卸载条件下逆冲断层滑移实验研究

煤矿开采活动对断层系统的卸荷效应,往往诱发逆冲断层失稳进而导致冲击地压灾害。以义马F16逆冲断层为工程背景,采用实验室实验研究了卸载条件下逆冲断层的差应力变化特征,分析了逆冲断层卸载过程中的位移场、变形场演化规律,阐述了逆冲断层失稳瞬态的滑移位移及声发射特性,探讨了逆冲断层的失稳过程。研究结果表明:逆冲断层卸载失稳时发生多次差应力"突跳"现象,以首次"突跳"变化量最大,差应力"突跳"量为0.36 MPa;断层不同部位滑移情况具有显著差异,其中下部滑移量大于中部和上部、下盘远场滑移量大于近场和上盘;断层岩体的法向应变和剪切应变呈"降低—突增—波动—稳定"的变化趋势,且变形场受位置影响较大,如下部法向应变"突跳"量大于中部和下部,两端剪切应变"突跳"量大于中部;断层失稳瞬间可分为启滑、主震、后震3个阶段,主震将释放大部分能量,为断层冲击地压的主要能量来源;卸载导致逆冲断层滑移的过程分为线性稳态、非线性稳态、亚失稳及失稳4个阶段,失稳瞬间剪应变的变化趋势为"突降—回弹—稳定";开采扰动引起的卸荷作用,造成F16断层不同位置呈不同的滑移模式,即浅部逆时针滑移、深部顺时针错动。     

动静载作用下逆冲断层力学失稳机制研究

冲击地压往往发生在逆冲断层等地质构造附近,并且煤矿井下集中静载荷、顶板断裂等动载荷均对逆冲断层失稳具有重要的影响。基于典型逆冲断层工程实例的冲击显现特征分析,研究了静载荷作用下逆冲断层的活化过程以及采动应力场、位移场动态演化规律,通过施加动载应力波分析了逆冲断层的动力学响应特征,结合动静载作用下逆冲断层的力学特点,建立了断层失稳的多滑块-弹簧力学模型,并提出了逆冲断层冲击地压防治技术。研究结果表明:开采引起覆岩裂隙扩展并与断层带贯通是断层活化的直接原因;开采活动对断层的扰动呈现明显的分区性,扰动顺序是先上部、再中部、最后下部,且应力要先于位移受影响;动载对断层的扰动也是分区域的,将导致上部先失稳;采动并不是直接导致整个断层的滑移,而是优先引起某个或连续几个子系统的"局部失稳";基于动静载失稳理论的逆冲断层冲击地压防治技术主要包括深孔断顶爆破、煤层卸压技术、断底爆破等。     

断层冲击地压发生机理研究

为得到断层冲击地压的发生机理,以义马矿区F16断层为研究对象,采用相似模拟和数值模拟的研究手段,研究了开采扰动诱发断层冲击地压的过程,提出了断层滑移失稳的敏感性指标,揭示了断层冲击地压发生的原因。结果表明:按照开采扰动程度的不同将断层冲击地压的过程划分为3个阶段:断层开始活化、断层剧烈活化和断层冲击显现。剪应力和正应力比值作为断层滑移失稳的敏感性指标,可以建立断层应力场和断层活动状态之间的联系;当应力比降低时,滑移速度较小,几乎为0;当应力比开始升高时,滑移速度出现波动并逐渐增大;当应力比达到最大值时,断层滑移速度突变,断层滑移失稳,断层冲击地压发生。采动引起覆岩破坏是断层冲击地压发生的直接原因,开采扰动导致断层应力场改变是冲击地压发生的根本原因。     

采动影响下逆断层阶段性活化诱冲机制

为了探明采动影响下逆断层诱冲机制,结合现场数据、理论推导以及数值模拟方法,综合分析了采动影响下逆断层活化过程,从动静载扰动的角度进一步分析了采动影响下逆断层诱冲机制。采动影响下逆断层活化为阶段性过程,通过滑移倾向性指标T_s以及滑移量的分析可以将该过程分为3个不同的阶段。研究表明:逆断层高位区域T_s值及滑移量较大,为断层面活化过程中的危险区域,且断层面活化危险程度受断层倾角以及工作面到断层距离l的影响。逆断层的存在改变了井下开采结构,造成了工作面应力状态的改变,且逆断层阶段性活化过程中会不同程度的释放能量。数值模拟结果表明:采动影响下逆断层诱冲机制主要由动静载2方面引起:静载扰动方面,逆断层倾角的减小会造成工作面超前支承压力集中系数的增大,加大了冲击地压危险性;另一方面,逆断层阶段性活化过程中释放的能量以动载的方式对工作面造成冲击,该能量可以用地震矩M₀来表征。M₀与工作面到断层距离l之间存在指数相关性,该相关性中的p,q值可以用来表征工作面在回采过程中逆断层能量积累程度。p值反映开采后期断层面能量积...     

临断层孤岛面冲击危险与断层滑移数值反演——以朝阳煤矿3108工作面为例

复杂地质构造、开采布局等与冲击地压密切相关,尤其是当孤岛工作面沿平行于断层走向回采时,受断层煤柱与孤岛工作面影响叠加后形成的采场煤岩应力状态及覆岩结构将更为复杂,严重威胁冲击地压矿井的安全高效开采。为探究临近断层处孤岛工作面开采时断层滑移失稳致灾机理,利用FLAC^3D中的Fish语言进行2次开发,系统地提出一种孤岛工作面推进过程中采动诱发断层滑移失稳的数值模拟方法。以朝阳煤矿3108工作面为工程背景,建立断层赋存条件下的孤岛工作面开采的数值模型,分析了开采扰动下断层面应力场、位移场和速度场的动态演化特征,确定了断层滑移失稳的判定准则,总结了断层滑移失稳与冲击危险之间的关系,所得结果与现场实际强矿震分布具有较好的一致性。研究结果表明:当工作面远离断层时,断层面不产生滑移失稳,此时采动动载主要源于顶板破断;当工作面向断层推进时,认为当断层面出现剪应力降且剪切位移量大于0.05 m时断层产生滑移。断层滑移型动载可由地震矩、能量和滑移速率等物理参数表示,当动力计算时间为0.03 s时,断层面发生滑移,其地震矩和释放的能量达到峰值。一般当滑移速率峰值达到0.99 m/s以上...     

冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征及其产能

开采扰动是导致深部煤岩体发生变形、冲击、失稳的根本原因,而开采扰动特征与采动强度密切相关。进入深部开采后,冲击地压矿井数量随采动强度的增大而不断增多,研究冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征,进而根据采动煤岩力学响应特征确定合理的采动强度对冲击地压防控具有重要意义。以典型冲击地压矿区彬长矿区为例,利用数值模拟及理论分析根据不同采动强度下煤岩采动应力、能量释放及覆岩垮落结构特征,分析了不同推进速度、不同采厚下的开采扰动特征,评估了不同采动强度时采动煤体的冲击危险性,并探讨了开采扰动特征在矿井产能调控及开采方法优选等方面的应用。研究结果表明:(1)煤炭年产量与冲击地压矿井数量呈正比例关系,且深部矿井发生冲击地压的可能性明显高于浅部矿井;(2)整层开采的顶底板应力、超前支承压力及冲击危险性均大于分层开采,且前者存在明显的应变能峰值前移现象;(3)工作面采厚增加将会引起关键块的回转角及断裂度增大,提高了滑落失稳及回转失稳的可能性,推进速度加快将会提高回转失稳的可能性,更易诱发上覆岩层破断及能量大量释放,从而提高冲击危险性;(4)揭示了不同采动强度下的深埋煤层工作面的开采扰动特征,提出了根据...     

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。     

分层开采时断层滑动位移演化特征研究

本文结合义马煤田地质构造,以千秋矿21221工作面为工程背景,进行了采动影响下断层滑移失稳相似模拟实验研究,探究了煤层分层开采扰动对断层滑移失稳的影响特征规律。结果表明,煤层上分层开采时顶板已发生较大程度的松动及离层现象,下分层开采时,顶板岩层进一步发生垮落现象,下分层开采扰动引发上覆岩体垮落范围更大,使断层周围位移变化更强烈、上下盘错动更明显、煤岩体中积聚的应变能峰值更高;同时,断层滑移滞后于煤岩体中应变能的剧烈释放,应变能峰值"突降"现象可作为判断断层滑移失稳的前兆;煤层下分层开采较上分层开采时能量剧烈释放的时间更早,更易诱发冲击地压灾害的产生。     

大同矿区浅源冲击地压致灾模式分析

以大同矿区坚硬煤岩组合条件下采动影响区域冲击地压发生机理为背景,分析了矿区冲击危险性煤层的顶板特点和煤层冲击倾向性,探讨了采动应力诱发煤体材料失稳和煤层整体滑移的致灾模式。通过分析典型冲击矿井的开采地质条件和采动效应,明确了大同矿区冲击地压的致灾模式,可为后续有针对性的灾害防治提供参考。     

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。     

断层活化与煤岩冲击失稳规律的实验研究

基于义马千秋煤矿21221回采工作面原型,设计了过断层的工作面回采相似模型实验,通过再现断层活化和煤体冲击失稳的物理过程,研究了采动影响下采场覆岩的运动规律和断层应力演化特征,分析了煤层开采引起断层活化的机理。研究发现:邻近断层活化时,其正应力和剪应力快速增加,断层滑移危险性增大;工作面沿上盘开采至距离断层25 m时,受采动影响断层出现活化;采动影响增加了断层活化的可能性,工作面煤体承载力的局部失效是引起断层滑移的重要原因,断层滑移对工作面煤体的作用形式表现为非稳态的冲击和加卸载作用。     

应力波扰动作用下断层滑移失稳的数值反演

断层滑移失稳是诱发煤矿冲击地压的主要因素之一.为探究应力波扰动作用下断层围岩系统的受力状态和动力学响应,利用数值模拟计算比较了应力波扰动作用下的断层面位移场、应力场和速度场的动力学响应规律.结果表明:应力波扰动作用下断层滑移的动力学响应对不同的开采影响因素具有不同的敏感性,断层带上的正应力和剪应力分布受采深、应力波强度...     

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。     

逆冲断层和巨厚砾岩耦合作用诱冲机制研究

为研究巨厚砾岩与大型逆冲断层控制下耿村煤矿13230工作面冲击地压发生机理,对其掘进与回采期间地质特征、微震时空演化、b值及能量特征和地表沉降变化特征展开现场实测分析。研究结果表明：F16断层逆冲滑移运动产生的高水平应力和巨厚砾岩大面积悬顶产生的高垂直应力为冲击地压孕灾提供了力源条件|13230工作面掘进末期、开切眼及回采初期距离F16断层较远,断层滑移运动影响较小而巨厚砾岩运动作用影响较大,煤岩体能量增长式积聚最终诱发剧烈的冲击地压事故|随着13230工作面逐渐向断层靠近,断层滑移运动影响增强,地表抬升现象明显,煤岩体能量均匀性积聚最终诱发集中式较轻微的冲击显现。研究结果为巨厚砾岩和逆冲断层影响下13230工作面冲击地压发生机理的研究提供理论基础。     

采动诱导逆冲断层滑移的FLAC~(3D)数值模拟研究

为分析研究采动诱导逆冲断层的滑移规律特征,应用FLAC3D数值模拟软件,以义马煤矿25110工作面地质条件为原型,对采动诱导逆冲断层的滑移效应进行了数值模拟,分析了工作面回采前后的剪应力分布规律。结果表明:由于大面积采空区的存在,使逆冲断层下盘覆岩发生了剪切滑移作用,产生了较大的剪应力值,导致将要回采的工作面处于较强冲击危险区。同时,在工作面回采过程中,当工作面回采达到180 m左右时,工作面远离逆冲断层,受断层下盘的影响逐渐减小,此时高剪应力区域面积差值也不断减小,冲击危险状态降低。     

井间高位岩层联动诱冲机制及防冲方法初探

相邻矿井开采过程中相互扰动明显,冲击地压灾害频发。为研究巨厚砾岩和逆冲断层控制作用下,相邻矿井之间的相邻工作面开采互扰诱发冲击机理以及两工作面冲击地压协同防控方法,以义马矿区耿村煤矿13230工作面和千秋煤矿21121工作面为实际工程背景,对13230工作面回采期间地表沉降变化、冲击显现特征和支架压力特征、21121东部缆车下山钻孔应力特征以及井间区域微震事件高度变化特征和地应力特征展开现场实测分析。研究表明,井间相邻工作面非同时期开采形成非对称"T"形覆岩空间结构,井间宽煤柱留设和高位巨厚砾岩条件下,该空间结构发生类似杠杆运动的"撬动"现象,即井间率先采空侧高位岩层下沉运动诱发滞后回采工作面高位岩层整体抬升运动;联动效应对滞后回采工作面垂直应力环境产生扰动且扰动范围有限,13230工作面回采初期垂直应力相对较低,断层活化的高水平应力导致煤体发生典型水平滑移式冲击事故,随13230工作面推进距离增大,水平方向冲击的强度与频度明显降低而垂直方向的冲击占比增加;基于工程实测和室内试验结果,提出井间以阻断高位砂砾互层为核心的弱链增耗防冲方法和采空区高强度充填为核心的吸能稳构防冲方法,实现井间...     

断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理研究

针对具有断层构造特征的生产地质条件,运用相似模拟、数值分析和现场工业性试验相结合的研究方法,通过相似模拟试验,得到了采动影响断层作用下距工作面28 m断层发生滑移活化,此过程分失稳期、滑移期和活化期;断层易失稳滑移破碎区域是交界区、直接顶区和基本顶区,断层失稳滑移加剧巷道变形,断层活化致使巷道底鼓突变,甚至发生底板冲击。通过数值计算分析,得出了断层下盘围岩比断层上盘围岩应力易转移,能量易积聚和释放;断层下盘巷道底鼓约为断层上盘的1.8倍;指出了断层滑移活化过程中巷道底鼓变形最为严重,右帮变形次之,顶板下沉和左帮变形较小。最后提出了断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理。     

金属矿山采动诱发断层滑移规律及失稳风险敏感性研究

金属矿山断层在采动作用下极易发生滑移破坏,严重威胁矿山安全生产。基于FLAC3D数值模拟,针对金属矿采动诱发断层滑移破坏的影响因素开展研究。结果表明：断层面上剪切位移及剪切应力具有明显的空间性;基于断层滑移危险指标可以定量评估断层滑移的不同风险范围;爆破扰动的次数、强度的增加以及频率的减少使断层滑移中风险范围不断增加,造成危险可能性也越大;采动因素对断层滑移高风险范围的显著性由低到高依次为：倾角、扰动次数、扰动强度、内摩擦角、扰动频率、矿体厚度。其中,矿体厚度和爆破扰动频率是影响采动过程中断层失稳活跃程度的主要因素。研究结果可为金属矿采动作用下的断层安全防控提供理论和技术支撑。     

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。     

深部开采临近断层应力场演化规律研究

针对耿村煤矿东部区段深部开采临近F16逆冲断层容易造成冲击地压问题,采用数值计算与相似材料实验相结合的研究方法,研究了随开采深度增加及临近F16断层过程中围岩应力场演化规律。研究结果表明,随着开采深度的增加及临近F16断层,增大了围岩应力集中程度,在断层上盘岩体水平推力、覆岩重力以及采空区岩层下滑力叠加作用下容易使得断层下盘岩体以某一轴线发生扭转,增大了冲击危险性。综合判断其冲击地压失稳模式为F16逆冲断层、井田境界煤柱影响下的高应力、大范围、区域性失稳。