采动条件下褶皱构造区不均匀应力场演化特征研究

褶皱作为地壳岩层运动形成的地质构造之一,其附近岩层分布较大的残余不均匀构造应力,是诱发煤矿冲击地压的主要因素。针对这一问题,以义马煤田千秋煤矿21221工作面为工程地质背景,建立了褶皱构造赋存条件下的数值模型,施加了不均匀构造应力,分析了工作面开采时褶皱构造区域应力场的演化特征,研究了采动影响下褶皱构造不同区域矿压显现规律。研究结果表明:褶皱构造的原岩应力场的分布具有明显的空间分布区域性,即垂直应力和水平应力在向斜和背斜轴部表现出不同的分区特性,向斜轴部处出现了应力集中。随着工作面推进过向斜和背斜,水平应力和垂直应力在采空区顶板和底板均形成了椭圆形卸压区,垂直应力卸压区演化沿褶皱向斜或背斜法线方向逐渐扩大,垂直应力在工作面超前区域出现了一定范围的应力集中,应力集中区远离轴部扩大;水平应力在工作面垂直方向上较远处区域出现了应力集中,应力集中区逐步向顶板和底板远处发育,水平应力在卸压区内顶板应力的释放程度要明显高于底板。在工作面过褶皱轴部和翼部阶段,工作面超前支承压力的峰值随开采距离的增加而增大,应力集中系数则先增大后减小。工作面自背斜轴部俯采时工作面前方支承压力较大,自向斜轴部仰采时较小。当工作面过褶皱轴部时,直接顶受压状态的应力集中程度逐渐减小,减小的过程伴随着能量释放激增的现象,此时极易诱发冲击地压。     

不同侧压偏角下导水断裂带发育规律模拟研究

以山东新河煤矿5302工作面为工程背景,运用FLAC~(3D)数值模拟的方法对不同侧压偏角(水平合应力与工作面推进方向间的夹角)下导水断裂带发育规律进行了研究。结果表明:侧压系数为0.5、1.0、1.5时,随侧压偏角增大,采场覆岩塑性区高度整体呈升高趋势,覆岩塑性区从拱形逐渐发育为不规则的马鞍形;侧压系数为2.0和2.5时,随侧压偏角增大,采场覆岩塑性区高度先减小后增大,覆岩塑性区由拱形逐渐发育为枕形;随侧压偏角增大,采场围岩在顶板上方都会形成不同程度的应力集中区,且应力集中区的范围会随着应力偏角的增大先减小后增大。     

构造应力型矿山顶板覆岩移动冒落响应特征研究

为了分析自然崩落法在覆岩整体性较好的构造应力型矿山应用的可行性,以龙桥铁矿为工程背景,借助数值计算、现场监测手段,重点对顶板岩层移动冒落力学响应机理进行研究。结果表明:构造应力促使离空区一定距离的顶板覆岩形成明显的应力集中区,并随空区跨度增大沿顶板覆岩向地表方位移动,同时伴有应力集中和应力释放的现象,构造应力成为破坏顶板覆岩完整性的动力源,增加顶板覆岩自然冒落的机率;空区的形成,使得空区相邻顶板覆岩为拉应力区,且随空区跨度增大沿倾向和纵向方位扩展,拉应力值呈平稳增加趋势,当跨度趋近临界跨度时,顶板覆岩拉应力值增大明显,预示着空区顶板呈现移动冒落现象;空区跨度继续增大时,覆岩拉应力值在保持平稳波动外,顶板覆岩遭受拉伸剪切破坏的范围在扩大,顶板岩层也在持续冒落。     

特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究

对于特厚煤层分层开采,掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。因此,为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特征,开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。首先基于采空区压实理论,获得了采空区垮落岩体的应力-应变关系,进而通过迭代反演确定了破碎岩体的岩体力学参数。在此基础上,通过数值模拟计算及分析,得到了煤层倾角变化对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律。结果表明:在采空区底板范围内,随着煤层倾角增大,采空区应力恢复"O"形圈不再以采空区中部走向线对称分布,而向倾向下部偏移。沿倾向,在采空区的上下两端,侧向应力集中系数均随煤层倾角增大而减小,但倾向上端侧向应力集中系数始终小于倾向下端侧向应力集中系数。沿走向,在工作面底板,超前支承应力集中系数随着煤层倾角增大而增大。最后,通过分析下伏煤层塑性破坏区的分布可知,工作面以及倾向上下端底板煤体内的塑性破坏深度均随着煤层倾角增大而增大,但倾向上端底板破坏深度始终小于倾向下端底板破坏深度;采空区底板最大塑性破坏深度所在位置逐渐远离采空区中部,向倾向下端偏移。     

新集二矿1煤组采场底板应力场分布及破坏特征研究

为了研究1煤组采场底板的应力场分布及变形破坏特征,基于新集二矿220108采煤工作面的实际工况,运用有限差分数值模拟软件FLAC构建二维数值模型,得到煤组采场底板应力场、位移及塑性破坏带的分布云图。结果表明:工作面开挖以后,在上覆岩层和下部承压水耦合作用下,底板形成一定范围的拉应力区,采空区两端产生剪应力集中区,底板发生底鼓变形,随着工作面的推进,拉应力区范围增大,剪应力集中区也不断向底板延伸,采空区底板垂直位移最大可达844.5 mm,可能会导致底板隔水层发生破坏;围岩的塑性破坏带最先出现在采空区两侧,随着工作面的推进,塑性破坏带范围逐渐增大并向底板扩展延伸,当工作面推进到100 m时,底板隔水层两端的塑性区相互融合,成为导水通道。     

超长综放工作面围岩应力分布规律

采用FLAC3D数值模拟对平朔井工一矿14106工作面矿压显现规律进行研究,得出沿工作面推进方向底板垂直应力集中,应力集中系数随着埋深的增加而逐渐减小,采空区底板垂直应力呈现卸压状态;应力集中区与应力卸压区以底板原岩应力等值线为界成"泡"形;各点垂直应力会从平衡状态应力基础上加速增大至峰值,随后又快速卸压至零或较小压力状态至稳定;工作面超前影响距离随深度的增加呈现越来越小的趋势;支承压力峰值随着工作面下底板深度的增加而逐渐降低。     

数字散斑技术在沿空掘巷煤岩体变形特征研究中的应用

根据柳巷煤矿3号煤层的赋存条件,采用数字散斑相关法和相似模拟实验,通过CCD相机构建图像数据采集系统,研究沿空掘巷上覆岩层移动规律和围岩体的变形特征。工作面回采后,上覆岩层之间出现了大量的斜交裂隙,但岩层之间依然保持连续性,整体倾斜弯曲下沉。沿空掘巷煤柱的x、y方向位移等值云图和剪应力云图表明,采空区边缘的位移最大,煤柱和顶板之间有剪应力,距离采空区边缘5 m剪应力最大,煤柱受到压、弯、剪的复合应力作用;使用虚拟引伸计进行煤层和顶板之间5个监测点的层间滑动位移分析,煤层和顶板存在不均匀滑动位移,靠近采空区层间滑动位移最大;煤层下方应力随着工作面的回采不断增大,应力在空间上分布呈现先增大后减小的单驼峰形状,在采空区边缘附近形成了应力集中现象。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45~#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明:煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大;覆岩局部区域内产生了应力集中现象;工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小;工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

上覆煤柱影响区应力状态及冲击地压防治

上覆近距离煤柱会造成下层煤的应力集中及冲击危险。采用三维数值模拟,分析了不同宽度煤柱下底板应力分布与底板岩层破坏特征。研究表明:当煤柱宽度≤50 m时,煤柱底板应力呈"倒钟"形分布形态;当煤柱宽度50 m时,煤柱底板应力呈"倒铁塔"式分布形态。煤柱中心最大应力集中系数与煤柱宽度呈幂函数关系,且随着煤柱宽度的增加,煤柱集中应力在底板中的衰减速度逐渐降低。上覆煤柱中心下方3煤层面的最大应力集中系数与煤柱宽度呈负指数关系。煤柱底板破坏范围与煤柱宽度呈负相关关系,煤柱底板岩层的破坏以剪切破坏为主。根据上覆煤柱影响划分了六采区3煤工作面冲击危险区,并提出了相应的防治技术。     

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。