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。     

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。     

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.     

向斜构造区域综采面超前支承压力分布规律研究

与正常回采期间相比,向斜构造区域回采期间的综采面超前支承压力分布规律存在特殊性。采用FLAC^3D数值模拟方法研究了1204综采面向斜构造区域开采期间的超前支承压力分布规律。另外,1204工作面超前支护方式采用单体液压支护+铰接顶梁支护方式,单体液压支柱选用DZ-35型,Π型钢梁选用DFB4000-300型,用压力表对材料巷超前支护范围内的单体液压支护压力进行了实测,分析了向斜构造区域开采期间的超前支承压力分布规律。数值模拟和现场实测研究得出:向斜构造区域回采时,过向斜轴部阶段的应力集中程度最大,仰采阶段的次之,俯采阶段的最小;但俯采阶段的支承压力影响范围最大,过向斜轴部阶段的次之,仰采阶段的最小。     

向斜轴部倾斜煤层应力状态分析

为了保证长沟峪矿向斜轴部倾斜煤层的安全开采,用FLAC2D对工作面推进过程中的煤层应力状态进行工程数值模拟,研究向斜轴部原岩应力状态的变化规律和向斜两翼采空后轴部煤层的应力状态分布规律,结果表明向斜轴部煤层应力状态相对集中,采空区前方煤体存在应力集中区.在对轴部煤层进行开拓采掘时应加强超前支护管理,确保向斜轴部工作面安全生产.     

千米深井大采高采场围岩应力分布规律数值分析

煤矿深部开采的应力集中异常突出,以唐口煤矿1305工作面为例,利用FLAC3D有限差分软件对千米深井大采高采场围岩应力分布规律进行数值分析。模拟结果表明:1305工作面回采时,在采空区四周煤体内形成对称的"双肺"状支承压力影响区;随着工作面推进,采场支承压力峰值及采空区上覆岩层破坏高度逐渐增大,工作面见方后,采空区顶板破坏高度与超前支承压力峰值变化趋于稳定,支承压力最大峰值约为72MPa,应力集中系数k为3.0;工作面煤壁前方与采空区两侧煤体内支承压力峰值随工作面推进向深部转移,且支承压力影响范围逐渐增大,压力峰值与工作面煤壁之间的距离基本保持在8~15m范围内。     

向斜轴部倾斜煤层应力状态分析

为了保证长沟峪矿向斜轴部倾斜煤层的安全开采，用FLAC^2D对工作面推进过程中的煤层应力状态进行工程数值模拟，研究向斜轴部原岩应力状态的变化规律和向斜两翼采空后轴部煤层的应力状态分布规律，结果表明向斜轴部煤层应力状态相对集中，采空区前方煤体存在应力集中区，在对轴部煤层进行开拓采掘时应加强超前支护管理，确保向斜轴部工作面安全生产。     

基于FLAC3D的大采高工作面过向斜构造的矿压显现规律

为了深入了解大采高工作面围岩与支架的关系，采用FLAC^3D数值模拟，研究了工作面不同开采阶段，不同工作面推进下垂直应力场分布、垂直位移场以及塑性破坏场。研究而得出:当工作面初采阶段时，在工作面5~15 m，应力易产生集中，并随着工作面的继续推进，应力集中程度也逐渐增大，采场顶板的下沉量与围岩破坏范围也逐渐增大。工作面过向斜构造阶段:煤壁前方的垂直应力、垂直位移以及塑性区破坏范围都发生了明显的变化，矿压显现剧烈，煤壁片帮，直接顶冒落现象严重。上述研究为控制采场围岩稳定提供了技术基础。     

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。     

大采高仰采面煤壁片帮机理及加固技术研究

针对经坊煤业3-602大采高仰采工作面煤壁片帮问题,分析了煤壁片帮机理,确定片帮形式为拉裂破坏和剪切破坏;分析了采高和仰采角度对工作面顶板结构的影响,并确定了两巷超前注浆、工作面煤壁注浆两种不同加固方案及其具体技术参数,大大提高了煤壁及顶板稳定性,保证了工作面的安全开采.     

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。     

霍尔辛赫3207大采高工作面上覆岩层运移数值模拟分析

为了解决霍尔辛赫煤矿松软破碎顶板厚煤层开采存在的问题,以确保3207大采高工作面的顺利安全回采,基于采煤工作面上覆岩层运移规律,结合霍尔辛赫3207大采高工作面现场实际情况,利用FLAC3D软件对3207工作面超前支承压力、工作面滞后应力状态及推进速度对煤壁片帮的影响进行了数值模拟分析,得到了3207工作面上覆岩层运移规律。研究结果表明:3207工作面超前支承压力峰值位置距离工作面6~7 m,滞后支承压力峰值位于工作面煤壁后方10~14 m;3207工作面推进速度越慢,煤壁拉应力破坏区和剪应力破坏区就越大,发生片帮的概率增大。     

受采动影响综采工作面矿压显现特征数值模拟分析

针对古汉山矿17126大采高综采工作面的地质条件,采用计算机数值模拟(FLAC3D)系统,对试验面不同回采距离时,超前支承压力、上覆岩层移动以及围岩塑性区分布等特征进行分析,得出该工作面超前支承压力的影响范围为煤壁前方50 m,应力峰值位于煤壁前方5~7 m;回采时工作面中部顶板下沉最大,且最大下沉量不足以造成工作面压架;随着工作面的推进,采场围岩塑性破坏区范围不断增大且表现为采空区上方以拉伸破坏为主,工作面上方以剪切破坏为主。     

厚度突变煤层采动围岩应力显现及岩移规律研究

为研究煤岩层厚度突变条件下采动围岩应力显现及岩层移动规律,采用FLAC^3D数值模拟软件对平煤十矿己_15.16-24110工作面煤厚和倾角突变影响区域进行建模,模拟赋存条件突变煤体在采动影响下围岩位移和应力显现规律,进而分析顶底板失稳产生的原因及规律。结果表明,随着开采深入,卸压区和应力集中范围变大;在煤层突变的位置,煤层工作面煤壁及围岩出现卸压区影响范围突然扩大,顶板卸压范围变大,形成“双驼峰”状,煤壁的应力集中系数增加明显;煤厚突变区域上覆及下伏岩层应力显现和岩移量均明显高于其他区域,说明该区域易蓄积能量,成为动力灾害及岩层失稳频发区域。     

红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治

针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题,以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对3^-1煤层地质条件进行初步分析;运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟,分析3^-1103综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制,研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明：(1) 3^-1103综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素;(2)模拟得到3^-1103综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征,确定了采场范围内存在5个强冲击性和11个中等冲击性区域;(3)提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术,对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。     

大采高综放工作面大角度仰采技术研究

基于10303大采高综放工作面回采受到仰采和旋转开采影响的实际,通过理论分析和数值模拟分析,研究了工作面围岩运动特征及支架稳定性,提出了系统的煤壁片帮控制技术。通过现场实践表明,应用效果良好。     

孤岛工作面顶板矿压分布特征研究

为了解孤岛工作面在形成前及回采过程中顶板压力情况,以某矿2321工作面为例,应用FLAC3D数值模拟方法分析其顶板在两侧工作面开采之后及在回采过程中的应力分布情况。结果表明,当两侧工作面在未回采到测线处时,其顶板上的应力值大小近似于原岩应力;采过测线后,应力随之增大,最终保持稳定。此时顶板上方应力为1.3~2.0倍原岩应力,且应力集中主要分布在两侧。回采期间,当工作面开采130m时,超前压力最大值为43 MPa,出现在距煤壁11m处左右。     

急倾斜薄煤层工作面推进速度对顶板岩层活动的影响

为了研究急倾斜薄煤层工作面推进速度对顶板岩层活动的影响规律,以新铁煤矿99#煤层的赋存条件及开采情况为研究背景,运用FLAC3D数值模拟软件,分别对不同推进速度下的顶板垂直应力场以及位移场进行模拟,并分析了不同推进速度下的顶板活动情况。结果表明:工作面推进速度对顶板岩层的应力分布、下沉量有显著影响。当工作面推进速度从2.4m/d增加到4.8m/d时,工作面煤壁处顶板垂直应力从13.95MPa降低到12.38MPa,降低了12.68%;煤壁前15m处顶板垂直应力从19.02 MPa降低到17.51MPa,降低了8.62%;顶板最大下沉量由0.93m降低到0.50m。适当提高急倾斜薄煤层工作面推进速度,顶板垂直应力和下沉量均降低,有利于顶板稳定。     

纵弯褶曲控制下巷道围岩变形特征分析

针对纵弯褶曲区域巷道围岩稳定性问题,基于某矿1310工作面顶板岩层力学参数,运用FLAC~(3D)软件对纵弯褶曲背斜、向斜、翼部处巷道应力分布及围岩破坏特征展开模拟研究。模拟结果表明,纵弯褶曲背斜及向斜处巷道围岩的破坏程度较高,受到垂直及水平应力的影响较大,而翼部巷道要更为稳定,围岩受水平应力的影响较小且变形量要远低于背斜及向斜处,在条件适宜的情况下应尽量将巷道布置在翼部,并在模拟基础上确定了不同纵弯褶曲部位巷道的重点支护区域。