厚层坚硬顶板逆断层对煤岩动力失稳的力学分析

针对厚层坚硬顶板的结构特点,以实际案例为基础,分析了逆断层逆冲滑动的主要影响因素,构建了由水平构造应力影响下逆断层上盘的简化力学模型,研究了水平构造应力以及由其引起附加垂直应力的分布规律,从而揭示逆断层诱发冲击地压及煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的力学原因。研究结果表明:断层上盘中存在大于自重应力的垂直应力,积聚大量的弹性能;距应力边界越远,断层倾角越大,附加垂直应力及水平构造应力下降的速度就越快且其值越小;距边界较近时,水平构造应力变化不大,但附加垂直应力随着断层倾角的增大而递增。     

正断层上盘开采断层附近应力时空分布数值模拟

采动引起的断层错动是诱发矿震和断层冲击矿压的主要原因之一。在现有的数值模拟研究中，断层上测点的数量较少，以致于对断层各处力学状态全貌的了解较为困难。而且，针对煤层应力分布的研究通常仅限于垂直应力（支承压力），而对其它应力尚缺乏了解。为研究采动条件下断层附近应力时空分布，采用FLAC3D建立了正断层上盘开采的数值模型。模型中共包括13个岩层和1个45°倾角的正断层，通过计算获得了工作面从断层上盘推进过程中断层各处及附近煤层应力的时空分布规律。监测了断层上盘断层上的22个节点以获取断层各处力学状态全貌。研究发现，在工作面推进过程中，断层上存在1个压紧区及1个或多个松动区；断层上的压紧区较为安全，压紧区上、下方松动区的正应力越来越低，当工作面邻近断层时该区的断层区段多趋于危险，该区范围最大为78 m；断层上盘煤层紧邻工作面煤壁的垂直、水平和切应力峰值分别位于煤壁前方7.5～10.5、10.5～15.5和11.5～12.5 m；断层下盘煤层3种应力最大值均上升或有上升趋势。当工作面煤壁距断层的水平距离由40 m减小至20 m时，断层上盘煤层垂直、水平和切应力受断层影响较显著的区域通常分别在距断...     

综采工作面过正断层期间的矿压规律

任家庄矿-680 m水平的11506综采工作面由F25正断层上盘向前推进,运用ABAQUS三维计算模型模拟工作面推进到断层附近时断层对工作面前方最大主应力和巷道表面位移的影响,理论分析在工作面向断层推进过程中,断层附近煤体上部岩层的特殊破断情况,同时进行现场实测。结果表明:11506工作面由正断层上盘向断层推进过程中,断层会影响靠近断层附近煤体的上覆岩层破断位置;当接近断层和正在穿过断层时,断层对工作面和巷道的压力最为剧烈,推过后会出现一定程度的卸压;位于上盘范围内的巷道顶底板位移比正常多10~20 cm;巷道帮部锚杆受力比平常大2~4 MPa。     

大断层下盘采动对上盘煤层影响数值模拟研究

针对运河煤矿落差60~265m的F10逆断层下盘厚煤层开采实际,利用FLAC3D数值软件对大断层下盘工作面的回采进行模拟,分析采动后断层及其上盘区域煤层应力分布和覆岩变形特征。研究表明:下盘厚煤层开采后,工作面导水裂隙带范围未波及到F10断层,断层附近岩层下沉变形量较小,断层性质不会受到大的影响;断层上盘区域整体下沉,且向下发生了轻微的"倾斜",导致上盘区域应力分布发生变化;F10断层和DF14断层的影响,使得断层上盘区域构造应力明显,对上盘煤层安全开采有一定影响。     

福建含煤区逆冲推覆构造的类型及其对煤炭赋存的影响

福建省含煤区主要分布在闽西南坳陷带,区内出露的煤系地层主要为中二叠统童子岩组。区内煤系地层普遍发育有逆冲推覆构造。从逆冲推覆构造的断层性质、对煤系地层的控制作用不同,可分为3种类型。即:基底逆冲推覆构造、层间逆冲推覆构造、盖层逆冲推覆构造。基底逆冲推覆构造主要造成煤系地层下伏的老地层逆冲推覆至煤系地层之上。在地表上,表现为煤系地层被大面积的逆冲推覆体所掩盖,给地质找煤增加难度;层间逆冲推覆构造主要造成煤系地层之间的大面积重复,空间上煤系地层厚度大增,相应单平方面积的煤炭资源赋存量大幅增加;盖层逆冲推覆构造主要造成煤系地层推覆至煤系上覆地层之上,煤系地层作为相对运动的断层上盘,在运动过程中造成煤系地层支离破碎,从而大大降低了勘探价值。从形成机制分析,3类逆冲推覆构造形成的规模不一。基底逆冲推覆构造不论在深度、广度、力度上都表现的最为宏大,分布最为广泛。基底逆冲推覆构造的产生,彻底改变了福建煤系地层的赋存状态;层间逆冲推覆构造规模一般只有矿区规模;盖层逆冲推覆构造的规模最小。从有利于地质找煤角度分析,应着重加强基底逆冲推覆体下找煤研究。     

采动影响下断层附近矿压显现规律的相似模拟试验研究

为了研究采动影响下断层附近矿压显现规律,以曹村煤矿1010工作面的地质条件制作了两个相似材料试验模型,模拟工作面分别从断层下盘和上盘向断层推进研究了断层附近的矿压显现规律,研究结果显示:工作面由断层下盘向断层推进时,越靠近断层顶板稳定性越差,周期断裂步距小,当开采工作面在断层面位置时断层的正应力和剪应力达到最大值;当开采工作面从断层上盘向断层推进时,开采工作面顶板岩层断裂易于形成梁式结构,且断层滑移量相对保持不变;开采工作面经过断层后,断层的上下盘均发生显著运动,而主要以断层上盘沿断层面向下相对运动为主。     

断层附近"三软"煤层矿压显现规律的相似模拟研究

针对贵州矿区"三软"煤层开采过程中遇断层附近特殊地质条件下矿压显现异常的问题,采用相似模拟实验方法,根据米箩煤矿一采区3条下山东翼110302工作面的现场实际情况,设计并制作了二维相似材料模拟模型。相似模拟研究结果表明:当工作面开采接近断层时,工作面顶板周期来压步距变小;当工作面推进至断层水平距离为30 cm时,断层上盘相对于下盘岩层先出现滑移失稳现象;当工作面通过断层后,断层下盘相对于上盘再一次出现滑移失稳现象,断层面滑移失稳伴随着工作面矿压显现的异常。     

断层带结构特征及其封堵性

断层带具有分带结构特征,由断层两侧向断层中央可分为裂缝发育带、破碎带,破碎带内部断裂面附近又可以发育糜棱岩化的细碎带,泥质含量较多.断裂带结构发育特征与应力状态、岩层性质、断层活动期有关,并影响断裂带侧向和垂向的封闭性.依据断裂带是否发育,将断层封闭类型分为断裂带封闭型和对盘封闭型.     

大采深矿井断层防隔水煤(岩)柱留设的探讨

峰峰矿区断裂构造发育,在深部开采的一些矿井,由于水压高,在高压水头和矿山压力联合作用下,断层上盘开采或掘进时,可能发生突水事故,须留设防隔水煤(岩)柱,但由于水压高,留设的防隔水煤(岩)柱尺寸较大,影响正常生产,也不利于断层的导(含)水性、断层带胶结程度及断层带附近煤岩层完整性精准探查。因此,在保证巷道掘进安全的前提下,重新探讨矿井深部断层防隔水煤(岩)柱的留设,通过分析计算巷道掘进期间底板安全隔水层厚度、超前距表格及公式等,决定Ts暂取0.10 MPa/m进行计算留设,既能满足巷道掘进期间底板安全隔水层厚度及超前距,又能为断层的导(含)水性、断层带胶结程度及断层带附近煤岩层完整性进行探查与治理创造条件。     

推进方式对断层围岩应力演化规律的影响

煤炭开采中的冲击地压与断层构造密切相关,而工作面分别沿断层上盘和下盘推进时具有不同的冲击危险。为研究工作面推进方式与断层活动的相关性,以某过正断层工作面为例,通过数值计算分析不同推进方式下断层两盘接触应力状态的演化过程,基于对推进过程关键层破断规律的分析,研究断层应力演化差异性产生的原因,并通过工作面实际回采过程的微震监测数据,验证了采动影响下断层活化规律。研究发现:上盘开采时的断层应力变化幅度大于下盘开采时的应力变化幅度,上盘开采时断层围岩系统应力传递能力优于下盘开采;推进方式会影响上覆岩层破断后的覆岩结构和应力传递,上盘开采时关键层破断后更易形成砌体梁结构,且结构体系的稳定性高于下盘开采,下盘开采时工作面冲击危险性更高,须根据断层性质做好工作面布置和开采优化,进而降低冲击地压危险。     

大断层下盘采动对上盘煤层影响的相似材料模拟

针对运河煤矿落差60~265 m的F₁₀逆断层下盘厚煤层开采实际,采用相似材料模拟方法,研究了大断层下盘采动对上盘煤层的影响。研究结果表明：下盘厚煤层开采后,F₁₀断层附近压力增大且应力分布受到较大影响,断层下盘压力远大于上盘压力,在断层附近产生应力集中;工作面开采对断层上盘煤层的变形和应力影响较小,煤岩性质不会发生大的变化,对上盘煤层开采影响不大;距离采动区域较远的DF₁₄断层区域也受到工作面开采轻微影响。     

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。     

青海省全吉煤田逆冲推覆构造体下含煤远景分析

青海省全吉煤田内的逆冲推覆构造比较发育,且含煤地层属于软岩层,老的地层往往会在挤压应力的作用下,顺着断裂(断层)含煤地层形成逆冲推覆体构造,在这种逆冲推覆构造体下往往赋存含煤地层和煤层。分析了逆冲覆构造在全吉煤田大头羊、绿草沟、开源等煤矿有发育,为今后在全吉煤田乃至柴达木盆地寻找煤炭资源提供了新的指导方向。     

云南罗平复杂地层煤矿勘查泥浆体系的研究与应用

云南省曲靖市罗平县红丫口煤矿勘探项目临近大断裂带,受多期构造地质作用影响,走向逆断层发育,且发育有横向平移断层和少量正断层。地层受挤压变形严重,岩层倾角普遍较大,局部直立至倒转,地层破碎。上部漏水严重,下部钻遇多条断层破碎带以及煤系地层,造成钻进效率低下,钻孔事故频繁,甚至钻孔报废,严重影响勘查工作的顺利进行。针对这一系列的施工难题,经过多次研究和反复试验,探索出一种适合该矿区煤矿勘察复杂地层钻进的泥浆,保障了勘查项目的顺利完成。     

采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究

以义马矿区的F16大型逆冲断层为背景,结合断层影响下5个矿井的地质钻探和井下揭露情况搭建相似模型,在考虑断层面的分形特征和断层面两侧覆岩赋存特征的基础上,综合运用声发射监测、采场覆岩位移和采场应力监测系统,研究采动影响下断层"活化"前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征。研究表明:受逆冲断层南北两侧地层覆岩结构复杂和构造运动影响,断层"活化"前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应明显不同。断层"活化"前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板应力基本不受采动应力影响,声发射信号较弱。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值,声发射的总事件数和能率发生突变增加。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动,产生大量声发射信号。     

大型断层采动活化特征及对断层防水煤柱影响模拟研究

含、导水的大中型断层对于煤矿安全生产往往产生较大的危害,一般采用留设防水煤柱的方法加以防治。在采动条件下,断层会产生不同程度的活化,对防水煤柱的安全性造成一定的影响。通过对新集一矿F10断层水文工程地质条件分析,利用FLAC3D数值模拟软件,模拟工作面顺、逆断层开采时,断层带及两盘岩层位移、应力分布状态,分析两盘岩层移动、破坏特征及其对防水煤柱的影响。模拟结果表明,当上盘煤层开挖距断层15 m时,断层面两侧应力和位移发生差异性变化,存在"活化"趋势,对防水煤柱的影响较小,不会影响其安全性。当下盘煤层开挖距断层25 m时,断层发生明显变化,塑性带范围向上扩展到断层对盘岩层,存在明显的"活化"现象,对防水煤柱的影响较大。     

采场小断层对导水裂隙高度的影响

采用相似模拟实验对采场小断层（落差小于5 m）区域覆岩破断规律和断层构造裂隙的演化过程进行了研究,得出了采场小断层对导水裂隙高度的影响规律.工作面由下盘向上盘推进至正断层面附近时,下盘岩块回转导致煤壁前上方的断层面挤压闭合,煤壁后上方的断层面则处于张开状态;随工作面推进断层面经历张开-闭合-张开-闭合的过程,断层面导水裂隙高度比上、下盘竖向采动导水裂隙高度分别增大40%和61%.工作面由上盘向下盘过逆断层时,主要控制上盘岩层对支架的压力和推力;工作面进入下盘后顶板周期破断距变小,来压频繁;上盘主要表现为沿断层面的滑移;断层面导水裂隙高度与两盘岩层导水裂隙高度基本相等.     

逆断层倾角对断层两侧巷道围岩稳定性的影响

运用UDEC数值模拟软件,建立40°、60°、80°3种倾角的逆断层模型。通过分析巷道围岩塑性破坏特征、顶底板和两帮的移近量以及围岩垂直应力分布特征,研究逆断层倾角和上下盘关系对两侧巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明:巷道在逆断层上盘时,随断层倾角增大,围岩稳定性有降低的趋势;若巷道布置在逆断层下盘,断层倾角为60°时巷道围岩稳定性最差;若巷道布置在逆断层下盘,则顶底板移近量均小于在上盘时,而围岩塑性区范围、两帮移近量和巷道两侧应力的集中程度大于上盘,且断层倾角越大差值越大。     

临兴区块煤系地层多层合压可行性研究

针对煤系地层多层合压时煤与砂岩、页岩的差异较大,裂缝扩展针对煤系地层复杂,裂缝形态变化不可预知等问题,通过室内实验测量煤层顶底板地应力,建立多层有限元反演模型,进行煤层地应力反演计算,对不同类型地层合压的可行性进行分析。结果表明：反演计算结果误差小于5%,可信度较高;多层合压穿层条件为：裂缝为垂直缝、破裂压力相差小于5MPa、合压层相差小于18～20m;多储层合压时,上部储层条件较好,尽量避免压开下部煤层;下部煤层起裂时,支撑剂主要支撑下部煤层,对于上部地层而言,支撑效果相对差;煤层在上部,砂岩气层在下部,从煤层起裂可利用应力遮挡作用,增加在煤层中缝长。     

砂煤岩互层水力裂缝扩展规律的数值模拟研究

砂煤岩互层中都含气的情况下,采取多层联合压裂工艺进行煤层气和致密砂岩气的合采,但是地层垂向上岩石性质差异很大,地应力状态不同,从煤岩层起裂和从砂岩层起裂裂缝的形态可能会有很大的差别。采用有限元方法对砂煤岩互层中的裂缝进行了模拟研究,依据室内试验及现场数据,考虑了分层地应力、岩性差异、地层界面、施工条件的影响。采用全三维的裂缝扩展模型,分别模拟了砂岩层射孔起裂和煤层射孔起裂2种情况。结果表明,从砂岩层起裂的裂缝会在缝高方向上迅速突破煤岩层,在模型范围内,缝高大致是缝长的2倍,达不到压裂深穿透储层的目的。从煤岩层起裂的裂缝缝高方向受到砂岩层的遮挡作用,缝长较长,采取合理的施工参数裂缝可以扩展至砂岩层,推荐采取从煤层起裂的方式。并对煤层为起裂层这一情况下裂缝形态的影响因素进行了探讨,5 MPa左右的最小水平主应力差可以将裂缝限制在煤层中,地应力差为4 MPa时,存在7 m³/min的临界排量,推荐采取不小于7 m³/min的排量施工,低弹性模量、高抗拉强度、高渗透率的砂岩层有效限制了裂缝缝高方向的扩展,高黏度的压裂液有助于裂缝的穿层行为,但影响程度较弱,煤层推荐采取清水压裂液。