褶曲构造对煤巷围岩破裂范围及动压影响分析

以褶曲地质构造力学机理及其对煤巷围岩破裂范围和动压的影响为研究重点,采用矿山压力理论、现场原位试验和数值模拟等方法对窑街天祝煤矿3200工作面运输巷进行褶曲构造的力学分析,结合现场煤巷围岩破裂范围的声学测试结果,利用FLAC3D软件对采场褶曲地质构造三维矿压分布以及动力扰动下巷道围岩力学响应进行了数值模拟。研究表明:褶曲不同部位对应不同的应力状态,其中向斜部位构造应力最大,也最容易发生动压灾害,褶曲翼部构造应力次之,背斜部位最小;向斜部位对应煤巷松动范围最大,过渡段次之,背斜部位最小;煤巷向斜区段煤壁前方支承压力更为集中,顶板沉降位移最大且同等程度动力扰动下该位置巷道变形及塑性破坏范围最大,发生冒顶、动压灾害的可能性也最大。     

基于地应力反演的构造应力区沿空巷道窄煤柱宽度优化研究

基于地应力测量和三维建模技术,对黄岩汇15111工作面褶曲构造应力场进行了反演,研究了构造应力区采空区边缘不同位置处煤层顶板垂直应力的分布特征,不同位置处护巷煤柱上垂直应力、巷道顶板水平应力、以及巷道围岩变形量随煤柱宽度增加而变化的规律,并据此探索了一种确定构造应力区沿空巷道合理窄煤柱宽度方法,确定该构造应力区窄煤柱宽度为6.5 m。研究发现:构造应力区采空区边缘应力集中系数减少量在背斜左翼、向斜右翼中部最为明显;处于背斜左翼、向斜右翼中心对称位置煤柱上垂直应力、巷道顶板水平应力曲线呈“分别相似”特征,且该特征随着煤柱宽度增加而变得明显;构造应力区窄煤柱上垂直应力峰值偏向巷道侧,且垂直应力场随着煤柱宽度增加出现明显的内、外应力场;构造应力对沿空巷道顶板水平应力的分布也有影响,煤柱宽度为4.0~8.0 m时,巷道顶板水平应力自褶曲背向斜交界处向背、向斜轴部呈递减趋势,煤柱宽度为9.0~16.0 m时,呈递增趋势;褶曲对巷道围岩变形量的影响在煤柱宽度较窄时较为明显,在煤柱宽度4.0~10.0 m时,褶曲背、向斜中心对称位置巷道围岩变形量呈“分别相似”特征,煤柱宽度大于10.0 m后褶曲背、向斜中心对称位置巷道围岩变形量变化特征趋于一致。     

向斜作用下回采巷道冲击地压力学分析及冲击特性研究

为探索向斜对回采巷道冲击地压的作用机制,以河南某矿区21221工作面为研究背景,采用力学分析、CDEM数值计算及现场实践相结合的方法,对向斜作用下回采巷道围岩冲击特性规律展开研究。建立了向斜作用下回采巷道力学模型及数值计算模型,分析了向斜作用下回采巷道围岩能量随采动影响变化趋势,得出如下结论：(1)向斜作用下回采巷道底板围岩应力集中较大,易发底板冲击,帮部围岩应力集中相对较高,可发帮部冲击,顶板围岩应力较小,不易发顶板冲击;(2)向斜作用下回采巷道围岩能量随采动影响总体上呈现先急剧增大,后持续稳定,然后突变降低,最后持续稳增加到一定应力状态,或者稳定不变;(3)向斜轴部巷道围岩变形以底鼓为主,向斜翼部巷道围岩变形是底板和帮部同时变形,向斜轴部巷道围岩变形整体上大于向斜翼部,前者底鼓量约为后者的2倍,且向斜轴部巷道底板深度1～3 m围岩变形剧烈,底板深度5～8 m围岩较为稳定,而向斜翼部巷道底板深度1 m围岩变形明显大于底板深度2～8 m围岩。力学分析及现场应用表明,其与数值计算结果较为吻合。     

褶曲向斜构造区巷道底板失稳冲击机理与防治技术研究

针对余吾矿N2105工作面回采至褶曲向斜构造区时,超前工作面煤壁一定范围内的进风平巷内出现严重的底鼓变形破坏,发生了两次底板冲击地压事故,采用现场调研、理论分析、数值模拟、微震监测、井下试验等方法观测矿压,对向斜构造区底板失稳破坏机制与控制对策进行研究。研究结果表明:褶曲向斜构造区侧压系数λ在1.56~2.18之间,属于强构造应力区;当侧压系数λ大于1.5后,巷道底板塑性破坏区范围急剧增加,底板煤岩体稳定性恶化;巷帮大孔径卸压能够有效减小动静载组合叠加强度,释放巷道浅部围岩应力集中,对顶底板变形破坏有很好的防治作用。     

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。     

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.     

地质构造对煤层气井产能的控制机理与规律

探讨了构造演化与构造形态对煤层气井产能的控制机理,并结合沁南地区樊庄矿区实践,分析了构造对不同产能煤层气井分布的控制规律。研究表明:构造演化控制煤层气的整个成藏过程;后期构造形态对煤层气的运移和保存至关重要,褶曲两翼及向斜核部含气量高,背斜核部及开放性断层附近含气量低。同时对樊庄矿区研究表明:煤层气井产能与所处构造部位密切相关,高产井主要分布于褶曲构造翼部、复向斜的次级背斜核部及复背斜的次级向斜核部,日均产气量可达1 000～5 000 m3;低产井及产水井主要分布于复背斜的次级背斜核部及正断层断裂带附近,日均产气量小于500 m3。     

水平应力影响下深部近距离巷道围岩稳定性研究

为研究水平应力对巷道围岩支护稳定性的影响,以济三煤矿183_下05工作面运输平巷为工程背景,采用FLAC~(3D)数值模拟软件,通过数值模拟对比分析,研究水平应力对受近距离上煤层采动影响的煤巷围岩应力分布及变形破坏影响规律。研究结果表明,受水平应力影响时,无论巷道帮部有无锚索支护,巷道围岩变形量均显著增大,围岩稳定性降低,水平应力对于巷道稳定性影响显著。     

高应力岩层巷道钻孔爆破卸压技术

为了深入研究深部高应力岩层巷道围岩松动爆破卸压技术,针对高应力巷道围岩受采动影响的变形破坏特点,采用FLAC数值模拟软件对深部动压巷道围岩进行了松动爆破卸压模拟,结果表明在松动区域轴向平行于巷道顶板和帮部时,在距巷道顶板和帮部围岩5 m处进行爆破,可以在巷道周围形成一个松动区域,使巷道围岩浅部应力与深部集中高应力隔离开,达到巷道围岩集中应力向深部转移和改善巷道围岩受力状态的目的.通过工程实践,验证了模拟方案的合理性,并使爆破参数得到了优化.     

褶曲区域层状岩体巷道围岩变形破坏异化特征与控制对策

针对褶曲区域巷道围岩变形剧烈、冒顶隐患严重、支护维护困难等难题,以赵固二矿二1煤层褶曲区域层状岩体巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法,分析了赵固二矿煤层巷道褶曲区域应力环境特征及其作用下的塑性破坏形态。结果表明:褶曲构造区域巷道围岩应力环境均会呈现极不等压特征,导致巷道围岩塑性区出现异化扩展,与传统理论所认为的圆形、椭圆形等塑性区形态有很大不同,巷道所处应力环境的应力集中系数、主应力比值、主应力方向旋转角度等参数越大,塑性区异化扩展越明显,巷道变形破坏程度、隐患冒顶高度也越大。据此提出采用对接长锚杆技术为主的支护系统,可以与顶板围岩协调变形并提供持续高支护阻力,现场应用效果良好,为褶曲区域巷道围岩稳定性控制提供了新手段。     

向斜轴部煤层巷道支护技术研究

崔木煤矿北翼带式输送机大巷布置在花园坡向斜轴部,由于受到向斜轴部的高应力影响,巷道围岩在掘进期间变形已非常明显。为了保证大巷在使用期间满足生产要求,针对现场的变形实际情况采用高强预应力锚梁网索支护技术。现场的试验结果表明,该方案能够有效控制围岩变形。     

复杂构造突出煤层地应力分布与损伤状态模拟

复杂地质构造突出煤层中地应力分布与煤体损伤状态对煤层瓦斯赋存状态与瓦斯压力梯度分布起着重要作用。运用岩石力学模拟软件分析了里王庙矿-1152石门与坦家冲矿236-80石门揭煤区域复杂地质构造突出煤层中地应力分布与煤体破坏规律,结果显示:在曲率较大位置的煤层顶底板岩层极易出现水平应力集中的现象,构造区域煤层内水平应力呈现明显的竖直层状分布,在一定程度上导致了在煤与瓦斯突出过程中煤层会呈层状破坏向外喷出现象的产生;在背斜或向斜轴部附近的翼部区域会存在应力梯度变化拐点,应力变化明显;褶皱背斜轴部及其附近区域出现了应力中和面,且中和面附近翼部区域煤体最先产生破坏,且破坏最为严重。     

直角梯形巷道围岩应力非对称特征数值模拟研究

针对石炭井二矿区倾斜煤层直角梯形巷道围岩出现非对称变形破坏,给巷道的稳定性控制和支护带来很大困难的问题,采用数值模拟方法,对该矿区巷道垂直应力、水平应力及水平位移进行了系统分析研究,给出了倾斜煤层直角梯形巷道围岩应力的分布规律及破坏特征。研究结果表明:巷道两帮、顶板及尖角处均呈现明显的非对称应力集中现象,主要表现为两帮应力集中峰值和距帮部侧壁的距离差异明显,并随着倾角和地应力增大而增大,当倾角为18°～27°,低帮应力集中峰值为高帮的1.07～1.33倍,高帮到巷道帮部侧壁的距离比低帮大1.26～3.79 m。其次沿煤层倾角相同方向对称的两尖角处表现为明显的压应力区,而相反方向两尖角处则表现为明显的拉应力区,且压应力和拉应力的最大值均出现在巷道顶板的两尖角处,其破坏特征表现为低帮一侧及底板严重的变形破坏。     

褶曲构造型矿区地应力测量、反演及其应用

矿井地应力研究对于煤矿围岩控制和动力灾害防治具有重要的意义。基于矿区构造应力场演化特征和地应力现场实测,分析褶曲构造型矿区的地应力场类型及量级,研究褶曲构造对地应力的影响。采用多元线性回归分析方法,反演褶曲构造型矿区的地应力场分布情况。通过分析褶曲构造型矿区地应力与矿井灾害的关系,提出地应力测量及反演在矿井围岩稳定性设计和动力灾害防治中的应用方法。研究结果表明,褶曲构造型矿区地应力场分布受地质构造影响显著,属于σ_Hσ_hσ_v型水平主控应力场;褶曲轴部应力值较大,最大主应力方向与轴部走向垂直,翼部会发生一定的偏转。根据地应力场反演结果可知,地应力集中程度与褶曲产状密切相关,褶曲变异程度越大,其附近区域应力集中程度越明显;褶曲构造型矿区地应力与巷道稳定性、冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害有着紧密的联系,通过地应力测量及反演可以有效指导矿井进行巷道优化布置和灾害防治。     

深部破碎巷道应力演化与围岩控制技术数值模拟

为解决某金属矿深部破碎围岩巷道支护的难题,采用FLAC3D对不同支护方案下巷道围岩失稳破坏情况进行了数值模拟.分析了巷道在无支护、锚杆支护、锚喷支护和锚喷+锚索支护等不同条件下围岩的变形规律.结果表明:在不同支护条件下,巷道围岩垂直应力在距离巷道帮部约2 m?5 m处出现了"耳廓型"的压应力集中;巷道围岩水平应力呈现非...     

糯东煤矿松软围岩巷道变形破坏研究

针对深部围岩巷道变形破坏的问题,以糯东煤矿北翼轨道巷道围岩为工程背景,采用钻孔窥视成像技术及现场监测相结合研究研究巷道围岩变形破坏特征。研究结果表明:北翼轨道巷道围岩变形量随时间的增加而增加;通过钻孔成像技术可知,北翼轨道帮部围岩在0~3.0 m处为围岩第一破裂化区域（破碎区）,但破碎程度依次减小;4.0 m处为岩层稳定区,局部仍出现离层或破裂现象,但围岩整体稳定;北翼轨道顶板围岩在0~5.0 m处为围岩第一破裂化区域,6.0 m为岩层稳定区。研究可为深部围岩巷道变形控制提供理论依据。     

不同水平应力对巷道稳定性的模拟研究

水平构造应力是影响巷道围岩稳定的重要因素之一,通过相似材料模拟试验和数值模拟方法研究不同水平应力作用下锚杆支护巷道以及无支护条件下巷道围岩变形破坏特征.物理模拟较好的反映了巷道顶板的冒落和底板的鼓起状况,数值模拟反映巷道周围塑性范围和应力分布.模拟结果表明,随着水平应力增加,水平应力向巷道顶底板深部传递的趋势明显,导致巷道底鼓及褶皱形破坏,顶板剪切变形及楔形冒落.顶底板变形破坏大于巷道两帮的变形破坏.因此,高水平应力作用下,巷道顶底板是巷道控制的重点.锚网索喷一次支护配合长环形U钢支架二次支护是解决高水平应力作用下巷道支护的有效手段之一.     

褶曲构造型矿区地应力场分布特征与冲击机制

褶曲构造附近往往是冲击地压的多发区域,该区域较高的原岩应力对冲击地压的发生有着重要的影响。基于典型褶曲构造型矿区构造分布特征和地应力测试结果,分析矿区地应力场类型及与构造分布的关系,通过地应力场反演方法分析矿区地应力场的分布规律,结合矿区冲击破坏特征和力学分析方法,提出了褶曲构造型矿区冲击地压的发生机制。研究结果表明:褶曲构造型矿区地应力场以水平应力为主,最大主应力方向与褶曲轴线垂直;轴部附近往往是应力的集中区域,且随着褶曲变异程度的增大,区域应力集中程度越明显、影响范围越广;矿区冲击破坏以底板破坏为主;开采扰动导致巷道围岩集中静载荷显著增大和坚硬顶板断裂产生动载荷的耦合作用诱发了褶曲构造型矿区的冲击地压。     

深部巷道开挖加卸荷诱发围岩失稳的模拟研究

为研究深部巷道开挖引起的加卸荷现象及其诱发的围岩失稳,以埋深为1 275m的云南某矿山8#矿体1261中段沿脉巷道为背景,采用FLAC3D软件对巷道的应力场、位移场和塑性破坏区的演化规律进行模拟分析,探究开挖引起的加卸荷情况及其对巷道围岩稳定性的影响。结果表明:开挖结束后,巷道围岩应力重新调整,其帮部、斜底脚以及斜拱顶处加卸荷现象明显;随着开挖的进行,巷道斜底脚处围岩应力逐渐增加,而其余位置的围岩应力逐渐减少。8#矿体有着中等至强烈岩爆倾向,主要危险区域为巷道折角处;巷道围岩位移量:拱顶帮部底板斜拱肩拱肩斜底脚。     

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。