下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

深部开采地表沉陷特征的数值模拟

随着煤矿开采深度的增加，深部岩体的力学行为在赋存状态改变的情形下趋于复杂，深部开采引起的地表沉陷不同于浅部．数值模拟与现场实测结果表明：当采宽一定时，深部开采中的地面各项移动变形值均小于浅部，对覆岩局部和地面起控制作用的关键层增多，影响了深部开采中的地表沉陷．深部的煤岩体在高地应力状态下受采后高附加应力的影响，远离工作面的煤柱均出现不同程度的压缩变形现象，煤岩柱整体压缩变形是深部开采地表沉陷的特殊组成部分，导致了、深部开采引起的地面影响范围及岩层内部移动边界线都大于浅部，这对深部开采岩层移动角参数有很大影响．     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

深部开采地表沉陷特征的数值模拟

随着煤矿开采深度的增加,深部岩体的力学行为在赋存状态改变的情形下趋于复杂,深部开采引起的地表沉陷不同于浅部.数值模拟与现场实测结果表明当采宽一定时,深部开采中的地面各项移动变形值均小于浅部,对覆岩局部和地面起控制作用的关键层增多,影响了深部开采中的地表沉陷.深部的煤岩体在高地应力状态下受采后高附加应力的影响,远离工作面的煤柱均出现不同程度的压缩变形现象,煤岩柱整体压缩变形是深部开采地表沉陷的特殊组成部分,导致了深部开采引起的地面影响范围及岩层内部移动边界线都大于浅部,这对深部开采岩层移动角参数有很大影响.     

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。     

上下盘开采影响下断层滑移失稳力学机制

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。为了研究上下盘开采断层滑移失稳力学机理,基于关键层理论建立了上下盘开采断层活化力学模型,推导了断层滑移失稳的判据,并结合数值模拟和相似模拟对上下盘开采断层活化难易程度进行了分析。研究结果表明:①相对于上盘开采,下盘开采断层保持稳定除了满足断层带岩体在断层面不发生滑移外还需满足断层面不产生离层,下盘开采断层保持稳定条件更加苛刻,下盘开采断层更容易活化;②对于上盘开采,随着工作面推进,浅部断层带岩体正应力逐渐减小,剪应力逐渐增大,深部断层带岩体剪应力和正应力都逐渐增大,说明断层露头处断层带岩体已经处于活化状态,断层带岩体产生裂隙,应力逐渐松弛,而深部断层带岩体正在为活化蓄能,浅部断层带岩体超前深部断层带岩体发生活化;③对于下盘开采,随着工作面推进,浅部断层带岩体剪应力和正应力逐渐增加,深部断层带岩体剪应力与正应力逐渐减小,工作面推进长度较小时,断层即活化;④工作面推进过程中,下盘开采断层带岩体剪应力与正应力的比值为上盘开采的3～5倍;⑤上盘开采断层活化时仅在断层露头处地表产生轻微裂隙,未形成明显台阶,下盘开采断层活化将在断...     

浅埋薄基岩煤层覆岩应力效应及变形破坏分析

研究浅埋薄基岩煤层开采后在采空区上方形成的导水裂隙带范围对保水开采具有重要意义。基于煤层开采后地表移动和岩体内部移动的内在联系,采用随机介质方法,将地表移动的基本参数应用于岩体内部移动规律的研究中,建立了上覆岩层移动变形力学模型,推导了煤层开采后采空区上方岩层内的位移、应变和应力的数学表达式,分析了上覆岩层变形破坏的影响因素和破坏力学机理。在此基础上,给出了浅埋薄基岩煤层开采覆岩隔水层的破坏判据,为浅埋薄基岩煤层保水开采提供理论依据。     

正断层存在的地表沉陷特殊性规律研究

工作面周边存在较大断层时,一般采用留设断层保护煤柱法,使覆岩移动不直接影响到断层。为分析受正断层影响的地表移动变形规律,通过工作面开采前后地表裂缝与房屋墙体裂缝损坏的现场调查,发现位于常规沉陷影响边界之外至断层露头范围内仍有平行于断层走向的地表裂缝及墙体裂缝性损害;应用FLAC3D模拟研究了正断层影响下的上盘煤层开采时地表沉陷特征及断层带应力变化特征。结果表明：受开采扰动影响的断层带附近原始构造应力得到释放并产生一定变形,反映至地表为非对称性的偏态下沉;建筑物下伏岩层有较大断层时,应在边界角法或沉陷预计法留设地面建筑保护煤柱的基础上,考虑留设合理宽度的断层安全煤柱;同时提出断层带周边的应力变化可作为断层受开采沉陷影响与否的判定依据。     

正断层存在的地表沉陷特殊性规律研究

工作面周边存在较大断层时,一般采用留设断层保护煤柱法,使覆岩移动不直接影响到断层。为分析受正断层影响的地表移动变形规律,通过工作面开采前后地表裂缝与房屋墙体裂缝损坏的现场调查,发现位于常规沉陷影响边界之外至断层露头范围内仍有平行于断层走向的地表裂缝及墙体裂缝性损害;应用FLAC~(3D)模拟研究了正断层影响下的上盘煤层开采时地表沉陷特征及断层带应力变化特征。结果表明：受开采扰动影响的断层带附近原始构造应力得到释放并产生一定变形,反映至地表为非对称性的偏态下沉;建筑物下伏岩层有较大断层时,应在边界角法或沉陷预计法留设地面建筑保护煤柱的基础上,考虑留设合理宽度的断层安全煤柱;同时提出断层带周边的应力变化可作为断层受开采沉陷影响与否的判定依据。     

岩层倾角对采动覆岩应力演化影响规律数值模拟

为研究岩层倾角对采动覆岩应力演化规律的影响,以西北某矿缓倾斜工作面为研究背景,建立近水平和缓倾斜煤层2种模型,采用FLAC3D模拟研究不同开采条件下覆岩应力、位移演化规律和“三带”分布特征,对比分析煤层倾角对覆岩运动的影响,为揭示缓倾斜煤层开采上覆岩层活动规律提供参考。研究表明：随着工作面不断推进,缓倾斜煤层上覆岩层垂直应力的峰值大于近水平煤层上覆岩层垂直应力的峰值;缓倾斜煤层开采覆岩位移峰值大于近水平煤层开采覆岩位移峰值;近水平煤层和缓倾斜煤层开采距采空区上方10 m左右为冒落带,近水平煤层开采距采空区上方47 m左右为裂隙带区域,缓倾斜煤层开采距采空区上方50 m左右为裂隙带区域;缓倾斜煤层塑性区域范围大于近水平煤层塑性区域范围;通过数值模拟对比分析,不能忽略煤层倾角对采动覆岩应力的影响。     

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。     

开挖扰动对断层上下盘围岩稳定性的影响研究

为研究采动应力对断层上下盘围岩稳定性的影响,采用相似模拟实验的方法,对开挖扰动作用下断层上下盘的围岩移动和破坏机制展开研究,结果表明：随开采工作的不断进行,断层在采动应力的影响下,位于断层下盘的围岩系统失稳垮落现象明显,基于覆层空间结构思想,对下盘围岩冒落规律展开分析,将断层下盘围岩冒落过程分为裂隙发育、覆层快速失稳、覆层逐渐稳定、覆层突变冒落四个阶段。相对于下盘围岩,上盘围岩位移变化微弱,应力增长显著,引入断层稳定性评估的应力比状态量,应力比计算值均在稳定区间内,上盘围岩系统保持稳定,受开挖扰动影响小。     

浅部松散含水层下开采上“两带”观测与相关规律研究

针对煤层露头附近开采,对上覆岩层造成的破坏程度的问题,采用钻探、物探以及地表沉陷观测,进行了导水裂缝带发育高度和地表岩移规律研究,取得了浅部松散含水层下开采引起覆岩变形破坏及地表沉陷规律,得出了垮落带、导水裂隙带（简称上“两带”）发育高度及地表沉陷的主要参数。对煤矿浅部松散含水层下开采的水害防治工作及安全生产具有重大意义。     

采空区覆岩破坏变形特征研究

以成庄矿4322综采工作面为工程背景,采用分析软件RFPA 2D对该工作面采空区覆岩破坏变形特征进行了数值仿真模拟研究。结果表明:受采矿应力大小、类型及分布等差异性影响,导致不同层段覆岩垮落、裂隙发育程度及类型、裂隙发育高度不同,并在采空区覆岩自下而上依次形成“垮落带、裂隙带及下沉弯曲带”等三个特征明显的采矿破坏变形带。采空区稳定形成后,垮落带最大发育高度达24 m(约3~4倍采高),裂隙带最大高度可达56 m(约9倍采高)。     

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。     

不同采煤方法下开采沉陷控制的数值模拟研究

为了对比充填开采及条带开采对地表及覆岩破坏控制的效果,本文基于实验室制备的充填材料和理论计算得到的条带开采方案,运用数值模拟软件FLAC3D对垮落开采、条带开采、充填开采过程中地表移动变形及覆岩应力场变化情况进行详细分析。结果表明：充填开采中覆岩释放了少许弹性应变能,其应力略小于原岩应力,覆岩应力场呈线性规律变化。条带开采中覆岩应力场出现应力增高区,煤柱两端应力集中现象严重,围岩稳定性弱于充填开采。两种开采方法下地表沉陷均远小于垮落开采,条带开采中地表各变形值均小于建筑物I级破坏允许值,充填法中地表曲率仅比该允许值大0.02m-1·10-3,仍能保证地面建筑物的安全性。故采用充填开采对地表及覆岩变形的控制效果更佳。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

厚黄土下综放高强度开采地表沉陷与覆岩破坏实测

为研究厚黄土下厚煤层综放开采地表沉陷和覆岩破坏规律,通过在工作面地表建立岩移观测站和地面钻孔水文勘探,进行了地表沉陷变形实测和覆岩破坏高度钻探测定。总结研究地表岩移观测站实测资料和覆岩破坏探测钻孔水文观测资料,得出厚黄土综放高强度条件下地表沉陷剧烈,曲线较陡,在下沉盆地边缘沉陷变形曲线收敛较慢,最大下沉速度偏大,采动影响范围偏远;覆岩破坏探测结果显示综放覆岩破坏异常发育,导水裂缝带高度与综放采厚近似成正比,裂高采厚比例系数平均为19.75。研究成果为黄土区综放地表开采损害防治和水体下采煤及顶板水害防治提供技术支撑。