大同煤田双系开采强矿压与地质动力环境关系研究

矿井动力灾害是在区域地质构造运动和开采扰动的共同作用下,局部煤岩体力学系统发生的剧烈动力破坏现象。本文从地质动力环境的角度对大同煤田双系开采条件下区域地质构造活动特征、构造应力场分布、天然地震与矿井强矿压之间的关系进行了分析。研究表明：活动地块边界及其活动断裂是强矿压孕育的动力学条件,区域地质动力环境为强矿压发生提供能量基础;大同煤田的构造作用以NW—NNW向的近水平压应力为主,侏罗系煤层水平地应力介于11.3～20.4 MPa,石炭系煤层地应力介于14.6～34.1 MPa,口泉断裂NW伸展的正断型应力场控制着矿区“双系两硬”煤层开采的动力灾害;大同煤田东北部地震活动频繁,与复杂的地质构造正相关,且最近10年呈上升趋势;大同煤田区域1983—2022年间应变释放率ε=5.8×10⁵J^1/2/a,相当于每年释放0.41次5级地震;区域应变能现今仍处于积累阶段,其应变值波动式增加。预测数年内地震活动性会明显增强,地质动力环境趋于活跃,矿井动力灾害将逐渐增加。     

阜新盆地构造应力场演化对煤与瓦斯突出的控制

阜新盆地是中燕山期(J₃-K₁)断陷盆地.盆地内断裂构造主要有北北东、北东、北西西、北北西和近南北向.盆地内主要褶皱构造呈北东向雁列式排列.位于盆地内的阜新矿区煤与瓦斯突出灾害频繁发生.研究认为,构造应力场多期演化使得大多数断裂历经了多期活动,对应不同的力学性质和位移方式.构造应力场的多期演化对局部构造应力、构造煤和瓦斯赋存的分布具有重要影响.在现今北西西向构造应力场作用下,盆地内北北东向、南北向和近南北向构造由于受垂直走向的挤压应力作用,形成应力集中带,渗透率降低,瓦斯保存较好,成为动力灾害多发地带;而北西西向构造相对受拉张应力作用,瓦斯易于逸散,动力灾害程度相对较低.北东向、北西向构造发生动力灾害的危险程度介于二者之间.     

北票矿区地质动力区划

地质动力区划法用以揭示地壳的区域岩体断块结构以及评估其力学状态，逐级使用地形图并结合其它方法查清活断裂，由各级活断裂所分割的Ⅳ级断块结构，展出了矿区现今构造运动的结果，以此为构造格架，确定主应力方向和构造应力区，进行区域构造应力场数值模。     

构造区域应力场与煤与瓦斯突出区域预测

以地质动力区划方法划分的Ⅴ级活动断裂为构造格架,结合地应力测量,进行区域构造应力场数值模拟,从而确定区域岩体应力分布规律。结果表明:煤矿区域原岩应力分布状态主要受断裂构造的支配,断裂构造的叠加扰动使原岩应力场重新分布,从而在时间和空间上制约着煤与瓦斯突出的区域性分布。并对矿井开采所引起的煤与瓦斯突出危险性作出评估和预测,拓宽了煤与瓦斯突出预测途径。     

地下矿山地应力场反演数值模拟研究

掌握岩体初始地应力场,尤其是其三向主应力的大小和方向,是进行地下巷道支护和采场结构参数 优化的基础。根据某铁矿地质资料及矿区内断裂构造,以有限元数值分析为基本手段,提出了考虑矿区 F1、F3、 F4、F9 断层构造运动、岩体自重等多因素的岩体初始地应力场反演思路。采用理论分析、三维地质建模和数值模 拟计算相结合的方法,考虑地层岩性、断层构造等因素,联合使用 Micromine、3DMine 及 Rhino 等几种软件建立矿山 三维地质模型,然后采用 FLAC3D 数值模拟软件对模型进行初始应力场计算平衡,得到初始应力场。该方法可以 较好地满足复杂和极复杂地质条件,特别是深部矿井复杂地质条件的地应力反演分析。     

平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用

煤与瓦斯突出、冲击地压等矿井动力灾害严重威胁着我国深部矿井安全高效生产,当前总体缺乏准确的预测理论与方法。为了提高平顶山矿区深部开采阶段动力灾害发生的预防与治理水平,在分析矿区自然地质动力条件的前提下,以平顶山东部矿区为研究目标,基于最大主应力、应力梯度等因素对矿区动力灾害发生的潜在危险进行了预测分区,发现地形曲率对平顶山东部矿区的煤与瓦斯突出概率产生较大影响。平顶山东部矿区的正曲率半径范围内煤与瓦斯突出比率占总突出次数的80. 21%。同时,基于煤与瓦斯突出系统的能量特征,确定了平顶山东部矿区煤与瓦斯突出的临界能量为106J。在前期利用地质动力区划方法划分Ⅰ～Ⅴ级活动构造的研究基础上,进一步考虑开采活动作用的影响,明确目标煤层、目标采区动力灾害发生的模式,进行动力灾害二级预测。对八矿、十矿和十二矿规划区域划分Ⅵ级和Ⅴ级断裂构造,确定该区域断裂构造的分布特征和相互作用关系,建立相应的空间信息分析系统,分析活动构造的活动规律,发现平顶山东部矿区的煤体瓦斯主要受控于褶曲构造、断裂构造和构造之间的复合、联合、组合等地质构造。煤与瓦斯突出事故发生在地质构造带的次数占总次数的69. 6%。同时,确定了平顶山东部矿区的区域断裂构造的分布方式,Ⅵ级和Ⅴ级活动断裂区煤与瓦斯突出的局部分布特征。     

超化煤矿二1“三软”煤层瓦斯地质规律研究

运用板块构造理论和区域构造演化理论，研究了新密矿区超化煤矿的矿区、矿井构造演化，构造应力场，构造变形，构造发育，构造控制瓦斯特征；研究了各个不同方向的断裂活动和力学特征，以及滑动构造对煤层变形、破坏而形成构造煤的控制特征。对超化煤矿主采的二1“三软”煤层瓦斯生成、保存条件进行了科学的分析，深入地研究了矿井二1“三软”煤层瓦斯地质规律，从而为有的放矢地治翠矿井瓦斯灾害奠定了理论基础。     

京西煤田冲击地压的地质动力环境

为了确定京西煤田冲击地压灾害发生的地质动力环境,分析了京西煤田的地质构造、新构造运动、地应力场、地壳应变能,计算了京西煤田各矿井构造反差强度,定量评估了京西煤田的地质动力环境,讨论了京西煤田冲击地压的形成机制。研究表明,京西煤田属于现代地壳隆升区,新构造运动强烈;煤田最大主应力明显高于全国平均水平,且最大主应力与最小主应力的差别显著;京西煤田处于地壳高应变密度能区域,地壳积累了高的弹性应变能;京西构造凹地反差强度大于0.5,该区域具有发生冲击地压的地质动力环境,各矿井具有发生冲击地压的地质动力条件。京西煤田地质动力环境下的冲击地压是煤岩体在高构造应力条件下以块体整体突然破坏而快速释放能量的过程。     

口泉断裂力学特征及其对大同矿区矿井动力现象的影响

断裂构造是矿山地质动力现象显现的一个重要地质因素。以口泉断裂为研究对象,在分析其宏观特性和运动机制的基础上,采用数值模拟方法对口泉断裂作用下的煤体应力分布进行研究,分析口泉断裂与大同矿区东部井田开采矿压显现的关系。研究表明:口泉断裂的水平挤压和垂直升降对大同矿区的煤层的应力环境都有较大影响,其对周围岩体的稳定性及应力场的影响将会更加显著,口泉断裂对大同矿区东部的忻州窑矿、煤峪口矿、同家梁等煤矿在煤层开采过程中的矿压显现具有重要的影响和控制作用。     

活动断裂研究与矿井动力现象预测

矿井动力现象预测的准确性和可靠性，从根本上说取决于对区域构造应力场和活动断裂的研究水平。利用地质动力区划结果，从库伦准则出发，根据皋尔利的实验结果讨论了区域应力状态与断层活动的关系。认为北票断裂对区域其它次级断裂及其构造应力区起主导和控制作用，是北票矿区动力现象的动力源。     

基于煤岩动力系统能量的冲击地压矿井临界深度判别

为了定量计算典型冲击地压矿井的临界深度,实现煤矿冲击地压的有效防控。应用地质动力环境评价方法,将冲击地压矿井划分为"典型冲击地压矿井"和"非典型冲击地压矿井"2种类型。通过构建的煤岩动力系统模型,研究了煤岩动力系统的能量特征及其与冲击地压显现的关系。分析了自重应力场和构造应力场下煤岩动力系统的能量特征,并分别确定了不同应力场条件下的煤岩动力系统能量计算方法,在此基础上提出了典型冲击地压矿井的临界深度计算方法,并在3个典型冲击地压矿井进行了准确性验证。研究结果表明:在自然地质条件下,煤岩动力系统的总能量与构造应力场下煤岩动力系统的能量相等,自重应力场下煤岩动力系统的能量为基础能量,煤岩动力系统释放的能量为构造应力场下能量与基础能量的差值。对于典型冲击地压矿井,煤岩动力系统的总能量主要源于构造应力场,在构造应力场条件下煤岩动力系统积聚的能量已经能够支撑冲击地压发生,在开采活动诱发下就会发生冲击地压;对于非典型冲击地压矿井,在构造应力场条件下煤岩动力系统积聚的能量不足以支撑冲击地压发生,需要其他工程条件补充能量,在开采活动诱发下才有可能发生冲击地压。根据验证结果,典型冲击地压矿井的临界深度计...     

工作面煤与瓦斯突出危险性判别与防治措施效果评估

为了判别平顶山矿区八矿煤与瓦斯突出发生危险性,分析防治措施效果。以己₁₅-15060工作面为研究对象,综合运用瓦斯地质分析、地质动力区划和岩体应力状态分析等方法,对自然地质条件下工作面煤与瓦斯突出发生危险性进行了判别;采用FLAC^3D模拟方法分析了掘进和开采活动对突出危险性的影响;采用COMSOL Multiphysics模拟方法对瓦斯抽采等防突措施效果进行了评估。研究结果表明：己₁₅-15060工作面埋深较大,工作面大部分处于应力升高区和应力梯度区范围内,岩体应力较高;受到Ⅲ-3和Ⅴ-10等区划断裂的控制作用,在自然地质条件下具有煤与瓦斯突出发生危险。采掘活动进一步增大了突出发生危险。采取了瓦斯抽采等措施后,工作面煤层中瓦斯压力降低至0.12～0.38 MPa,瓦斯含量降低至2.1～4.2 m³/t,达到了预期效果。表明瓦斯地质图、地质动力区划等预测结果对煤与瓦斯突出等动力灾害的防治工作具有很好的指导作用,八矿建立健全的煤与瓦斯突出防治技术体系,有效遏制了煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的发生,对矿井的...     

厚煤层开采围岩应力分布规律研究

为了研究厚煤层工作面回采前后采场周围应力分布情况,以寺家庄煤矿15号煤层的赋存条件及开采情况为研究背景,运用FLAC^3D模拟软件,分别对工作面上下巷道掘进和工作面推进过程中围岩竖直应力场以及水平应力场进行模拟,并分析了厚煤层开采周围岩体应力分布情况。结果表明：当工作面处于不同工况下应力集中区域分布不同：上下巷道的开挖导致远离采空区的下巷道竖直应力场较大,造成煤层中部水平应力很大。而煤层中部水平应力很大,集中系数很高,易发生顶板垮落、底板隆起以及相关动力灾害。     

深部易风化顶板地应力研究

山西阳城阳泰集团竹林山矿1831工作面直接顶为深部易风化复合顶板,煤岩体的构造应力场比较复杂,以1831工作面的地质条件为背景,利用udec计算模型,对不同深度下巷道应力场的规律进行探究,得出一定结论,对巷道的支护参数选择提出合理化建议。     

超化煤矿二1"三软"煤层瓦斯地质规律研究

运用板块构造理论和区域构造演化理论,研究了新密矿区超化煤矿的矿区、矿井构造演化,构造应力场,构造变形,构造发育,构造控制瓦斯特征;研究了各个不同方向的断裂活动和力学特征,以及滑动构造对煤层变形、破坏而形成构造煤的控制特征.对超化煤矿主采的二1"三软"煤层瓦斯生成、保存条件进行了科学的分析,深入地研究了矿井二1"三软"煤层瓦斯地质规律,从而为有的放矢地治理矿井瓦斯灾害奠定了理论基础.     

超化煤矿二_1“三软”煤层瓦斯地质规律研究

运用板块构造理论和区域构造演化理论,研究了新密矿区超化煤矿的矿区、矿井构造演化,构造应力场,构造变形,构造发育,构造控制瓦斯特征;研究了各个不同方向的断裂活动和力学特征,以及滑动构造对煤层变形、破坏而形成构造煤的控制特征。对超化煤矿主采的二1“三软”煤层瓦斯生成、保存条件进行了科学的分析,深入地研究了矿井二1“三软”煤层瓦斯地质规律,从而为有的放矢地治理矿井瓦斯灾害奠定了理论基础。     

断裂构造分形几何特征对冲击地压的控制作用研究

断裂构造是影响煤矿开采的重要地质因素，也是诱发矿井冲击地压灾害的主要因素之一。为分析断裂构造对冲击地压的控制作用，以鹤岗南部矿区为工程研究背景，基于地质动力区划法，划分了鹤岗南部矿区的断裂构造，利用分形几何原理，统计计算了研究区断裂全区与分区的分形维数，分析了研究区断裂全区与分区分形几何特征，探究了断裂分形维数与冲击地压空间位置的耦合关系。结果表明：NW向断裂和近SN向断裂对鹤岗南部矿区的冲击地压控制作用程度较高，NE向断裂次之，近WE向断裂则最差。冲击地压空间位置与研究区断裂分区分维值有较好的对应关系，已发生冲击地压的分区，其分区断裂分维值较大，处于断裂构造较复杂和复杂的区域。不同方向的断裂在同一分区的分维值与冲击地压密切程度不同，其断裂对冲击地压的控制作用程度也不同，同一方向的断裂在不同分区的分维值与冲击地压控制作用程度亦是如此。研究成果从分形几何角度揭示了断裂构造对冲击地压控制作用，可为冲击地压预测与治理提供新思路。     

口泉断裂与同忻井田强矿压显现的关系

通过对口泉断裂的几何学、运动学和动力学的分析,确定了口泉断裂的活动特征和应力状态。在此基础上利用FLAC 3D 数值计算方法分析了口泉断裂两侧地块煤岩体的构造应力空间分布特征,并与同忻井田强矿压显现特征进行了对比分析。研究表明：口泉断裂在区域构造应力作用下活动性更强,更容易发生失稳;同忻井田位于口泉断裂活动性最强的中段,围岩及煤层中存在不均匀的、较高的构造应力,聚集了相对较高的弹性能量,决定了矿山压力显现的区域性分布。口泉断裂是同忻井田产生强矿压显现的地质动力因素,对井田矿压显现具有重要影响。     

利用重力资料推断地质构造的方法

在辽宁省矿产资源潜力评价项目中,利用重力资料推断地质构造是一项很重要的工作。为了推断辽宁省地质构造,在数据处理的基础上,总结了不同地质体的重力场特征,推断出断裂构造、岩体、盆地及地层,为矿产资源潜力评价预测提供了重要信息。     

围压加载条件下岩体损伤特征实验及数值模拟分析

为了研究煤岩动力灾害的发生机制,分别对3种不同强度的混凝土试样进行了单轴压缩实验和围压加载实验,并利用声波发射仪器对围压加载条件下试样破坏过程进行监测;采用数值模拟方法,从微观层面观察试样的损伤特征。实验结果表明:围压加载条件下试样破坏类型单一,在试样中部附近发生拉伸断裂。模拟结果表明:试样初始破坏是在纵向拉应力的作用下从岩体内部开始,逐步沿横向向两边扩展;当围压使纵向拉力达到了岩体的抗拉强度时,继续增大围压,初始破坏区域扩大直至发生瞬间断裂。