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。     

上下盘开采断层滑移失稳诱发地表异常沉陷机理研究

当工作面上覆岩层中含有断层,开采造成断层带岩体滑移失稳时,断层露头处地表移动变形值往往异常增大.含有断层时的地表移动变形规律与不含断层时具有显著差别.为研究上下盘开采断层滑移失稳诱发地表异常沉陷机理,通过理论推导建立上下盘开采断层滑移失稳力学模型和土体近似悬臂断裂模型,并结合数值模拟和相似模拟实验对比分析上下盘开采断层滑移失稳机理及其难易程度.研究结果表明:断层露头处地表异常沉陷是断层滑移失稳后土体在断层露头处受悬臂作用而发生断裂的结果,上盘开采断层露头附近地表裂隙或台阶偏向采空区外侧,下盘开采断层露头附近地表裂隙或台阶偏向采空区;上盘开采断层可稳定区域比下盘开采大,上盘开采断层更容易维持稳定,下盘开采断层露头处地表更容易产生台阶下沉;上盘开采随断层倾角增大,断层稳定性变差,下盘开采当断层倾角小于断层带岩体内摩擦角时,断层一定会滑移失稳,而下盘开采随断层倾角增大,断层稳定性增强;下盘开采断层露头处剪应力与正应力的比值为上盘开采的5倍左右,下盘开采断层带岩体更容易滑移失稳;断层作为岩体中天然弱面存在,对采动应力的传递具有阻断效应.研究结果对分析断层影响下的地表沉陷规律及断层露头处建、构筑物的保护具有一定意义.     

采动诱发断层滑移失稳的研究

以济三煤矿6303面地质条件为背景,进行了断层滑移失稳相似模拟试验及数值模拟.研究表明,工作面由断层下盘向断层推进,在采动影响下断层面正应力下降,剪应力上升,断层发生"活化",断层滑移量急剧增加,顶板稳定性变差,工作面支承压力升高;工作面过断层后,断层正应力增加,剪应力减小,顶板易于形成平衡结构,矿压显现不明显.工作面由断层上盘向断层推进,断层面正应力上升,断层不易于"活化",断层滑移量较小,顶板易于形成平衡结构;工作面过断层后,断层正应力迅速下降,断层滑移量增加,顶板稳定性差,工作面支承压力增加.通过对比分析,可以确定当工作面位于断层下盘时冲击矿压危险性远高于工作面位于上盘时的危险性.并通过对几个煤矿断层冲击矿压现象的分析从而验证了该结论的正确性.     

采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理

根据断层滑移失稳与煤岩冲击矿压的关系,建立了断层滑移诱发煤岩冲击的黏滑-黏弹脆性体突变模型。以山东济三煤矿6303工作面地质资料为背景,采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对顶板运动的影响。研究结果表明：断层滑移诱发煤岩冲击分为两种力学机制,一是在断层活动条件下“断层滑移失稳动态诱发冲击矿压机理”;二是在断层相对稳定条件下“断层滑移稳态诱发冲击矿压机理”。断层滑移失稳动态诱发冲击矿压与断层滑移稳态诱发冲击矿压相比,更容易发生冲击矿压,且释放能量更多。断层滑移速度与工作面推进速度、工作面距断层距离、断层面力学性质、断层正压力和开采深度有关。工作面无论是由断层下盘还是由断层上盘向断层推进,工作面距断层越近,断层滑移量、滑移速度越大。工作面由断层下盘向断层推进时断层滑移量、滑移速度远大于工作面由上盘向断层推进时的,发生断层冲击矿压的危险性就越高。     

分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究

为了研究采动影响下断层活化规律,利用分布式光纤传感技术对工作面推进过程中断层面的应力状态进行监测。采用物理相似模型模拟工作面从上、下盘向断层推进的过程,制作2个岩性参数和断层构造相同、推进方向相反的相似材料模型,模型中埋入垂直、倾斜传感光纤,获得了断层面的应力变化、采场覆岩变形以及断层相对滑移实验数据。实验结果表明,工作面从下盘向断层推进时,引起断层面的附加剪应力集中程度远大于工作面上盘推进时,约为上盘推进时的2.2倍;断层面上部岩层先于下部受到工作面采动影响;下盘推进先于上盘推进发生断层活化失稳危险,断层活化失稳危险性最高时工作面与断层距离约为上盘推进时的1.8倍。利用分布式光纤传感技术验证了相比上盘推进,下盘推进时采动影响下断层更易活化的理论推理。断层区域工作面优先布置在上盘,有利于矿压控制,保证安全高效开采。     

断层对顶板型冲击矿压的影响

为了研究断层附近冲击矿压发生规律,必须了解断层附近顶板运动特征.本文分析了顶板运动对冲击矿压的作用,采用"砌体梁"理论研究了断层倾向对顶板平衡结构的影响.以济三煤矿6303面地质资料为背景,通过FLAC5.02D软件建立了相应的分析模型,模拟了煤层开采过程中断层对顶板运动的影响.结果表明:无论工作面是由断层下盘向断层推进,还是由断层上盘向断层推进,随着工作面距断层面距离的缩小,顶板稳定性变差.当工作面由断层下盘向断层推进时,在采动影响下断层易"活化",顶板岩体利用断裂结构面发生滑移、回转和破坏失稳,从而导致顶板型冲击矿压.当工作面从断层上盘向断层推进时,顶板岩体易于形成平衡结构,顶板下沉量较小,顶板运动较为平缓,断层冲击矿压的危险性就会小的多.通过对比分析,可确定当工作面从正断层下盘向断层推进时冲击矿压的危险性远高于工作面从上盘向断层推进时的危险性.     

分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究

为了研究采动影响下断层活化规律，利用分布式光纤传感技术对工作面推进过程中断层面的应力状态进行监测。采用物理相似模型模拟工作面从上、下盘向断层推进的过程，制作2个岩性参数和断层构造相同、推进方向相反的相似材料模型，模型中埋入垂直、倾斜传感光纤，获得了断层面的应力变化、采场覆岩变形以及断层相对滑移实验数据。实验结果表明，工作面从下盘向断层推进时，引起断层面的附加剪应力集中程度远大于工作面上盘推进时，约为上盘推进时的2.2倍；断层面上部岩层先于下部受到工作面采动影响；下盘推进先于上盘推进发生断层活化失稳危险，断层活化失稳危险性最高时工作面与断层距离约为上盘推进时的1.8倍。利用分布式光纤传感技术验证了相比上盘推进，下盘推进时采动影响下断层更易活化的理论推理。断层区域工作面优先布置在上盘，有利于矿压控制，保证安全高效开采。     

断层条件下开采时矿压显现规律的数值模拟

为了弄清朱集东矿1111(1)综采作业面在断层条件下推进过程中的矿压显现规律,采用RFPA2D-Strata软件,对比模拟分析了工作面从断层上盘、下盘向前推进过程中断层对工作面支承压力的影响。结果表明：在断层条件下,无论从上盘还是下盘开采,工作面离断层较近时,工作面前方都会产生较高的应力峰值,形成冲击危险;相较于在上盘断层开采,工作面位于下盘断层时产生的应力集中系数更高,冲击危险性也更高。     

采掘工程对断层面滑移失稳影响的模拟研究

采掘工程破坏了断层围岩原有的应力平衡状态,使断层发生滑移,严重时会引发冲击地压。为了研究采掘工程对断层的影响,采用UDEC数值模拟软件,分别模拟了断层下盘和断层上盘煤层开采,分析采掘工程对断层面滑移的影响。研究表明:距断层面相同距离时,下盘开采较上盘开采对断层滑移量的影响更大,下盘开采较上盘开采更容易发生断层冲击地压。     

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。     

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。     

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。     

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。     

采动效应下逆断层顶板突水规律相似模拟

以大平煤矿N2S3工作面作为相似模拟研究对象,采用相似模拟试验对下盘开采逆断层的活化失稳过程进行研究,分析了工作面推进过程中断层面应力演化特征,探索断层对采区工作面突水的影响规律。研究表明:随着工作面的推进,断层整体呈"上端活化—上端闭合—下端活化"的演化规律,断层上下盘之间相对运动逐渐向其下端发展。当下盘开采工作面位于逆断层附近30 m范围内时,断层带整体活化将导致了采空区突水事故的发生,此时需要通过留设断层防水煤岩柱来达到安全开采的目的。     

采动影响下断层覆岩运移规律的相似模拟研究

为研究断层在开采活动下的运移规律及其煤柱留设,以新疆屯宝煤矿1192工作面为研究对象,采用相似材料模拟,搭建仿真模拟实验架,分析该工作面开采过程中断层上下盘移动规律,确定合理断层煤柱。试验结果表明:煤柱留设在17m左右,断层上下盘出现移动现象,并出现支撑压力集中现象;12m左右,出现断层上下盘下移现象;9m左右,断层上下盘均向上移动,如若持续推进,断层将出现上盘向下移动,下盘向上移动,形成对断层围岩的剪切破坏。     

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。     

深井工作面向地垒构造开采煤岩体采动响应特征

地垒构造为影响安全开采的重要因素，为分析工作面过地垒构造开采时两盘覆岩的运动规律及工作面前方支承应力的演化特征和断层活化规律，基于UDEC数值模拟软件进行研究。结果表明：工作面接近地垒构造时，上覆岩层向采空区发生回转，易引起断层活化滑移；工作面在地垒构造中，若煤体上方基本顶无法形成铰接结构，易引发断层煤柱失稳破坏煤体；由数值模拟可知，上盘工作面开采影响大于下盘工作面影响，其影响主要表现为断层冲击地压诱发影响开采范围大、断层滑移诱发冲击地压的危险性高。研究明确了地垒构造对地下工程作业的影响规律。     

正断层上盘边角煤开采诱发断层活化规律

为研究边角煤工作面采动断层活化规律,基于兴隆庄煤矿肖家庄三号正断层上盘5313工作面遗留边角煤开采,采用数值模拟研究工作面采动不同层位断层面应力和断层滑移量演化规律,分析采动诱发断层活化失稳的可能性。研究结果表明:随工作面与断层距离减小,断层面剪切应力与法向应力增大,两者比值升高,同时断层滑移量随之增长,断层活化失稳可能性增大;当工作面距断层小于30 m时,断层面应力比值显著升高,滑移量剧烈增大,断层活化最为显著。     

断层上下盘采动活化突水数值模拟研究

 摘 要：为了研究断层上下盘开采活动对断层活化突水的影响规律,本文利用数值计算软件FLAC3d,结合赵固二矿F109正断层的实际地质条件,建立数值计算模型。研究了工作面分别布置于断层上下盘时周边围岩应力场与渗流场的耦合作用,以及周边岩体应力和位移的变化情况。模拟结果表明,断层活化突水是塑性破坏场与渗流场相互耦合作用的过程;当工作面布置在断层上盘时,开采过程中底板位移量较大,断层上盘承受的垂向应力较断层下盘要大。断层上下盘开采活动对断层活化影响作用不同,工作面布置于断层下盘开采更安全。