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.     

沙吉海矿高强度开采软弱覆岩"两带"高度三维模拟研究

为研究沙吉海煤矿高强度开采软弱覆岩"两带"高度,以该矿某高强度开采软弱覆岩工作面为原型建立了三维离散元数值模型,该模型考虑了最大、最小水平主应力及其与工作面推进方向夹角,并基于现场钻孔实测数据对数值模型及岩性参数的合理性进行了校核,分析了不同采厚、工作面倾向长度、走向长度与推进速度对沙吉海矿高强度开采软弱覆岩"两带"最大高度的影响.研究结果表明:该矿高强度开采软弱覆岩"两带"最大高度随采厚的增加而增加,但与工作面的倾向长度、推进速度没有明显关系;高强度开采软弱覆岩工作面达到"两带"最大高度时所需的工作面推进距离与采厚成正相关关系,与倾向长度、推进速度成负相关关系.     

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。     

峰峰矿区正断层活化造成地表异常沉陷影响因素研究

为了研究断层活化造成地表异常沉陷影响因素,建立了断层活化力学模型,并根据峰峰矿区地质条件利用数值模拟研究了断层倾角、煤层厚度、工作面推进长度、断层保护煤柱宽度、断层带充填物强度对地表沉陷的影响。研究结果表明：断层倾角越大,断层露头处地表下沉台阶落差越大,地表最大下沉值越大|煤层厚度越大,地表下沉值越大,断层露头处地表下沉台阶落差越大|工作面推进长度越大,地表下沉值越大,断层露头处地表下沉台阶落差越大,当工作面推进长度使地表下沉达到充分采动时,断层露头处地表下沉台阶不再增大|断层带充填物强度对地表沉陷影响不大。研究结果对分析断层影响下的地表沉陷规律具有一定借鉴作用。     

不同加卸载路径下岩石卸荷劣化特征及机制研究

为研究深部煤层底板卸荷劣化破坏机理,开展了轴压不变卸围压、加轴压卸围压、卸轴压卸围压不同加卸载应力路径下的假三轴力学试验,分析并拟合了不同应力路径下岩石弹性模量、广义泊松比与围压的变化关系;构建了岩石断裂力学模型,分析了不同加卸载路径下,分支裂纹端部应力集中程度;从偏应力、能量、声发射事件等方面剖析了卸荷过程中岩石力学参数劣化机制。研究表明：(1)不同轴压加载方式下岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度依次为加轴压>轴压保持不变>卸轴压;相同轴压不同围压卸载速率下,岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度与卸荷速率呈正相关变化。(2)围压卸荷过程中,轴向加载或保持不变的应力路径相比于轴向卸载的应力路径,岩石积聚的能量增长幅度较大;在围压卸载至一定程度时,内部闭合的微裂隙和原生裂隙重新被打开,用于裂纹扩展的能量迅速增加,泊松比和弹性模量变化比例明显增大,声发射事件振铃数呈现出非线性增长的特点。(3)不同加卸载路径下,偏应力是诱发岩石失稳破坏的根本原因,偏应力增长越快,岩石弹性模量劣化程度和泊松比变化程度越明显。工作面附近处于压剪破坏区偏应力相对较大,岩体劣化程度相对较为严重,这...     

承压水体上煤层底板下位隐伏断层采动突水机制研究

由于煤层底板隐伏断层分布广、数量多、隐蔽性强且不易探测的特点,使得底板隐伏断层活化突水成为深部开采突水的主要形式之一。根据底板隐伏断层发育规模及空间位置条件,总结提出了底板沟通隐伏性断层突水、上位隐伏性断层突水及下位隐伏性断层突水3种模式。针对承压水体上煤层底板下位隐伏断层底板突水模式,通过力学分析、底板突水相似模拟及FLAC^3D数值拟研究了煤层回采过程中底板空间采动应力变化规律、隐伏断层扩展及突水通道演化过程。研究结果表明：近煤层底板采动岩体随工作面推进,经历压缩-卸荷-恢复过程,形成采动破坏带,底板空间采动应力状态以工作面为分界线呈现水平“S”型分布形态;采动-水压-隐伏断层作用下,隐伏断层将对采动应力随工作面移动起到阻隔作用;隐伏断层顶部受矿压-水压作用的破坏程度时机更早、程度更严重,更易诱发导水裂隙发育,隐伏断层原生裂隙扩展并向逆工作面推进方向上方发育,与采动破坏带沟通形成突水通道;采动承压水导升运移与采动裂隙发育紧密相关,采动承压水导升强度及强渗流区范围随工作面推进渐进发展,底板隐伏断层采动突水先出现隐伏断层上方采空区,突水量随工作面推进渐进增加。在将含...     

采动影响下断层面离层空间产生及其对开采空间传递作用分析

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。为了研究断层对开采空间传递的作用,利用空间守恒,通过理论推导发现工作面开采会使断层面产生离层空间,断层对开采空间传递具有增大效应并利用数值模拟进行了验证。研究结果表明:增大的开采沉陷空间主要来自于断层面离层空间;关键层下部软弱岩层在断层面的离层空间主要来自于采空区垮落岩石的再次压缩;关键层及上部岩层在断层面的离层空间主要来自于关键层与下部软弱岩层之间离层空间的减小;影响断层面离层空间大小的因素主要有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角等,并且断层倾角与主要影响角的大小关系决定了断层面离层空间的产生。     

浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构特性及演化机制分析

通过分析浅埋近水平煤层开采覆岩结构及破坏的特点,在压力拱和关键层理论的基础上建立了浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构模型;认为该压力拱结构在工作面长度和推进方向上具有左右对称特征,压力拱发育至关键层后若关键层破断则基于破断位置重新起拱,若不破断则拱顶位于关键层附近,该压力拱结构模型能较好描述浅埋近水平煤层开采覆岩破坏形态。基于上述模型,分析了压力拱结构层和覆岩破坏区演化的突发性和阶段性特点,推导出了结构层压力拱轴线方程和覆岩破坏范围计算判据,分析了压力拱的极限变形量,给出关键层破断对压力拱发育影响的分析计算方法;通过对大柳塔矿52505工作面采场覆岩数值及理论分析,关键层破断后没有形成完整压力拱结构,导致地表出现塌陷。     

采动影响下断层面应力与滑移特征研究

为了研究工作面开采结束后断层面的应力与滑移特征,以峰峰矿区某矿实际地质条件为背景,通过理论计算和数值模拟的方法,建立了断层面应力和滑移力学模型,得到了采动影响下的断层滑移力学判据及断层滑移的主要影响因素,研究了工作面推进结束后的断层面应力特征和断层滑移情况并进行了实例验证。研究结果表明:开采造成断层面正应力和剪应力的变化是断层滑移的主要影响因素;断层面岩性参数相近时,断层面正应力和剪应力与至断层露头的垂直距离近似呈线性关系,并且正应力变化幅度远大于剪应力变化幅度,正应力增加速率为剪应力增加速率的19倍左右;煤层开采后,距离断层露头较近的断层面岩体有向下滑移趋势,距离断层露头较远的断层面岩体有向上滑移趋势。     

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...