断层上下盘采动活化突水数值模拟研究

 摘 要：为了研究断层上下盘开采活动对断层活化突水的影响规律,本文利用数值计算软件FLAC3d,结合赵固二矿F109正断层的实际地质条件,建立数值计算模型。研究了工作面分别布置于断层上下盘时周边围岩应力场与渗流场的耦合作用,以及周边岩体应力和位移的变化情况。模拟结果表明,断层活化突水是塑性破坏场与渗流场相互耦合作用的过程;当工作面布置在断层上盘时,开采过程中底板位移量较大,断层上盘承受的垂向应力较断层下盘要大。断层上下盘开采活动对断层活化影响作用不同,工作面布置于断层下盘开采更安全。     

断层破碎带宽度对逆断层活化规律影响的模拟研究

根据杨村煤矿F_5逆断层实际地质资料,通过运用数值模拟软件FLAC~(3D)及现场监测方法,对F5逆断层上、下两盘工作面依次回采时断层带的应力演化规律及断层的活化规律进行研究,揭示了工作面采动过程中断层破碎带宽度与逆断层活化之间的关系。研究可知,由于断层破碎带具有较大的变形缓冲能力而吸收采动产生的二次应力,使得应力传递难以越过断层破碎带向围岩更前方传播,应力峰值区域被限制在工作面煤壁及断层破碎带一侧煤柱破坏区边界之间,因此下盘工作面开采时,工作面推进至210m位置处,断层带的正应力呈现先缓慢下降,后小幅升高的现象;两盘煤层开采时,断层带正应力、两盘滑移量及围岩的孔隙压力均与破碎带宽度成正比,即破碎带宽度越大的断层在采动影响下越易活化。因此,在实际中需要有针对性的做好防治措施;超前支承压力的影响范围为30m左右,距工作面8m位置处,超前支承压力达到峰值,而后随工作面推进开始回落,并逐步趋向原岩应力。     

逆断层下盘不同采高工作面支承应力演化规律研究

以逆断层下盘不同采高工作面开采为背景,采用UDEC数值模拟方法,研究了下盘工作面向逆断层推进过程中不同采高下支承应力的分布特征及演化规律。研究表明:下盘工作面向逆断层推进过程中,由于逆断层松弛活化产生的阻隔效应,支承应力分布特征发生演化,其峰值呈现先减小后增大的变化趋势,其明显影响范围不断减小。下盘工作面3 m和5 m采高的支承应力演化基本同步,支承应力分布相似;当煤层采高增大为7 m时,受断层采动活化及煤柱的耦合作用影响,支承应力峰值较高,采动影响更为强烈。工作面前方逆断层对支承应力的影响较大,应及时加强工作面及回采巷道支护。     

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。     

大采高工作面破碎顶板注浆加固技术应用

以慈林山煤矿3109大采高工作面为工程实例,为解决该工作面在遇断层和超前支撑应力、构造应力耦合状态下,其破碎岩体容易发生超前冒顶和片帮的问题,针对性设计注浆方案与选定注浆浆液;工程实践表明,该工作面破碎区域注浆效果良好,实现了安全推采,提高了生产效率。     

不同采高条件下正断层下盘开采支承应力演化与断层活化规律研究

以兴隆煤矿7302工作面工程地质条件为背景,采用连续介质数值模拟,研究了正断层下盘工作面推进过程中,采高对采动应力分布演化规律的影响以及断层活化特征,通过断层带法向应力与切向应力的比值作为判别依据,监测得到下盘工作面开采诱发断层活化规律。研究结果表明:下盘工作面向正断层推进过程中,断层的阻隔效应会造成采动应力的奇异性,不同采高条件对工作面超前支承应力演化规律影响显著;6m采高条件下,断层活化发生在工作面推进至距断层40m处。通过现场实例验证了不同采高条件下,工作面前方支承应力显现与断层的时空关系差异显著,现场实践中,需根据实际工程地质条件进行分析预测,提前布置工作面防冲措施,保证安全高效生产。     

断层活化与煤岩冲击失稳规律的实验研究

基于义马千秋煤矿21221回采工作面原型,设计了过断层的工作面回采相似模型实验,通过再现断层活化和煤体冲击失稳的物理过程,研究了采动影响下采场覆岩的运动规律和断层应力演化特征,分析了煤层开采引起断层活化的机理。研究发现:邻近断层活化时,其正应力和剪应力快速增加,断层滑移危险性增大;工作面沿上盘开采至距离断层25 m时,受采动影响断层出现活化;采动影响增加了断层活化的可能性,工作面煤体承载力的局部失效是引起断层滑移的重要原因,断层滑移对工作面煤体的作用形式表现为非稳态的冲击和加卸载作用。     

断层突水温度-非线性渗流-应力耦合模型研究

为了研究深部矿井高地应力、高承压水压及高地温条件下断层突水过程中的底板承压水运移规律和地温变化规律,运用COMSOL建立温度场(T)-非线性渗流场(H)-应力场(M)耦合模型,其中非线性渗流方程耦合Darcy定律, Brinkman方程和Navier-Stokes方程。结果表明:模型能够很好地描述温度场、渗流场和采动应力场之间的相互作用关系以及底板承压水从含水层经过断层破碎带到达巷道的非线性运移过程;采动应力场和渗流速度对断层带温度场的影响很大,通过监测断层带的温度变化,可以预测断层带渗流场的变化,从而预测断层突水。     

断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理研究

针对具有断层构造特征的生产地质条件,运用相似模拟、数值分析和现场工业性试验相结合的研究方法,通过相似模拟试验,得到了采动影响断层作用下距工作面28 m断层发生滑移活化,此过程分失稳期、滑移期和活化期;断层易失稳滑移破碎区域是交界区、直接顶区和基本顶区,断层失稳滑移加剧巷道变形,断层活化致使巷道底鼓突变,甚至发生底板冲击。通过数值计算分析,得出了断层下盘围岩比断层上盘围岩应力易转移,能量易积聚和释放;断层下盘巷道底鼓约为断层上盘的1.8倍;指出了断层滑移活化过程中巷道底鼓变形最为严重,右帮变形次之,顶板下沉和左帮变形较小。最后提出了断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理。     

固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律的模拟研究

本文运用数值模拟方法,通过改变断层倾角的大小、断层破碎带厚度以及含水层水压对固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律进行了模拟研究,揭示了不同工况条件下断层活化突水的影响规律。模拟结果表明:在相同工况条件下,断层的上盘断层界面所受的正应力及剪应力皆大于下盘断层界面所受的相应应力;在工作面推进相同步距时,断层界面所承受的正应力随断层倾角增大而减小,剪应力在倾角为一定范围内随增大而增加,但倾角超过一定角度后其又随之增加而减小;随断层破碎带宽度增加,断层盘界面所受的正应力越大,而剪应力越小;断层界面所承受的正应力及剪应力皆随含水层水压的增加而增加,且水压越大,断层突水危险性就越大。     

工作面断层带静动压分步耦合预注浆加固技术研究

为解决煤矿工作面在推采过程中遇到具有复杂原岩应力环境及受采动活化影响的断层带时，面临顶板与煤壁支护困难，停采停面加固破碎围岩开采效率低，开采成本高与安全性差等系列问题，采用UDEC数值模拟方法建立了工作面断层活化模型，分析了断层构造带区域原岩应力分布特点，工作面开采过程中断层活化过程及期间岩体裂隙发育演化规律，提出了从被动过断层到超前工作面预注浆加固断层构造带的断层治理思路，确定了静、动压2阶段分步预注浆的合理有效距离为超前工作面300～400 m和30～50 m。通过对断层构造带平行与扇形注浆孔的分级递进式布置、高压注浆设备的计算选型与泵效校检、“两堵一注+排气管”耐高压（15～20 MPa）定位封孔方式的设计与强度验算，形成了帷幕注浆（0～10 m孔）、浅孔注浆（10～30 m孔）、中深孔注浆（30～80 m孔）和预留深孔注浆（80～130 m孔）相结合的静动压分步耦合预注浆断层带加固关键技术，实现了注浆压力5～15 MPa、注浆流量0～6 m³/h、注浆范围0～150 m的远距离高压注浆，达到了超前工作面30～400 m预注浆加固断层破碎带煤岩体的目的。该技...     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

多因素影响下断层活化的数值模拟

运用FLAC~(3D)数值模拟软件,对不同断层角度、工作面推进距离、上下盘分别开采情况进行模拟,获得了各因素作用下的断层面应力值及位移量,结合断层滑移失稳的敏感性指标-断层面应力比,对比分析得出各因素对断层活化的影响机制。     

超前支承压力对断层活化影响的数值分析

应用FLAC-3D对工作面前方的移动支承压力对断层活化的影响作用进行分析,研究结果表明:在断层上盘回采过程中,随工作面推进,断层周围的垂直应力和剪应力发生剧烈变化,在距离断层带45m时,断层已完全活化;支承压力对断层上下盘岩体位移量也产生显著影响,且断层上盘的应力和位移变化量明显大于断层下盘应力和位移的变化量。     

承压水上采煤隐伏断层活化流固耦合数值模拟

针对某工作面底板隐伏断层集中发育现象,利用FLAC3D软件建立流固耦合计算模型,模拟在工作面推进过程中,承压水沿裂隙导升过程,并计算出隐伏断层附近各测点物理力学参数;通过分析数据,找出了隐伏小断层在采动及渗流联合作用下的活化规律,预测了衍生裂隙发育及扩展趋势。     

断层破碎区域煤岩体动压影响范围确定

断层破碎区域的巷道极易发生变形,随着回采工作面的推进,工作面前方会造成应力集中且加剧断层的活化或者运移,诱发矿区动力学灾害。为了确定断层区煤岩体动压影响范围,以屯宝煤矿缓倾斜煤层1193工作面为研究背景,联合现场实测和理论分析,通过现场布置煤壁应力计和锚杆应力计来收集围岩内部的应力分布信号。以巷道表面变形测量为基础,结合内部应力变化的综合考量,从整体上分析可以确定断层发育区域的动压影响范围为34 m,峰值位置为5 m。动压影响范围的科学确定可以为巷道的合理支护提供支撑,从而保障屯宝煤矿1193综放工作面在断层区域的安全高效生产。     

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈"正八字"形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈"倒八字"形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。     

大采高工作面过断层破碎带围岩控制技术研究

为了研究大采高工作面断层破碎带围岩控制技术,采用UDEC分别模拟工作面揭露断层前后围岩应力变化规律、揭露断层时覆岩运移规律。根据模拟结果可知,断层导致工作面应力呈"几"字型分布及顶底板变形量增大。在断层影响区域采用锚网索、单体液压支柱挑棚联合支护取得了良好的效果。     

深井工作面向地垒构造开采煤岩体采动响应特征

地垒构造为影响安全开采的重要因素，为分析工作面过地垒构造开采时两盘覆岩的运动规律及工作面前方支承应力的演化特征和断层活化规律，基于UDEC数值模拟软件进行研究。结果表明：工作面接近地垒构造时，上覆岩层向采空区发生回转，易引起断层活化滑移；工作面在地垒构造中，若煤体上方基本顶无法形成铰接结构，易引发断层煤柱失稳破坏煤体；由数值模拟可知，上盘工作面开采影响大于下盘工作面影响，其影响主要表现为断层冲击地压诱发影响开采范围大、断层滑移诱发冲击地压的危险性高。研究明确了地垒构造对地下工程作业的影响规律。     

采动诱发断层滑移失稳的研究

以济三煤矿6303面地质条件为背景,进行了断层滑移失稳相似模拟试验及数值模拟.研究表明,工作面由断层下盘向断层推进,在采动影响下断层面正应力下降,剪应力上升,断层发生"活化",断层滑移量急剧增加,顶板稳定性变差,工作面支承压力升高;工作面过断层后,断层正应力增加,剪应力减小,顶板易于形成平衡结构,矿压显现不明显.工作面由断层上盘向断层推进,断层面正应力上升,断层不易于"活化",断层滑移量较小,顶板易于形成平衡结构;工作面过断层后,断层正应力迅速下降,断层滑移量增加,顶板稳定性差,工作面支承压力增加.通过对比分析,可以确定当工作面位于断层下盘时冲击矿压危险性远高于工作面位于上盘时的危险性.并通过对几个煤矿断层冲击矿压现象的分析从而验证了该结论的正确性.