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。     

孤岛工作面回采合理煤柱宽度研究

针对孤岛工作面开采时两侧煤柱应力集中问题,以山东能源协庄煤矿401工作面为研究对象,通过数值模拟和现场实测研究了孤岛工作面回采时煤柱采动应力和塑性区分布特征。模拟结果表明：当煤柱宽度由10 m增加至40 m时,相邻工作面两侧高应力区范围以及对大巷应力分布的影响逐渐减小,最大水平应力分别降低了13%、10.5%和6.2%;煤柱宽度为10 m和20 m时,煤柱出现塑性破坏失去承载能力;煤柱宽度为30 m和40 m时,煤柱两侧出现塑性破坏,中心未出现塑性破坏,仍具有承载能力;基于模拟结果,确定合理煤柱宽度为30 m,现场监测结果表明,该煤柱宽度可以实现孤岛工作面的安全回采。     

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。     

工作面沿正断层走向推进断层煤柱应力演化规律研究

以朝阳煤矿3101(东)工作面工程地质条件为背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了工作面沿正断层上下盘推进过程中,断层煤柱对采动应力分布演化规律的影响特征。研究结果表明:断层对煤层顶底板的应力传播阻隔效应显著,导致断层煤柱易形成应力集中区;断层上盘的应力阻隔效应相对于下盘较弱,相同断层煤柱下,断层下盘煤柱先于上盘失稳;断层上盘应力集中区域都靠近煤壁,分布较为单一。下盘应力集中区域在断层煤柱大于40 m时分布在断层煤柱上,小于40 m时最高应力值逐渐转移到煤壁上。通过现场实例验证了工作面沿正断层布置时不同断层煤柱条件下煤柱应力演化的差异性,在现场实践中,需要根据具体的工程地质条件进行分析预测,提前做好巷道与工作面的维护措施,保证安全高效生产。     

留底煤掘进双巷布置大采高工作面巷间煤柱尺寸优化研究

确定巷间煤柱合理尺寸是保证留底煤掘进双巷布置大采高工作面安全、高产与高效的关键所在。以某矿122106大采高工作面沿底掘进胶运巷和辅运巷之间的护巷煤柱为工程背景,对工作面生产地质条件展开现场调研,同时原位测试巷道围岩地质力学参数。基于上述原始数据理论,估算出煤柱极限强度与合理的煤柱宽度范围,通过数值试验研究手段,分析初步选定宽度煤柱条件下,二次回采阶段巷道围岩及煤柱内部应力、位移和塑性破坏特征。结果表明:煤柱的极限强度为50.48 MPa,合理的煤柱宽度为19.24~29.28 m。煤柱宽度20 m时,煤柱内塑性区是2个独立的区域;当煤柱宽度达到一定程度后,接续面回采对上个工作面侧煤柱应力影响较小,主要是对本侧煤柱影响较大;靠近煤柱侧顶板和帮部变形较大,垂直位移最大值集中在巷道肩角位置,顶板出现不均匀下沉;煤柱核区内垂直应力均小于其极限强度,能保证稳定;煤柱最大垂直应力集中在两侧,靠近采空区的位置,煤柱中部存在较明显的应力下降区域。     

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。     

断层保护煤柱合理宽度及工作面合理宽度数值模拟研究

结合某矿井实际地质条件,运用数值模拟软件FLAC3D建立含断层的数值计算模型,分析研究了在不同宽度的断层保护煤柱和不同宽度的工作面相互组合条件下的围岩的塑性破坏情况。当煤柱宽度为60 m时,随着工作面宽度的增加,围岩塑性破坏区一直增大,在靠近断层一侧的顶板岩层塑性破坏较明显,这主要是由于断层周围的岩石比较破碎,围岩强度较低造成的。根据研究结果,确定断层保护煤柱的合理宽度为60 m,工作面的合理宽度为75 m,为断层周围煤层的安全回采提供了一定的科学依据。     

硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征

上覆硬厚岩层受逆断层切割后,工作面顶板运动、采动应力会有异常变化。采用三维数值计算方法,模拟分析了上、下盘工作面向逆断层推进过程中的采动应力演化特征、煤层顶板运动特征及断层活化规律,并采用工程实例进行了分析验证。研究表明：在逆断层切割作用下,上盘工作面围岩呈倒楔形,采动应力向底板深处、顶板高处转移,围岩应力集中程度大于下盘工作面。下盘工作面与上盘工作面相比,采动应力受工作面与断层距离的影响较大。巨厚岩浆岩及其下部岩层形成类似“杠杆”结构,造成煤层顶板的下沉和反弹。逆断层下盘工作面煤层直接顶断层带活化的可能性大于上盘工作面,高位岩浆岩断层带活化的可能性小于下盘工作面。下盘工作面与逆断层距离40 m时断层开始活化;上盘工作面与逆断层距离40 m时,煤层直接顶断层带开始活化,与逆断层距离30 m时高位岩浆岩断层带开始活化。     

逆断层下盘侧巷道掘进稳定性研究

为了研究逆断层下盘侧不同断层煤柱尺寸对掘进巷道的影响,采用UDEC数值模拟软件,建立了逆断层下盘巷道掘进的数值模型,研究了5 m、10 m、20 m、30 m、40 m断层煤柱下巷道掘进时的应力分布、塑性破坏区范围和巷道围岩的变形量。结果表明,当断层煤柱尺寸小于20 m时,巷道附近应力受断层影响显著,巷道远断层侧应力集中明显;巷道底板受断层煤柱尺寸影响较小;当断层煤柱尺寸大于30 m时,随着断层煤柱尺寸的增加,巷道塑性区及围岩移近量变化趋于稳定,受断层影响较弱。     

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。     

郭屯煤矿工作面正断层下盘防水煤柱留设研究

针对工作面开采引起断层活化导致的突水现象,以郭屯煤矿3301工作面向阳断层为研究背景,运用数值模拟和理论计算方法,深入分析了不同宽度正断层下盘保护煤柱应力塑性区变化规律。模拟结果表明,由于断层的阻隔性,使得超前支承应力在断层上下盘形成了“一大一小”双应力集中区域,模拟结果与理论计算得到保护煤柱为30 m,经过现场实际留设宽度对比间接验证了其可靠性。     

上下盘开采顺序对断层煤柱采动应力的影响

回采巷道沿断层边界布置时,采用基本顶断裂岩块铰接平衡理论研究了先采断层上盘或先采断层下盘2种开采顺序下,工作面采空区基本顶荷载在断层两侧的传递规律和差异性;现场实测了2种条件下断层煤柱及相邻回采巷道的矿压显现特征。研究表明:断层上盘先行开采时,断层的载荷传递系数较大,上盘断层煤柱压力小,下盘煤体压力较大。断层下盘先行开采时,断层的载荷传递系数与断层角度有关,当断层角度较大时,下盘采空区覆岩载荷可以传递给断层上盘,下盘断层煤柱压力小,上盘断层煤体压力大;当断层角度较小时下盘覆岩载荷难以传递给断层上盘,下盘断层煤柱压力较大,上盘煤体压力相对较小。为此,断层上、下盘开采顺序不同时应留设不同的断层煤柱。     

基于缩小煤柱开采实验的断层带稳定性分析

以龙东煤矿F张断层为基础建立相似材料模型,监测缩小煤柱过程中断层带两侧岩体位移变化规律。实验结果表明:随着断层煤柱宽度的逐渐缩小,断层上盘采空区顶底板垂直位移逐渐增大,距煤层越近位移越大,而下盘位移变化较小;当煤柱宽度减小为30m时,顶板位移发生了突变,同时近断层带两侧上、下盘岩体垂直位移出现明显差异,位移差达0.14m,上盘岩体沿断层带发生明显错动导致断层带的失稳,造成断层"活化",实验结果可为断层煤柱宽度的合理留设提供参考依据。     

旺格维利采煤法刀间煤柱宽度优化研究

条带式旺格维利采煤法是一种新型高效减沉采煤法,对优质边角煤回收、控制地表下沉、提高工作面安全性等方面均具有重要意义,相较于美国、澳大利亚对旺格维利采煤法成熟的理论研究和丰富的生产实践,我国目前尚处于小范围应用阶段。为研究旺采条件下的煤柱特征,以河东矿L21001旺采工作面为背景,分析了旺采条件下的刀间煤柱受力特征,得出了旺采刀间煤柱尺寸的计算方法,提出了两种不同的刀间煤柱留设方案,并利用FLAC3D数值模拟软件分析了不同尺寸刀间煤柱下的塑性区、巷道位移及围岩应力特征,提出了保障工作面安全回采的措施。结果表明,L21001工作面初采阶段刀间煤柱总宽度为60m;1.5m宽刀间煤柱起临时支护作用,随着工作面的推进,刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力,采用1m刀间小煤柱配合3.5m刀间大煤柱时,小煤柱随采随垮,但大煤柱承载能力较强,可以保障连采机回收完整条支巷;当采硐采出后,顶板出现空顶,原岩应力向周围有支撑的煤柱转移,在煤柱周围形成应力集中,应力集中系数为2～3,煤柱有效承担了上覆岩层的载荷,使巷道及其上覆岩层处于应力降低区内。现场实测表明,支巷中部巷道的表面位移大于支巷两端,方案二顶板下沉量更小、围岩塑性区范围也较小,优化后的煤柱留设方案具有较高的可靠性,在保证安全高效生产的前提下实现了经济效益最大化。     

下盘向正断层开采保护煤柱受力及变形规律研究

为探明正断层附近开采的致灾规律,为断层煤柱尺寸的选择提供理论依据,采用FLAC3D软件建立数值计算模型,研究下盘向正断层开采时不同尺寸断层煤柱的支承应力和覆岩变形规律。研究表明:因断层松软破碎,阻隔了采动应力传递,断层保护煤柱尺寸越小,煤柱内支承应力峰值越大,当断层煤柱减小至15 m时,应力峰值突增,致使煤柱发生塑性破坏,释放弹性能,易诱发煤柱冲击地压;当断层煤柱大于40 m时,顶板沉降受断层影响较小,沉降曲线呈现对称"U"盆地状,当煤柱尺寸进一步减小时,顶板沉降呈现非对称性"√"盆地状,最大下沉点位于断层侧,需加强工作面超前支护,防止压架、围岩大变形等情况的发生。结果为工作面安全开采提供了参考依据。     

不同断层落差采动应力及活化规律优化研究

以兴隆庄煤矿为工程背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了不同断层落差条件下工作面推进时的采动应力及活化规律。研究表明:下盘工作面开采时,顶底板围岩应力集中程度和工作面前方支承压力随着落差的增大而增加,而上盘工作面开采时则表现出相反的规律。下盘工作面开采,对于低位岩层,当工作面距断层30 m时,剪切应力与法向应力比值最大,此时,断层易活化、失稳。当断层落差为8 m时,剪切应力与法向应力比值最大;当断层落差为4 m时,比值最小。对于高位岩层,剪切应力与法向应力比值的最大值随断层落差增大而增加;上盘工作面开采,剪切应力与法向应力比值变化趋势与断层落差变化基本保持一致。上、下盘工作面开采,随着断层落差的增大,顶板下沉量逐渐增加。     

硬厚覆岩正断层附近采动应力演化特征

硬厚覆岩断层影响下采动应力出现奇异性。采用三维数值模拟方法,研究了工作面向正断层推进、上盘工作面沿正断层布置的采动应力演化特征。研究表明:断层显著削弱了硬厚覆岩的采动应力传播,应力阻隔效应十分突出,顶板断层带处于低应力状态,底板断层带处于应力集中状态。上盘工作面向正断层推进时,工作面与断层之间覆岩呈"倒楔形",采动应力高,是灾害防治的重点区域;断层外侧覆岩呈"楔形",采动应力低于原岩应力。下盘工作面向正断层推进时,断层两侧采动应力不高。在断层带影响下,工作面端头外侧煤体上形成强承载区。上盘工作面沿正断层走向布置时,在断层煤柱和工作面前方形成高应力集中区,回采巷道采动应力集中突出,是重点治理区域。     

“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析

以义桥煤矿已开采“刀把”工作面与接续工作面之间形成的孤岛煤柱为研究对象，采用FLAC^3D数值模拟方法研究了采动影响下孤岛煤柱体内应力集中塑性区发育情况。结果表明：接续工作面推至孤岛煤柱时，在三侧应力叠加下煤柱应力高度集中并完全塑性破坏，煤柱易失稳且易诱发冲击地压；随工作面与孤岛煤柱南端距离增大，应力集中程度随之降低，煤柱稳定性逐渐增大，冲击危险性相应减小。     

多煤层开采合理煤柱尺寸留设研究

针对潘三矿多煤层回采受F24大型逆断层影响,利用FLAC3D研究11煤和13煤留设不同尺寸断层煤柱情况下,采场应力和塑性区演化规律,从而提出合理的断层煤柱留设尺寸。研究发现,随着11煤回采留设煤柱的减小,应力集中逐渐向断层上盘转移,而13煤回采受11煤回采的影响,煤柱的减小使采空区左侧应力集中区域逐渐增大;同时,断层附近塑性区范围逐渐增大并最终与采场塑性区导通,为防止突水事故,确定煤柱留设尺寸分别为40m、60m;现场工程验证该留设尺寸是合理的。