采动诱发断层损伤滑移及其影响因素敏感性分析

为研究采动诱发断层损伤滑移演化规律,结合现场微震监测,引入断层损伤变量作为评价断层滑移失稳的指标。并运用正交模拟试验,对断层损伤变量影响因素进行敏感性分析。研究表明：工作面开采影响下断层损伤滑移分为断层损伤起裂、断层扩展贯通、断层滑移错动3个阶段。随工作面靠近断层,断层损伤变量呈逐渐增大趋势。断层损伤变量受开采因素、断层因素、地应力水平3者综合影响。确定开采因素中工作面距断层距离、工作面斜长对断层损伤变量影响为高度显著,采厚影响不明显。断层因素中断层倾角、断层内摩擦角对断层损伤变量影响为高度显著,断层内聚力为一般显著,其它断层因素影响不明显。地应力水平中侧压系数对断层损伤变量的影响高于埋深。     

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。     

断层对采动应力的影响数值模拟研究

为研究断层对采动应力演化控制作用及发生滑移特征,利用FLAC3D软件对断层带两盘的接触状态以库仑剪切模型的接触面单元代替,模拟随着工作面沿断层倾向和沿断层走向推进时断层接触面上法向应力和剪切应力的演化特征、断层滑移危险性演化规律。结果表明:断层面上法向应力和剪切应力的演化具有明显的时空特征,且断层面上剪切应力对采动影响的敏感性强于法向应力;当工作面沿断层倾向或断层走向推进时,开采层上方断层先于开采层下方断层"活化",开采层上方附近断层在采空区距离断层20 m时最容易出现"活化",开采层下方断层在采空区距离断层小于10 m时滑移危险性最高;相比之下,工作面沿断层走向推进时开采扰动对开采层附近断层产生的影响较工作面沿断层倾向推进时大。     

工作面回采与断层活化的相互影响分析

对断层活化进行了数值模拟,并分析了断层活化与工作面回采的相互影响。得出如下规律:当断层面的切向应力达到断层的抗剪强度时,断层便进入非稳定的临界状态,此时轻微扰动便可能导致断层活化,释放巨大能量。开采引起的库伦应力增量Δσm是断层活化的主要原因,断层活化概率增益与Δσm成正比。工作面从断层上盘向断层面推进时,断层面法向应力和切向应力都逐渐增大。工作面从断层上盘向断层面推进时,整体上断层面法向应力下降,切向应力上升,这都导致了断层的活化。工作面回采与断层活化是相互影响的两个方面,工作面开采会引起断层应力场的变化继而导致断层活化,断层的活化反过来又对工作面产生影响。     

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。     

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.     

断层倾角对逆断层活化规律影响的模拟分析北大核心

以杨村煤矿10605工作面F5逆断层为研究对象,采用三维有限差分数值软件FLAC^(3D)模拟研究了断层倾角对逆断层活化的影响,揭示了断层倾角对逆断层活化影响的规律。结果表明,当开采逆断层下盘煤层时,断层倾角越小,断层带上的应力就越大;断层倾角越小,断层带两盘相对滑移量越大;断层带受采动影响显现出的孔隙压力范围及破坏程度随断层倾角的增大而减小。小倾角逆断层容易活化,诱发断层突水危险性大,所需留设的防水煤柱的宽度越大。     

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...     

断层倾角对逆断层活化规律影响的模拟分析

以杨村煤矿10605工作面F5逆断层为研究对象,采用三维有限差分数值软件FLAC~(3D)模拟研究了断层倾角对逆断层活化的影响,揭示了断层倾角对逆断层活化影响的规律。结果表明,当开采逆断层下盘煤层时,断层倾角越小,断层带上的应力就越大;断层倾角越小,断层带两盘相对滑移量越大;断层带受采动影响显现出的孔隙压力范围及破坏程度随断层倾角的增大而减小。小倾角逆断层容易活化,诱发断层突水危险性大,所需留设的防水煤柱的宽度越大。     

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。     

厚松散层覆盖下逆冲断层倾角变化与采动活化响应模拟研究

断层存在下的煤矿开采容易引起煤矿覆岩破坏和地表沉陷等一系列问题，前人对厚松散层下逆断层倾角变化引起的应力变化与采动活化规律认识还较为有限。基于FLAC3D数值模拟软件，以淮南煤田口孜东矿F1逆断层为研究对象，通过建立三维数值模型，系统研究了不同倾角逆断层下盘煤层逐步开采时，各断层带上应力的变化特征和断层滑移现象。研究结果表明，有断层一侧地表水平变形的峰值要小于没有断层的一侧，且其地表斜坡更加平缓。断层滑移变形与断层带上切向应力与法向应力的比值有关，断层倾角越小，断层越易发生滑移，断层倾角越大，断层滑移现象相对较弱，断层上部比断层下部更易活化滑移。在工作面向断层带推进时，断层活化过程可以分为初始平衡期、剪切滑移期、活化破坏期三个阶段。本文研究可为厚松散层覆盖区逆断层影响下的煤矿安全开采和防治提供重要依据。     

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。     

断层型态方程及在构造分析中的应用

断层构造是影响矿山生产和安全的主要地质因素之一,为了井下现场快速、准确地定型与鉴定断层,指导采掘巷道布置,应用构造地质学基本原理和数学方法,从断层的空间关系出发,分析断层各几何要素之间的关系,得出断层型态方程,并讨论其在断层型态分类和定型鉴定中的应用。据断层型态方程所做的断层型态分类,能更加清楚地表达断层要素之间的几何关系,反映自然界断层的基本类型;利用易于观测的、与断层型态类型相关的宏观特征来定型鉴定断层,能够方便、快速、准确地在现场解决断层构造问题,及时指导生产。     

断层突水机理分析

根据煤层底板的层状结构特征，建立了分析底板突水的关键层（ＫＳ）结构模型．根据断层性质，断层可以划分为张开型断层和闭合型断层．张开型断层的突水机理是断层两盘的关键层在水压作用下产生了过大的张开位移，并且在断层张开的同时，承压水对断层带进行渗透冲刷；闭合型断层的突水机理是断层两盘的关键层或关键层的接触部产生了强度破坏．     

最大主应力偏转与集中对断层活化失稳的影响

为研究断层附近最大主应力对断层活化失稳的影响,以济三煤矿KF76断层为工程背景,利用FLAC3D软件建立数值分析模型,分别在断层上下盘进行开挖模拟,分析随着工作面的推进断层附近最大主应力方向和大小的变化。结果表明:断层随工作面的推进活化趋势不断增大,在断层下盘开挖时,工作面距断层40 m,断层发生活化;随着工作面向断层推进,断层附近最大主应力偏转与集中现象不断加剧,范围不断扩大;与断层上盘相比,在断层下盘开挖工作面,最大主应力偏转与集中现象均更加明显,影响范围更大,更易引起断层活化失稳。     

断层活化的主控因素关联度分析

为研究影响断层活化的主控因素关联度,采用FLAC^3D数值软件模拟断层活化,利用正交表确定模拟方案。通过分析各主控因素对断层活化的影响曲线,表明倾角越小、采深越深、破碎带宽度越宽,以及断层落差越大的断层更容易出现断层活化。利用方差分析法与灰色关联度分析法分别对模拟结果进行分析,结果表明各主控因素与断层活化的关联度排序均为断层倾角> 煤层采深> 破碎带宽度> 断层落差,且断层倾角与煤层采深对断层活化的影响程度显著大于破碎带宽度与断层落差对断层活化的影响。     

新河井田3~#煤层断层发育定量化评价

以新河井田地质资料为基础,绘制了断层走向、倾向玫瑰花图和倾角分布直方图,表明井田内断层以SN和NE走向为主;利用断层分维值和断层影响因子指数对断层发育特征进行定量评价,对比两者的结果可以看出:后者在评价断层时考虑了断层规模大小,断层影响因子较大区域主要围绕两个大断层(嘉祥支和嘉祥支三断层)分布,大断层发育区岩层较破碎,导通的含水层越多,越容易引发矿井突水事故。     

南京湖山地区陈家边断层特征及成因分析

南京湖山地区发育大量小型次级断裂构造,其中以陈家边断层最为突出。在实地观测及总结前人资料基础上,分析了陈家边断层的形态特征,研究了断层的发育特征、成因机制及与周围断层的关系,指出陈家边断层是平移断层,而不是逆断层。     

应用落差法研究真武断裂带西部生长断层

由于真武断裂带西部构造运动的多期次性及断裂系统的复杂性,长期以来对其内部断层形成时期及活动强度认识模糊不清,直接影响了含油断块的落实程度。因此,通过落差法对真武断裂带西部生长断层进行分析,结果表明:阜宁期主要是次级断层活动时期,断层落差在阜二期最大,活动性最强,且黄珏南地区断阶带北部断层活动强度大于南部断层,而在邵伯地区,南东部断层的活动强度大于北西部断层;阜宁期之后,断阶带内次级断层基本停止活动,二级主控断层真2、真2′和真2-1逐渐开始活动,伴随着主控断层的活动,在真2断层和真2′断层之间以及真2断层北部派生出一系列次级断层;断层在戴二期和垛二期断层落差较大,活动性最强。总体来说,邵伯地区断层活动强度大于黄珏南地区。     

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。