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。     

断层下盘一侧采空工作面采动应力分布及其演化规律

以赵楼煤矿断层下盘一侧采空的11303(东)工作面地质条件为背景,采用FLAC~(3D)软件模拟分析了断层下盘工作面背向断层推进时,断层煤柱应力、工作面中部及采空侧端头超前支承应力演化规律。研究表明:工作面推进小于120 m时,断层煤柱应力集中程度逐渐增大,随工作面继续推进,断层煤柱集中应力变化不大。工作面推进小于80 m时,工作面中部超前支承应力峰值逐渐增大,而超过80 m后应力峰值变化不大。工作面采空侧端头受采动及相邻采空区影响,超前支承应力远大于实体煤侧,且在推进170 m时支承应力峰值达到最大。     

逆断层活化诱发冲击地压的危险性研究

采用FLAC3.03D数值模拟软件,以接触面单元模拟断层上下盘构造关系,模拟在逆断层地质构造下,工作面从断层下盘向断层面推进过程中,矿山压力分布规律以及断层带位移变化规律。结果表明,在逆断层地质构造下,工作面从下盘向断层推进过程中,距断层面距离不断减小,断层滑移量随工作面的推进逐渐增大;逆断层面上应力变化受采动影响活化范围在断层面前方40 m处,剪切应力与法向应力随工作面的推进逐渐增大,剪切应力变化高于法向应力,诱发冲击危险性增大。     

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。     

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。     

断层煤柱及倾角对采动应力及能量分布的影响特征

针对工作面沿正断层走向布置,建立上下盘工作面开采三维数值计算模型,模拟研究上、下盘工作面采动应力及弹性能的分布特征、断层煤柱宽度及倾角对应力场和能量场的影响规律。研究表明:正断层上盘或下盘工作面开采,断层侧工作面端头及断层煤柱上的采动应力和弹性能较高,且上盘工作面开采时更高,断层阻隔效应较为明显。随着断层煤柱宽度减小,断层对工作面采动应力及弹性能积聚的影响程度逐渐增加,断层侧工作面端头采动应力及弹性能峰值明显升高;当断层煤柱宽度由50 m减小到20 m,断层煤柱应力及弹性能不断升高,煤柱宽度减小为10m时,小煤柱承载能力及弹性能降低。随着断层倾角增大,断层侧工作面及断层煤柱采动应力及能量峰值升高,高角度断层的影响较大。断层侧巷道两帮处于采动高应力状态,积聚着较高的弹性能,回采过程中应加强巷道支护,采取必要的灾害防治措施。     

不同倾角下正断层下盘开采支承应力演化规律研究

以正断层下盘工作面开采为背景,采用三维有限差分数值模拟软件FLAC~(3D) ,建立不同断层倾角下盘工作面向断层推进的数值模型。研究了工作面支承应力的分布特征和演化规律。研究表明:下盘工作面向正断层推进过程中,由于正断层切割了顶、底板岩层的连续性,采动应力的阻隔效应显著,断层倾角越小,其阻隔效应越显著。     

正断层活化诱发冲击地压危险性研究

采用FLAC3.03D数值模拟软件,以接触面单元模拟断层上下盘构造关系,模拟在正断层地质构造下,工作面从断层下盘向断层面推进过程中,矿山压力分布规律以及断层带位移变化规律。研究结果表明,在正断层地质构造下,下盘工作面推进过程中,距断层面距离不断减小,断层带位移发生变化;断层面上应力变化受采动影响活化范围在断层面前方40 m处,剪切应力与法向应力随工作面的推进逐渐增大,剪切应力变化高于法向应力,距离断层面越近,诱发冲击危险性增大。     

采高对断层煤柱支承应力及断层活化规律影响研究

采用FLAC~(3D)数值软件,建立下盘向正断层开采数值模型,研究了不同采高条件下,断层煤柱内的支承应力演化特征和断层活化失稳规律。研究表明,采高对断层煤柱内的支承应力及断层面上的剪切应力和法向应力比值影响显著,随采高增大,断层保护煤柱发生塑性失稳时的煤柱尺寸明显增大,且断层活化失稳的时间越早。相同条件,采高增大时,为防止煤柱失稳和断层活化而留设的保护煤柱尺寸需相应增加,断层附近开采时工作面和回采巷道需加强支护强度。     

不同倾角下工作面沿正断层开采断层煤柱应力演化规律研究

以赵楼煤矿5310工作面开采条件为研究背景,采用FLAC3D数值模拟软件,建立不同正断层倾角模型,研究了工作面沿正断层走向推进过程中,断层煤柱稳定性以及应力演化规律。研究结果表明,上盘断层煤柱支承应力峰值高于下盘,受断层倾角影响较大。断层煤柱支承应力随断层倾角增大而增大,工作面前方支承应力主要集中在靠近断层一侧;下盘断层煤柱支承应力曲线在断层倾角为45°、50°时呈双峰状,在55°、60°时呈单峰状,断层煤柱支承应力峰值受断层倾角影响较小;上下盘断层煤柱宽度应不小于30m,需根据具体工程条件确定断层煤柱宽度。     

断层倾角对工作面超前支承压力影响的数值模拟研究

采用UDEC4.0数值模拟软件,模拟了煤层开采过程中断层对矿山压力分布的影响。首先分析了正、逆断层诱发冲击地压的机理,然后建立断层倾角为30°的初始模型,研究了工作面分别从上、下盘向断层推进过程中工作面超前支承压力的峰值大小及其分布情况。最后在应力最集中区域,即工作面距离断层20 m时,分析不同断层倾角情况下,工作面超前支承压力峰值的变化规律。     

不同开挖引起断层活化的数值模拟对比分析

强度较低的断层面,周围采动活动易于诱导其断层活化,引发冲击地压。经验表明,在不同采动方案下,引起断层活化的程度存在差异。利用UDEC数值模拟软件,分别模拟工作面从逆断层的上盘和下盘逼近断层回采过程,对比研究断层面最大剪切应力和对应法向应力的演化规律以及断层面上、下盘相对运动规律。结果显示:在工作面回采过程中,工作面距断层水平距离越近,越易于诱导断层活化;工作面在逆断层上盘逼近时,断层相对稳定,活化程度较低;工作面在逆断层下盘推进时,断层活化程度较大,诱发冲击地压的危险性很大。研究表明巷道在逆断层上盘开挖比在下盘更安全、稳定。     

采动影响下断层冲击危险数值模拟

为了研究采动影响下断层带附近应力演化规律,以山东鲁西矿区某矿地质资料为背景,基于FLAC3D数值模拟软件和正交试验方法,依次模拟了断层倾角为30°、45°、60°、75°和断层落差为6、10、20、30 m等工况下断层带附近应力峰值的演化规律。结果表明,开切眼布置在上盘开采时断层带附近的应力集中程度远大于下盘开采,并且应力峰值随着断层倾角和落差的增大而增大,当断层倾角为75°,落差为30 m时,支承压力峰值达到了47.3 MPa,并且随着工作面推进过程中距离断层越近,煤壁前方支承应力越大,其冲击危险程度也越高。     

采动效应下逆断层顶板突水规律相似模拟

以大平煤矿N2S3工作面作为相似模拟研究对象,采用相似模拟试验对下盘开采逆断层的活化失稳过程进行研究,分析了工作面推进过程中断层面应力演化特征,探索断层对采区工作面突水的影响规律。研究表明:随着工作面的推进,断层整体呈"上端活化—上端闭合—下端活化"的演化规律,断层上下盘之间相对运动逐渐向其下端发展。当下盘开采工作面位于逆断层附近30 m范围内时,断层带整体活化将导致了采空区突水事故的发生,此时需要通过留设断层防水煤岩柱来达到安全开采的目的。     

孤岛工作面遇断层采动应力分布规律研究

针对孤岛煤柱工作面回采过程中遇一斜交10°断层的现状,为解决工作面煤壁易片帮、冒顶等问题,研究了工作面前方采动应力场分布特征及对回采工作的影响。通过采用极限平衡理论和数值计算分析了工作面在回采过程中应力分布规律及围岩变形特征。结果表明:工作面液压支架集中应力主要分布在工作面中上部和下端头附近;开采扰动易造成断层活化,使得断层附近工作面垂直应力下降,水平应力上升。根据监测结果,随着工作面的不断推进,超前支承压力峰值始终位于工作面煤壁前方5 m左右。     

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。     

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。     

正断层两盘不同开采顺序的支承应力演化规律

以工作面沿正断层走向布置时断层两侧工作面开采为背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了下盘工作面接替上盘工作面开采及上盘工作面接替下盘工作面开采时,断层两盘煤柱应力及接替面超前支承应力的演化规律。研究表明:正断层一侧工作面采动时,下盘工作面开采的煤柱应力集中程度小于上盘,下盘工作面采动对上盘煤岩体应力的影响较大;断层两侧工作面采动时,上盘工作面接替下盘工作面开采,上盘断层煤柱应力集中程度较高,下盘工作面接替上盘工作面开采时,下盘断层煤柱应力集中程度较低;2种开采顺序下接替面超前支承应力集中明显,其中上盘工作面接替下盘工作面开采时,上盘工作面超前应力集中程度更大。     

逆断层区域采动煤体力学特征北大核心

为研究逆断层影响区域煤体在采动路径下的力学特征,以新春煤矿1503回采工作面为研究对象,建立逆断层区域采动煤体应力分析模型,计算得出随着工作面与逆断层距离减小,工作面前方采动煤体应力集中程度逐渐增加的变化特征,并采用KBJ-60Ⅲ-1型回采支架工作阻力连续记录仪记录工作阻力,验证了理论计算的结果;基于采动煤体应力变化规律开展煤体力学特征试验,设计3种应力加载方案模拟与逆断层不同距离采动煤体的应力变化,得出煤体力学特征与距逆断层的距离有关,距离逆断层越近,煤体偏应力峰值和应变相对越大,与距离逆断层5m的M1煤样相比,距离逆断层65 m的M3煤样偏应力峰值和轴向应变分别上升了40.74%和26.73%;通过能量分析方法得出与逆断层不同距离的采动煤体裂隙发育特征不同,距离逆断层越近,采动煤体内部存储的弹性相对最高,也消耗更多的能量用于煤体破坏和裂隙扩展。     

采场顶板尖灭隐伏逆断层区导水裂隙发育特征

为了防治采场项板尖灭的隐伏小断层(落差小于5 m)导致矿井突水,采用相似模拟试验,研究了工作面由下盘向上盘过顶板尖灭逆断层区域覆岩的渐进破断过程、采动应力和采动裂隙的演化特征.试验结果表明:当工作面未推进至断层面时,尖灭断层的上部裂隙张开,下部有闭合的趋势,且张开断层面的上部张开度大于下部;当工作面进入断层面时,下部顶板断层面张开;进入上盘岩层后,断层面逐渐闭合,且下部的闭合程度大于上部;下盘煤层支承压力的峰值系数显著增大,上盘煤岩层的支承压力峰值系数较小.下盘冒落充分,上盘则整体呈现悬臂梁弯曲下沉趋势;使得下盘导水裂隙高度大,上盘导水裂隙高度小.在断层尖灭点附近,导水裂隙在高度方向停止发展,完整岩层对构造导水裂隙竖向扩展有阻隔作用.