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。     

不同断层落差采动应力及活化规律优化研究

以兴隆庄煤矿为工程背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了不同断层落差条件下工作面推进时的采动应力及活化规律。研究表明:下盘工作面开采时,顶底板围岩应力集中程度和工作面前方支承压力随着落差的增大而增加,而上盘工作面开采时则表现出相反的规律。下盘工作面开采,对于低位岩层,当工作面距断层30 m时,剪切应力与法向应力比值最大,此时,断层易活化、失稳。当断层落差为8 m时,剪切应力与法向应力比值最大;当断层落差为4 m时,比值最小。对于高位岩层,剪切应力与法向应力比值的最大值随断层落差增大而增加;上盘工作面开采,剪切应力与法向应力比值变化趋势与断层落差变化基本保持一致。上、下盘工作面开采,随着断层落差的增大,顶板下沉量逐渐增加。     

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。     

逆断层下盘开采断层煤柱应力演化及断层活化规律研究

以逆断层为研究对象,通过FLAC~(3D)数值模拟软件建立由下盘向逆断层开采模型,研究了逆断层下盘开采时不同尺寸断层煤柱内支承应力演化和断层活化规律。结果表明:逆断层对采动应力的阻隔效应显著,随断层煤柱尺寸减小,断层煤柱内易形成高应力集中,导致煤柱塑性失稳,易诱发动力灾害;断层面剪切应力与法向应力比值能较好的反应断层受开采扰动程度,比值最大时断层活化危险性最大;受开采扰动,断层由高位向低位逐步活化,两盘相对位移量增大,易诱发矿井灾害。     

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。     

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。     

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。     

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。     

正断层上盘边角煤开采诱发断层活化规律

为研究边角煤工作面采动断层活化规律,基于兴隆庄煤矿肖家庄三号正断层上盘5313工作面遗留边角煤开采,采用数值模拟研究工作面采动不同层位断层面应力和断层滑移量演化规律,分析采动诱发断层活化失稳的可能性。研究结果表明:随工作面与断层距离减小,断层面剪切应力与法向应力增大,两者比值升高,同时断层滑移量随之增长,断层活化失稳可能性增大;当工作面距断层小于30 m时,断层面应力比值显著升高,滑移量剧烈增大,断层活化最为显著。     

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。