动静载作用下逆冲断层力学失稳机制研究

冲击地压往往发生在逆冲断层等地质构造附近,并且煤矿井下集中静载荷、顶板断裂等动载荷均对逆冲断层失稳具有重要的影响。基于典型逆冲断层工程实例的冲击显现特征分析,研究了静载荷作用下逆冲断层的活化过程以及采动应力场、位移场动态演化规律,通过施加动载应力波分析了逆冲断层的动力学响应特征,结合动静载作用下逆冲断层的力学特点,建立了断层失稳的多滑块-弹簧力学模型,并提出了逆冲断层冲击地压防治技术。研究结果表明:开采引起覆岩裂隙扩展并与断层带贯通是断层活化的直接原因;开采活动对断层的扰动呈现明显的分区性,扰动顺序是先上部、再中部、最后下部,且应力要先于位移受影响;动载对断层的扰动也是分区域的,将导致上部先失稳;采动并不是直接导致整个断层的滑移,而是优先引起某个或连续几个子系统的"局部失稳";基于动静载失稳理论的逆冲断层冲击地压防治技术主要包括深孔断顶爆破、煤层卸压技术、断底爆破等。     

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。     

巨型逆冲断层开采扰动活化条件研究

针对巨型逆冲断层活化诱发冲击地压事故的严峻形势,以耿村典型巨型逆冲断层冲击地压矿井为例,建立了断层活化分析数学模型和相似模拟模型,研究了逆冲断层的活化条件和影响因素、以及巨型逆冲断层在冲击地压形成过程中的作用。结果表明:影响断层活化的因素包括断层倾角、断层介质黏聚力、断层介质内摩擦角和水平推力作用位置;随断层倾角的增大,断层活化时的正应力、剪应力减小,水平推力先增大后减小;断层材料黏聚力对煤壁与断层间的距离影响不大,但对断层应力影响很大;随断层内摩擦角的增大,断层活化时的正应力减小、剪应力增大,水平推力减小;随水平推力作用位置的增大,断层活化时的正应力、剪应力和水平推力均减小;通过相似模拟试验,得到耿村煤矿冲击地压属于巨型逆冲断层控制下,高应力、大范围、区域性的顶板型冲击,其失稳模型为底板型失稳,且距离断层越接近危险越严重。     

采动影响下逆断层阶段性活化诱冲机制

为了探明采动影响下逆断层诱冲机制,结合现场数据、理论推导以及数值模拟方法,综合分析了采动影响下逆断层活化过程,从动静载扰动的角度进一步分析了采动影响下逆断层诱冲机制。采动影响下逆断层活化为阶段性过程,通过滑移倾向性指标T_s以及滑移量的分析可以将该过程分为3个不同的阶段。研究表明:逆断层高位区域T_s值及滑移量较大,为断层面活化过程中的危险区域,且断层面活化危险程度受断层倾角以及工作面到断层距离l的影响。逆断层的存在改变了井下开采结构,造成了工作面应力状态的改变,且逆断层阶段性活化过程中会不同程度的释放能量。数值模拟结果表明:采动影响下逆断层诱冲机制主要由动静载2方面引起:静载扰动方面,逆断层倾角的减小会造成工作面超前支承压力集中系数的增大,加大了冲击地压危险性;另一方面,逆断层阶段性活化过程中释放的能量以动载的方式对工作面造成冲击,该能量可以用地震矩M₀来表征。M₀与工作面到断层距离l之间存在指数相关性,该相关性中的p,q值可以用来表征工作面在回采过程中逆断层能量积累程度。p值反映开采后期断层面能量积...     

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。     

采场顶板尖灭逆断层区围岩变形及支架承载特征研究

针对综采面过逆断层区煤壁易片帮的技术难题,结合邹庄矿3204工作面地质赋存条件和开采实际,采用数值模拟结合现场实测的研究方法,研究了受逆断层影响支架呈现高压特征的覆岩运动剧烈区和平缓区,揭示了断层超前工作面活化、断层区内煤壁易片帮的特点,结合逆断层高压区和低压区支架工作阻力实测结果,得到JF23,JF21逆断层预加固距离分别为22,34 m,数值模拟结果与现场实测情况基本吻合。工作面支架配前伸缩梁,有效解决了断层区煤壁片帮难题。研究结果为工作面过逆断层的预加固距离及液压支架的适应性评价提供了理论依据。     

断层影响下综采工作面矿压规律研究

依据北阳庄矿5煤层断层构造发育,工作面生产受断层影响程度大的特点,从理论分析、数值模拟和现场观测分析了受断层影响的11502综采工作面的矿压规律,提出了过断层期间的围岩控制措施,取得了良好的控制效果,保障了综采工作面过断层期间的安全生产。     

首采工作面覆岩矿压显现特征研究

运用UDEC数值模拟、现场矿压实测等综合研究手段,对12326工作面矿压显现及覆岩移动破坏特征进行研究。研究表明:工作面煤壁前方周期来压时支撑压力集中系数最大值为2.36;切眼位置与工作面位置下沉曲线呈现不对称;超前支护范围控制在35 m左右。     

采动影响下的断层活化数值模拟

为了研究采动影响下断层的活化规律,利用软件RFPA对井田断层F11进行了模拟。模拟过程显示,随着工作面的推进,煤壁附近出现应力集中,2个约束端受力最大,最容易发生破坏。当向前推进到90 m时断层开始发生活化,导水裂隙带发育高度35~50 m。     

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。     

深部煤矿采动诱发断层活动规律

根据现场的地质资料,通过二维相似模型实验,利用经纬仪监测到深部采动影响下断层活动的水平位移,并通过数字散斑相关方法(DSCM)及不连续变形方法(DDA)对实验结果进行了分析.实验表明： 当工作面推进到离断层15~40 m时,断层开始活化,并且产生水平位移;当工作面离断层1~2 m时,断层水平位移达到最大值,为2~5 cm.断层附近的水平位移呈现出马鞍形,证实了断层附近发生了滑移错动.      

开采沉陷中不同断层活化模式研究

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究开采沉陷中断层活化机理,通过理论推导将开采沉陷中断层活化分为"断层面产生离层空间"、"煤柱压缩"两种断层活化模式并分别利用数值模拟和现场实例进行了验证。研究结果表明:①采动将造成断层面产生离层空间,离层空间以下沉系数等于1传递给松散层造成断层露头处地表产生台阶下沉,影响断层离层空间的主要因素有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角、断层是否含水、断层带岩体内摩擦角及黏聚力等;②断层面离层空间随着工作面推进长度的增加而增加,当工作面推进一定长度时不再变化;断层面离层空间随着基岩厚度的增加而线性增加;断层面离层空间随着保护煤柱宽度增加而减小;断层面离层空间随煤层厚度增加而线性增加;断层面离层空间随断层倾角增大而增加;断层带岩体原生水的存在对断层面离层空间产生具有促进作用;断层面离层空间随断层带岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小;③工作面主要影响角和断层倾角的大小关系控制"断层面产生离层空间"模式断层活化,当断层倾角大于主要影响角并与主要影响角在基岩内相交时,断层将活化;④当断层倾角小于主要影响角时,工作面超前支承压力影响范围控制"煤柱压缩"模式断层活化,当工作面超前支承压力接触断层时,断层将活化。     

逆断层不同倾角对采场冲击地压的诱导分析

归纳了易造成冲击地压发生的主控参量,分析了断层倾角对冲击效应的力学机理,建立了逆断层简化模型,研究了不同断层倾角条件下的应力场、能量场、顶板下沉量等诱冲因素对冲击地压的基本作用规律。研究表明:上盘开采时,断层倾角小于45°的工作面超前支承压力峰值、弹性能峰值及顶板下沉量随断层倾角的增大而增大,大于45°时随断层倾角的增大而减小;下盘开采时,工作面超前支承压力峰值随断层倾角的增大而减小,且断层倾角为60°及75°时,工作面超前支承压力峰值前移,增加了冲击危险性;断层倾角大于45°的工作面前方弹性能峰值及顶板下沉量随断层倾角的增大而减小,小于45°的随断层倾角的增大而增大。无论上盘或下盘开采,断层区域弹性能及垂直应力都随着断层倾角的增加而增加。总体而言,断层倾角对下盘开采影响比上盘大。     

断层采动活化对导水裂隙带高度影响的模拟实验研究

通过物理模拟研究了断层采动活化对导水裂隙带高度的影响,实验结果表明:断层断至层位在正常导水裂隙带范围内,断层活化对导水裂隙带高度没有影响;断层断至层位在正常导水裂隙带范围之外,受断层切割的关键层因断层活化而失去控制作用,导水裂隙带将发育到上一层关键层的底部;断层断至层位高度相同时,导水裂隙带发育高度相同,但此时工作面推进方向与断层面倾向的位置关系对导水裂隙发育速度有一定影响。     

露头煤开采覆岩运动变异规律微地震监测研究

覆岩运动规律对导水裂隙带发育高度具有决定作用,基于对鲁西煤矿露头区域工作面覆岩运动岩石破裂事件的井下微地震监测定位的研究,结果表明,露头煤层开采与深部煤层开采具有不同的覆岩运动规律,覆岩导水裂隙带高度降低30%左右,导水裂隙带分布形态不再具有马鞍型对称的特点.最后根据露头区域煤层开采覆岩运动变异规律,提出了其在露头防水煤岩柱设计中的方法.     

某矿区带压开采逆断层活化及突水性分析

根据某矿区732工作面的实际地质特征，建立了力学模型，给出了断层位置法向应力和剪应力的计算公式，计算了该矿区在开采过程中F16逆断层面上的法向应力和剪应力，得出：随着732工作面的开挖，F16逆断层面产生附加法向应力和附加剪应力，附加的法向应力使得断层带内张性裂隙产生与发展，附加的剪应力使得断层带内剪切裂隙和断层两侧的剪节理张开，透水性增强。在此基础上，利用RFPA 2D Flow有限元软件模拟了732工作面开采过程中顶板破坏情况及底板渗流特征，结果表明：732工作面开挖过程中，由于F16逆断层浅部紧闭不导水以及底板页岩未破坏，对盘含水层到采场之间没有形成贯通的裂隙通道，奥灰水不能溃入采场，底板渗流量不足以发生突水危险。     

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。