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。     

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。     

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。     

断层影响下底板隔水层的破坏机理研究

为了研究断层对底板隔水层稳定性的影响,根据岩石剪切破坏的极限平衡条件推导出隔水层破坏的临界水压力公式,并提出突水判据.基于临界水压力公式分析了断层倾角、内聚力和断层煤柱宽度对底板隔水层破坏的影响规律.结果表明,断层倾角越小,底板隔水层能够承受的临界水压越小,底板就越容易发生突水;若断层带内聚力越小,即断层带强度越软弱,底板临界水压力也随之减小,此时底板发生突水的可能性越大;断层煤柱留设宽度越大,底板越不容易发生突水.工程应用表明预设的煤柱宽度偏小,有发生底板突水的可能,为保证安全开采,根据所推出的临界水压力公式计算得出合理的断层煤柱宽度应为34.3 m.     

逆断层倾角对断层两侧巷道围岩稳定性的影响

运用UDEC数值模拟软件,建立40°、60°、80°3种倾角的逆断层模型。通过分析巷道围岩塑性破坏特征、顶底板和两帮的移近量以及围岩垂直应力分布特征,研究逆断层倾角和上下盘关系对两侧巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明:巷道在逆断层上盘时,随断层倾角增大,围岩稳定性有降低的趋势;若巷道布置在逆断层下盘,断层倾角为60°时巷道围岩稳定性最差;若巷道布置在逆断层下盘,则顶底板移近量均小于在上盘时,而围岩塑性区范围、两帮移近量和巷道两侧应力的集中程度大于上盘,且断层倾角越大差值越大。     

断层影响下底板应力分布和破坏分析

采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对底板应力峰值与塑性区变化的影响。对不同断层倾角,断层刚度和底板水压下底板应力峰值和塑性区变化进行了分析,同时根据现场实测,对有无断层条件下破坏深度进行对比。断层倾角越小,底板应力峰值越高,底板破坏区范围越大;断层倾角越大,底板破坏区范围越小,最终发展为“X”型。断层刚度的增加,没有对底板塑性区产生明显的影响,只是从断层带一侧改善了底板突水通道。随着底板水压的增大,塑性区范围没有明显变化,底板应力峰值的波动程度也不大。无断层存在,底板破坏深度为0~17 m;断层带的存在使底板破坏深度增大了135%。     

断层落差对逆断层活化规律影响的模拟研究

以某煤矿F5逆断层实际地质资料为背景,采用FLAC3D软件,对逆断层上、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,揭示了工作面采动中落差与逆断层活化之间的联系。研究可知,下盘煤层开采时,断层落差与断层带正应力及两盘滑移量的变化成正比,即随落差的增大而增大,断层也更容易活化;上盘煤层开采时,随着断层落差的增大,断层的两盘滑移量及其所受的正应力均减小,断层落差越小,其活化程度反而越高,突水危险性更大,因此两盘开采呈现不同的规律,在实际中需加以区分,并有针对性地做好防治措施。     

含断层底板采动效应数值分析——断层倾角对采动效应的影响

根据煤层底板地质特征,建立了含断层底板岩体工程地质力学模型,并运用连续介质快速拉格朗日元法对底板采动效应进行了数值模拟。结果表明:在相同的地质和采矿条件下,断层倾角对底板采动效应有较大影响,当工作面推进至断层时,断层倾角越小,底板采动破坏深度越大,且底板卸荷范围较大;当工作面推过断层,底板卸荷深度随断层倾角增大而增加,底板变形破坏深度也加大;断层存在活化现象。揭示了采场底板断层突水的机制。     

断层落差对逆断层活化规律影响的模拟研究北大核心

以某煤矿F5逆断层实际地质资料为背景,采用FLAC3D软件,对逆断层上、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,揭示了工作面采动中落差与逆断层活化之间的联系。研究可知,下盘煤层开采时,断层落差与断层带正应力及两盘滑移量的变化成正比,即随落差的增大而增大,断层也更容易活化;上盘煤层开采时,随着断层落差的增大,断层的两盘滑移量及其所受的正应力均减小,断层落差越小,其活化程度反而越高,突水危险性更大,因此两盘开采呈现不同的规律,在实际中需加以区分,并有针对性地做好防治措施。     

逆断层活化范围变化规律数值模拟

为了探索逆断层活化范围的变化规律,基于FLAC~(3D)数值模拟方法,建立逆断层活化范围分析模型。通过监测断层的相对位移量和切向应力与法向应力的比值,来分析逆断层活化响应范围的变化规律。得出煤层埋藏深度、煤层开采高度、断层倾角均对断层活化响应范围造成影响,并且逆断层活化范围随煤层埋深、煤层采高和断层倾角的增加而增大。     

关键层效应影响下逆断层活化响应范围力学分析

为了防治冲击地压灾害,提高卸压工作效率,基于关键层理论,建立逆断层上盘回采工作面的断层活化力学分析模型,揭示断层活化机理,获得断层活化响应范围的力学表达式,并且计算得出响应范围随着开采高度和断层倾角的增加而增大;断层接触面摩擦系数越小,断层活化响应范围越大。结合前都煤矿的实际地质条件,计算得出当工作面推进至距离断层33.36 m的位置时,断层开始活化,然后主要采取大直径钻孔,并配合煤层注水、煤体爆破等卸压措施,确保回采工作面安全通过断层,提高防冲工作效率。     

断层自锁与活化的力学机理及稳定性控制

针对断层受采动影响是否发生活化的难题,以断层带、上盘和下盘为系统,通过解析分析研究系统的稳定性。结果表明:系统有2个应力比状态量,它们是断层面黏结力、内摩擦角、裂隙流体压力及垂直应力等系统参量的函数;系统的稳定性由应力比和应力比状态量的关系确定;断层倾角越接近剪切错动特征角、断层面黏结力和内摩擦角越小、裂隙流体压力越大,系统越不稳定;垂直应力对系统稳定性的影响因黏结力、裂隙流体压力和内摩擦角之间不同的量值关系而有所不同;系统的稳定性可通过超前预注浆、钻孔疏放裂隙流体和设计、选择合理的施工方案改变应力比等措施实现有效控制。研究结果对发育有断层的地下资源开采、地下结构及防震减灾等工程具有参考价值。     

逆断层倾角对煤与瓦斯突出影响的研究

贵州地区由于封闭性、压扭性断层较多,不利于瓦斯自然释放,导致瓦斯聚集而易在开采中发生煤与瓦斯突出事故,这对矿井安全高效生产极为不利。通过理论分析并结合数值模拟,主要研究了逆断层条件下不同倾角的逆断层对煤与瓦斯突出的影响。研究结果表明,倾角为60°的断层对煤与瓦斯的突出危险性影响最大,其次是45°;角度越小的断层越容易受到开采扰动的影响;顶板的冲击频率以及冲击强度是煤与瓦斯突出的诱因之一。     

断层倾角对煤层底板突水影响的机理研究

平朔井工一矿发育有大量复杂断层,在采动影响下活化造成突水,极大增加了工作面底板突水危险性。运用基础力学建立力学模型,对断层活化导水机理进行理论分析,揭示了突水通道形成过程,得到突水的理论判据。研究表明:断层倾角是影响底板突水的关键因素,断层倾角越小越易活化导水。     

倾角对断层活化应力演化规律的计算机模拟研究

以某煤矿F2正断层的地质资料为依据,运用计算机数值模拟软件FLAC3D5.0对正断层在两盘工作面开采过程中断层带的应力变化、孔隙压力演化规律及围岩的孔隙压力进行研究,揭示了断层倾角对正断层的影响。研究结果表明:正断层在工作面开采之初断层带正应力变化不大,工作面开采至距断层35m位置时,断层带正应力快速增加,断层倾角越大,断层带正应力越大;不同断层倾角下,随工作面推进,断层带孔隙压力先缓慢增加,而后工作面距断层35m时,断层带孔隙压力迅速增加,工作面距断层相同距离时,倾角越大,断层带孔隙压力越大;正断层围岩的孔隙压力与断层倾角成正比,倾角越大,孔隙压力也越大。因此,在实际生产中需针对断层的性质,考虑断层倾角的影响,有根据地对断层保护煤柱进行留设,在保证安全的前提下,提高经济效益。     

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。     

断层倾角对底板突水影响的数值模拟

为了研究赵家寨煤矿综采工作面断层对底板突水的影响,根据工作面水文地质条件和岩石力学性能等参数,运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,模拟不同倾角的正断层在采动影响下工作面底板的裂隙变化规律。模拟结果在一定程度上揭示了断层倾角对底板突水的影响规律。模拟结果表明,断层倾角越小,断层越容易活化与突水。     

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。     

顶板岩性组合结构对逆断层活化特征研究

为了减少断层活化对煤炭安全生产带来的威胁,本文以河南某矿11011工作面过断层为工程背景,通过FLAC~(3D)三维数值模拟软件和微震监测等方法,研究了在不同顶板岩性组合结构下,工作面向逆断层推进时,煤层顶板的运动特征、断层带应力演化规律以及工作面过断层期间微震事件特征。研究表明,断层受到的开采扰动随工作面推进而逐渐增加,活化程度也越剧烈,在距断层10～20m时,断层活化危险性最大;受工作面回采的影响,顶板不同岩性组合结构下,断层发生活化难易程度为:软硬硬软软软硬硬硬软软硬硬硬软软;在工作面回采过程中,断层带B监测点的相对下沉量大于监测点A,说明断层上方高位处先发生活化失稳;随着工作面不断接近断层,断层受开采扰动的影响也越大,断层附近区域岩体微裂隙越多,断层附近区域微震事件越多,断层活化越剧烈。研究成果为断层发育区煤炭资源安全开采提供理论依据与技术参考。     

厚层坚硬顶板逆断层对煤岩动力失稳的力学分析

针对厚层坚硬顶板的结构特点,以实际案例为基础,分析了逆断层逆冲滑动的主要影响因素,构建了由水平构造应力影响下逆断层上盘的简化力学模型,研究了水平构造应力以及由其引起附加垂直应力的分布规律,从而揭示逆断层诱发冲击地压及煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的力学原因。研究结果表明:断层上盘中存在大于自重应力的垂直应力,积聚大量的弹性能;距应力边界越远,断层倾角越大,附加垂直应力及水平构造应力下降的速度就越快且其值越小;距边界较近时,水平构造应力变化不大,但附加垂直应力随着断层倾角的增大而递增。