柱正下方时,如果顶板来压,在集中应力共同作用下将引发压架事故;在房采煤柱采空区边缘顶板运动不稳定,压架发生的规律性差;远离采空区边缘后,顶板来压的周期性明显,压架事故将会周期性地发生。