褶皱构造对深井采动应力演化的控制规律研究

针对褶皱构造引起的采场应力异常及采场动力灾害问题,采用FLAC~(3D)数值模拟的方法,研究了褶皱区域煤层开采过程中的应力演化规律,分析了褶皱区域不同位置工作面煤岩应力分布特征。研究结果表明:受上覆岩层和水平挤压作用形成的皱褶,背斜与向斜轴部水平应力集中,其中背斜与向斜内弧压应力集中,外弧拉应力集中;在褶皱中回采时,水平应力起主要控制作用,工作面接近背斜轴部时,顶板岩层稳定性逐渐降低,而底板岩层稳定性逐渐升高;工作面在背斜与向斜之间推进时,自背斜轴部仰采推进时煤壁前方应力更低,回采更安全。赵楼煤矿千米埋深的7301工作面在褶皱中推进时,俯采接近向斜轴部时微震日平均能量增大,仰采推进至背斜轴部时发生工作面煤壁片帮,顶板破碎、垮落等现象,现场观测与模拟分析结果较为吻合。研究结果对采场褶皱区安全开采具有一定的指导意义。     

褶皱构造形成机制及其应力场分布规律的研究

为探究褶皱形成机制及其应力场分布规律,基于粘弹性梁理论,推导了褶皱蠕变弯曲后挠度、弯矩、剪力方程,表明褶皱的形成主要受构造应力与自重应力控制,与岩层的蠕变特性密切相关。利用数值软件模拟了褶皱形成过程,发现水平方向上背斜向斜轴部是应力集中区域,竖直方向上应力由大到小依次为:核部、背斜向斜的波峰波谷、翼部。建立了褶皱模型并对中间煤层采用不同工作面推进方式开挖,通过监测顶板、支撑面、底板3处应力可知,采用自向斜轴部工作面仰采的推进方式更为安全。     

煤矿褶皱构造区冲击地压机理研究及防治实践

针对胡家河煤矿402103工作面褶皱构造区开采期间煤岩应力异常和强矿震事件频发问题,基于数值模拟和现场实测方法分析了褶皱构造区工作面回采期间顶板、煤层和底板的应力演化特征,探讨了褶皱构造区冲击地压发生机理。模拟结果表明:工作面开采至褶皱构造不同区域时,褶皱构造区垂直、水平应力场分布具有明显的分区特性;褶皱构造区工作面开采时,水平应力起主控作用,开采至背斜轴部区域时顶板围岩稳定性降低,开采至向斜轴部区域时底板围岩稳定性降低,开采至翼部区域时煤层稳定性降低;基于煤矿褶皱构造区冲击地压发生机理,制定了402103工作面巷道围岩系统的顶板、煤层定向爆破释能降载防治方案,卸压后日均微震总能量下降47.6%,日均微震总频次上升16.7%,有效降低了工作面冲击危险性。研究结果对煤矿褶皱构造区工作面开采动力灾害防范具有一定借鉴意义。     

软岩巷道大变形双主动超前爆破预裂顶板防控技术

为了解决软岩采场终采线附近大巷受工作面回采应力长时高压作用引起的巷道围岩结构大变形问题,以风水沟煤矿软岩地质条件为工程背景,从力源传递角度出发,提出了顶板深部围岩双主动超前深孔预裂爆破卸压原理,建立了爆破裂隙带构造应力场力学模型和终采线附近高位稳定岩层弹性基础连续板力学模型,对比分析了采场超前支承压力和爆破裂隙带构造应力分布特征,研究了顶板深部围岩双主动超前爆破卸压机制。研究得出:风水沟煤矿软岩采场超前支承压力动态演化规律具有动压影响区域广,峰值影响范围大,应力集中程度高的特点;终采线区域顶板深部围岩双主动超前爆破卸压后,爆破裂隙带构造应力场剧烈影响范围减小,应力集中程度降低,顶板下沉量和弯矩明显减小,工作面终采线预裂岩层及时垮落,冒落岩体的碎胀效应有效控制高位稳定岩层的变形以及破坏发展模式;煤柱区爆破裂隙带切断应力传递路径,采场应力环境得到明显优化。在工作面回采结束3个月后,现场监测的大巷围岩垂直应力增量在5%以下,巷道顶底板及两帮的移近量较小。研究结果表明,顶板双主动爆破卸压后形成的裂隙带阻挡了超前支承压力向前传递,降低了巷道围岩应力,减小了大巷变形。     

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。     

褶皱附近微震活动规律分析

褶皱等地质构造造成的开采区域应力分布的非均匀性及局部应力集中对工作面回采时的微震活动有重要的影响。分析研究工作面经过褶皱时的微震活动规律有利于揭示矿山微震发生的机理和预防冲击矿压的发生。介绍了前人研究的褶皱区原岩应力场分布情况,并结合山寨煤矿1103工作面的地质概况简介其内部小褶皱的应力场分布情况,然后利用波兰SOS微震监测系统监测的微震数据,研究了以下3方面的内容:向斜、翼部和背斜部位的微震分布与褶皱区应力状态的关系;E4能级以下微震活动与褶皱区应力水平的对应关系;褶皱构造对微震超前距离的影响。     

基于地应力反演的构造应力区沿空巷道窄煤柱宽度优化研究

基于地应力测量和三维建模技术,对黄岩汇15111工作面褶曲构造应力场进行了反演,研究了构造应力区采空区边缘不同位置处煤层顶板垂直应力的分布特征,不同位置处护巷煤柱上垂直应力、巷道顶板水平应力、以及巷道围岩变形量随煤柱宽度增加而变化的规律,并据此探索了一种确定构造应力区沿空巷道合理窄煤柱宽度方法,确定该构造应力区窄煤柱宽度为6.5 m。研究发现:构造应力区采空区边缘应力集中系数减少量在背斜左翼、向斜右翼中部最为明显;处于背斜左翼、向斜右翼中心对称位置煤柱上垂直应力、巷道顶板水平应力曲线呈“分别相似”特征,且该特征随着煤柱宽度增加而变得明显;构造应力区窄煤柱上垂直应力峰值偏向巷道侧,且垂直应力场随着煤柱宽度增加出现明显的内、外应力场;构造应力对沿空巷道顶板水平应力的分布也有影响,煤柱宽度为4.0~8.0 m时,巷道顶板水平应力自褶曲背向斜交界处向背、向斜轴部呈递减趋势,煤柱宽度为9.0~16.0 m时,呈递增趋势;褶曲对巷道围岩变形量的影响在煤柱宽度较窄时较为明显,在煤柱宽度4.0~10.0 m时,褶曲背、向斜中心对称位置巷道围岩变形量呈“分别相似”特征,煤柱宽度大于10.0 m后褶曲背、向斜中心对称位置巷道围岩变形量变化特征趋于一致。     

褶皱区工作面开采布置与冲击地压的关系探讨

为提高褶皱区冲击地压的防治水平,在总结褶皱区冲击地压发生特点的基础上,对褶皱区巷道掘进方向和工作面开采布置对冲击地压的关系进行了分析,并从冲击地压的战略防御角度提出了有针对性的防治措施.结果表明,沿最小水平应力开挖巷道、自褶皱背斜轴部起工作面俯采推进和先开采位于褶皱翼部的工作面,再开采位于向斜附近的工作面都易于在煤体中积聚更多的弹性能,冲击危险性会越大.研究认为,在褶皱区巷道应与最大水平构造应力成平行或小角度掘进;褶皱区工作面合理的开采方向应是从向斜起往背斜方向逐渐推进;工作面布置上,应先开采位于向斜附近的工作面,然后往背斜方向逐渐展开.     

工作面超前支承压力分布规律研究

 对某矿岩浆岩侵入条件下首采工作面超前支承压力进行了研究,采用UDEC数值模拟软件分析了回采期间顶底板应力场的变化特征及超前支承压力分布规律。采空区支承压力接近原岩应力,回采工作面明显处于卸压区,回采煤体前方形成应力集中区。并使用钻孔应力计对回采煤体超前支承压力进行了实测分析,进一步研究了超前支承压力分布规律,为首采面的安全回采提供了技术支持。     

深部煤层底板岩层卸荷动态响应的变形破裂特征研究

采用理论分析、数值模拟和现场实测综合研究方法,系统阐明了深部采场底板围岩三维应力场的空间分布特征和时间变化规律,揭示了深部采场底板围岩在多力学参量作用下的裂隙演化力学机制。研究表明,底板岩层卸压扰动应力场的重分布具有选择性,底板岩层3个方向的应力并非完全卸压,部分区域甚至存在水平应力集中。采场底板围岩中最大主应力的集中与方向的偏转,引起最大主偏应力大小和形态的变化,进而引起采场底板围岩原始裂纹的起裂与扩展。依据采场底板围岩最大主偏应力场的差异性,将煤层底板岩层划分为未受采动影响区、过渡区、最大主偏应力集中区和卸压膨胀区4个区域。与实测资料对比表明,充分采动前,采场底板围岩中最大主应力集中区以上,岩体由整体连续渐变为宏观断裂将经历3个阶段,分别为超前支承压力作用下的预先随机微破裂、最大主偏应力集中引起的裂纹稳定扩展、裂纹间突变协同效应引起的宏观拉伸破坏。研究成果为深部采场底板危险区块快速判定与主动调控提供了理论基础。     

褶曲向斜构造区巷道底板失稳冲击机理与防治技术研究

针对余吾矿N2105工作面回采至褶曲向斜构造区时,超前工作面煤壁一定范围内的进风平巷内出现严重的底鼓变形破坏,发生了两次底板冲击地压事故,采用现场调研、理论分析、数值模拟、微震监测、井下试验等方法观测矿压,对向斜构造区底板失稳破坏机制与控制对策进行研究。研究结果表明:褶曲向斜构造区侧压系数λ在1.56~2.18之间,属于强构造应力区;当侧压系数λ大于1.5后,巷道底板塑性破坏区范围急剧增加,底板煤岩体稳定性恶化;巷帮大孔径卸压能够有效减小动静载组合叠加强度,释放巷道浅部围岩应力集中,对顶底板变形破坏有很好的防治作用。     

深井大断层工作面围岩应力数值模拟

运用FLAC3D数值模拟软件对首采区应力进行了数值模拟,巷道两帮应力集中程度较高,高于垂直应力;巷道底部岩层交界面及两侧边缘位置应力集中程度特别高,顶板两侧肩角应力集中程度明显,容易切顶冒落;巷道顶、底板5 m左右水平应力高度集中。分析得到顶板岩层的运移规律:当工作面沿断层边缘或者朝向断层方向开采,临近断层侧超前支撑压力与原岩构造应力叠加强烈,矿压显现将明显增加。     

基于褶皱区应力场分布规律的冲击矿压防治

在总结褶皱区发生冲击矿压的特点基础上,研究了褶皱构造形成后应力分布规律和工作面开采导致的局部应力场变化规律,提出针对性的防冲措施。研究表明:从防冲的角度讲,褶皱构造区工作面最有利的推进方向是自向斜起往背斜方向推进;在工作面布置上,应先开采位于向斜附近的工作面,然后再往背斜方向逐渐展开。     

复杂构造突出煤层地应力分布与损伤状态模拟

复杂地质构造突出煤层中地应力分布与煤体损伤状态对煤层瓦斯赋存状态与瓦斯压力梯度分布起着重要作用。运用岩石力学模拟软件分析了里王庙矿-1152石门与坦家冲矿236-80石门揭煤区域复杂地质构造突出煤层中地应力分布与煤体破坏规律,结果显示:在曲率较大位置的煤层顶底板岩层极易出现水平应力集中的现象,构造区域煤层内水平应力呈现明显的竖直层状分布,在一定程度上导致了在煤与瓦斯突出过程中煤层会呈层状破坏向外喷出现象的产生;在背斜或向斜轴部附近的翼部区域会存在应力梯度变化拐点,应力变化明显;褶皱背斜轴部及其附近区域出现了应力中和面,且中和面附近翼部区域煤体最先产生破坏,且破坏最为严重。     

水平应力异常区采动应力分布特征与回采巷道支护技术

鲍店煤矿七采区采区下山、水仓以及部分回采巷区域水平应力较为集中,致使区域内相关巷道变形严重,影响了采区生产系统的正常运转。通过现场实测、理论分析、数值模拟等方法的研究表明,工作面水平应力卸压区和应力集中区与垂直应力卸压区重合,水平应力集中区内又存在垂直应力卸压区和垂直应力集中区,相邻工作面沿空巷道布置在距采空区1~1.5倍工作面采高处,使其处在垂直与水平应力双重卸载区内。当巷道允许变形量较大时,应利用锚杆(索)将楔形破坏域内的岩层悬吊到其上稳定岩层中,确保不发生冒落。     

松软煤层采动应力动态分布规律研究

基于现场原位监测及三维数值模拟,研究了高突松软煤层采动应力动态分布规律。结果表明:随着采煤工作面的推进,工作面顶板出现垂直向下的卸载膨胀变形,引起顶板的离层、冒落;工作面回采后,垂直应力在工作面前后出现应力集中现象,且随着工作面的向前推进,应力集中位置前移,垂直应力逐渐减小;工作面前方形成的支承压力最大值发生在工作面中部前方,应力集中系数K为2.5。采动应力现场监测结果表明:煤层支承压力可划分为卸压区、应力增高区和原岩应力区,在工作面前方15～25 m处达到峰值,监测结果与数值模拟结果基本吻合。研究成果揭示了南方浅埋松软煤层应力集中区采动应力的动态变化规律,可为类似矿井的灾害防治提供借鉴。     

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。     

开滦矿区煤岩动力灾害的构造应力环境

运用空心包体地应力测量方法进行了开滦矿区地应力测试,系统分析了开滦矿区地应力场的类型、作用特征及其与区域构造的关系,在此基础上分析了开滦矿区煤与瓦斯突出、冲击地压和底板突水等煤岩动力灾害与矿区地应力场之间的内在关系。研究表明开滦矿区地应力场属于大地动力场,地应力以水平构造应力为主导,且属于高应力区。矿区地应力场的量值和方位受开平向斜的控制,开平向斜轴部区域应力值最高,随着远离轴部,应力值逐渐降低;最大主应力方位与开平向斜轴部走向近似垂直。构造应力场对开滦矿区煤体结构、瓦斯参数、煤体渗透特性等具有控制作用,开滦矿区煤与瓦斯突出和冲击地压发生在地应力值最高的开平向斜轴部区域,底板突水发生在地应力最低的开平向斜翼部区域。开滦矿区煤岩动力灾害具有统一的构造应力环境。     

急倾斜厚煤层顶底板移动特征的模拟研究

以新疆某煤矿急倾斜特厚煤层采煤工作面为工程背景,运用FLAC数值模拟软件对采后顶底板运动特征进行模拟研究,为相似赋存条件下的煤层开采提供了瓦斯涌出路径和预防顶板事故的理论基础。结果表明:随工作面煤层的开采,两侧顶板岩层中垂直应力分布表现为工作面前方出现应力升高区、峰值区和降低区,应力集中程度最大。煤层采出后,上覆岩层压力得到释放,在顶板产生一定深度的卸压区,其应力值仅有0.5 MPa。     

构造应力下采空区上覆岩层破坏规律数值模拟

为研究构造应力下采空区上覆岩层的破坏规律,以山东新河矿业有限公司3下06工作面为工程背景,运用FLAC3D数值模拟、理论分析等方法对不同构造应力场中采空区上覆岩层的破坏规律进行了研究。结果表明:随着侧压系数的增大,采空区覆岩塑性区的范围和发育高度先减小后增大,其形状经历了从马鞍形到枕形再到拱形直至最终变化为帽形的过程;采空区顶底板受采动影响形成了明显的应力降低区域,随着侧压系数的增大,应力降低区域沿顶板进一步扩大,底板的应力降低区域沿底板则逐渐减小,顶板的拉应力区域减小,采空区两侧的应力集中区域增大,应力集中现象增强;采空区底板破坏的范围和深度随侧压系数的增加而不断增大。