采动影响下断层滑移失稳研究

为研究采动影响下活动断层的滑移情况,以抚顺矿区老虎台矿为背景,建立了采动条件下覆岩运动的突变力学模型,确定了断层发生滑动的必要条件;运用UDEC数值模拟软件对工作面开采条件下断层活动进行分析,现场工业性试验对断层活动进行监测和验证。结果表明,断层失稳的必要条件为刚度值k≤1,刚度比随着开采深度的增加而逐渐降低;当弹性段采出厚度大于85 m时,F25断层具备了发生滑动的必要条件,易发生冲击地压。83003工作面开采后,F25断层下盘位移基本不变,上盘位移活动幅度较大,最大位移达到了5~7m;锚索测力计的应力变化与断层活动具有较大的相关性,当锚索测力计数值突变时,表明断层已经活动,锚索测力计数值突变越大,预示冲击地压和矿震能量越大。     

基于模糊综合评判的冲击地压危险性分区预评价技术研究

为解决采煤工作面冲击地压危险性难以准确分区预评价的难题,运用模糊综合评判法建立冲击地压危险性评价模型,模拟工作面开采过程,对工作面开采过程中不同区域煤体应力影响因素进行综合分析,评判冲击危险性,实现了采煤工作面冲击危险性分区预评价。根据专家现场经验和试验研究结果,确定了影响冲击地压危险性等级的7个主要影响因素,采用层次分析法,确定各个因素的权重。评价模型在山东某煤矿3105工作面进行了应用,得到7个高度危险区,4个中度危险区,评价结果与现场实际基本吻合,表明该模型是合理可行的。     

临近断层特厚煤层分层开采冲击地压发生机制

为了研究临近断层分层开采的冲击地压发生机制,以老虎台矿特厚煤层开采为研究背景,采用地质动力区划方法、数值模拟和现场监测方法对井田的地质动力环境、临近断层开采的围岩应力分布规律和断层滑移特征及其与冲击地压的关系进行了研究。采用地质动力区划方法,将老虎台井田断裂构造划分为5级,通过地震和矿震分布情况,确定老虎台矿地质构造活跃,处于较高的应力环境;采用FLAC3D数值模拟和锚索应力监测方法,分析断层围岩应力演化规律和断层滑移规律,在断层和开采共同作用下工作面断层侧超前支承压力急剧升高。结果表明,地质动力环境为冲击地压的发生创造了外界环境条件,断层和采动的耦合作用是冲击地压诱发的主要原因。     

煤层群下保护层开采保护范围的数值模拟

为确定煤层群下保护层开采上部被保护煤层的保护范围,结合金佳矿一采煤工作面保护层顶底板煤岩层的物理力学参数和地质特征,采用FLAC3D软件模拟下保护层开采中被保护层的应力场及变形场的变化过程,得出保护层的保护效果;并根据保护层开采的应力卸压保护准则和变形保护准则,确定保护层沿倾向和走向的保护范围。结果表明,由于岩性及岩层结构的影响,通过数值模拟确定的各被保护层的保护范围与按照卸压角确定的保护范围有一定差异;分别用现场考察与数值模拟这2种方法所确定的下保护层保护范围基本一致。     

基于3DMINE-MIDAS-FLAC~(3D)耦合的残矿回采稳定性研究

残矿开采条件极为复杂,回采安全性差。为了保障残采安全,利用3DMINE,MIDAS/GTS,FLAC3D软件的耦合,对残采方案的稳定性进行数值模拟研究,根据残矿开挖后所形成空区的围岩位移、应力及塑性区状态判定回采危险区。选取某矿山浅部中段残采工程为例,研究结果表明:该矿山-47 m中段部分间柱采空区的帮壁和顶板因岩移过大、拉应力过大、拉伸塑性破坏或剪切塑性破坏,出现了11处危险区;顶柱采空区顶板因拉伸塑性破坏,出现了6处危险区。通过此3种软件的耦合可精细建立复杂的数值模型,提高数值模拟结果的合理性,危险区的判定有助于指导矿山残采过程中安全监测与支护措施的实施。     

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

综放开采过断层冲击地压危险分析及防治技术

为预防综放开采过断层发生冲击地压事故,以东滩煤矿14310(东)综放工作面为背景,运用微震监测、数值模拟和理论分析等方法,研究断层区域的冲击地压危险性。按照断层活动规律,将工作面冲击危险性分为断层冷冻、断层蓄能、断层活化、断层煤柱、断层错动、上盘能量释放、残余能量释放和断层稳定8个阶段。分析3个高危阶段的冲击地压机理,认为断层活化型冲击机理是开采诱发断层附近积聚的构造应力向煤壁转移;断层煤柱型冲击机理是断层切割顶板与下盘形成高应力煤柱;断层错动型冲击机理是断层长期活化"润滑"断面。结果表明,冲击危险性划分结果和冲击机理分析结果皆与现场实际考察情况大致相同。     

厚松散层高强度开采岩层与地表移动模拟

为研究厚松散层高强度开采引起的岩层与地表移动,对霍宝干河矿某工作面的覆岩破坏及地表沉降进行三维数值模拟,得到该高强度开采工作面在不同推进距离时采空区上覆岩层的塑性区和垂直位移分布云图。对覆岩破坏特征及地表沉降进行了综合分析。用概率积分法和现场实测值验证数值模拟的有效性。结果表明:3种方法得到的地表沉降值接近;覆岩破坏发育过程可划分为4个阶段:起始阶段、缓增阶段、突增阶段和终止阶段;覆岩破坏边界呈正八字形,厚松散层移动边界呈倒八字形,最终呈现出"类沙漏"形岩体与地表移动边界。     

承压水体上邻近断层开采底板岩层破裂与导水特征

大部分煤矿都不程度的受到承压水的影响,承压水的突出绝大多数与断层有直接的关系。以山西某矿承压水体上煤层开采为背景,分析了断层带突水的影响因素及突水机理;通过对矿区水文地质的综合评价,对矿区潜在威胁的断层建立离散元数值模型,进行流固耦合数值分析,以探究邻近构造带底板岩层的应力分布特点及破裂和渗流特征。通过计算表明,随着工作面逐步开采邻近断层,底板破裂深度增大,沿断层面两侧岩体发生滑移错动并伴随渗流发生。     

工作面回采诱发多断层活化对地表建筑物的影响分析

为了研究工作面回采诱发多断层活化对附近村庄内民房的影响,结合杨河煤矿地质采矿条件及裴沟村的地理位置,通过现场调查民房破坏情况划分了建筑物的采动损坏等级,证明了利用岩层边界角计算由断层活化引起的采动影响范围的不合理性;分析村庄内的地表移动破坏特征确定了断层活化的事实;运用FLAC3D数值模拟揭示了断层活化地表移动变形的特点;综合以上研究,提出了由断层活化造成民房损害的鉴定方法。结果表明:多断层活化具有多米诺骨牌效应,工作面回采产生的破坏,在断层之间依次传递,扩大了开采沉降的范围,增加了受损民房的数目;断层活化的地表倾斜值并非随着远离采空区边界逐渐减小,而是先减小,后增大,造成部分民房破坏加剧;提出以地表移动破坏特征判断断层是否活化、数值模拟确定采动影响范围、民房损害等级划分确定民房受损数目的鉴定方法。     

深部孤岛工作面区段煤柱冲击地压的试验研究

以冲击启动理论为基础,结合覆岩空间结构思想,采用相似模拟试验方法,研究了孤岛工作面上覆岩层空间结构特点及采动围岩应力场的分布、变化规律,进一步探讨了孤岛工作面区段煤柱冲击地压发生机理。结果表明,两侧充分开采的孤岛工作面上覆岩层呈"C"型覆岩空间结构,工作面承受上部岩层及两侧采空区上覆岩层转移过来的部分岩层重量,在工作面两侧形成应力集中区域,导致采动围岩应力场达到极限平衡状态,该集中应力可视为采动围岩近场极限平衡系统的静载荷。孤岛工作面开采过程中"C"型覆岩空间结构逐渐演化形成"W"型空间结构,极限平衡系统静载荷发生转移和改变,最终由上下区段煤柱全部承担上覆岩层重量,系统载荷增至最大,处于临界失稳状态。"W"型覆岩空间结构大面积失稳,为系统提供了外动载荷,系统在动载荷的扰动下突破平衡极限,从而发生区段煤柱冲击。最后,基于孤岛工作面应力分布规律确定了区段煤柱的合理尺寸。     

叠加应力作用下急倾斜煤层区段防水煤柱留设研究

以急倾斜开采防水隔离煤柱留设为工程背景,采用理论分析和数值模拟作为主要手段,对急倾斜煤层上部覆岩运动规律进行了研究,认为煤层开采过后上覆岩层运动与水平煤层有较大差异,呈现岩层运动不对称垮落,煤柱裂隙发育度应该为左高右低,急倾斜煤层隔水煤柱上部塑性区宽度大于下部塑性区宽度,呈非对称分布。通过数值模拟得出,35 m保护煤柱下,上工作面裂隙发育高度大于下工作面,两工作面断裂拱发育不对称;煤柱中间区域位移量较小,可以满足生产要求;煤柱在上下两工作面作用下,压力峰值较高,达到18 MPa,上工作面靠近煤柱侧压力也较高,整个支承压力曲线呈现多个波峰波谷。     

多手段综合分析特厚煤层分层开采覆岩破坏高度

为研究特厚煤层分层开采过程中已采工作面上覆围岩破坏高度,以老虎台矿83002已采工作面为例,分别采用EH-4物理探测、数值模拟和微震监测等多种手段进行分析论证。EH-4探测确定了垮落带和裂隙带位于油页岩层内,高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面,F1断层处出现离层空间,数值模拟和微震监测对该结果进行了验证;数值模拟和微震监测综合确定了覆岩破坏高度为400～485 m,为累计采高的6.3～7.5倍。研究成果可对下一分层83003工作面的安全开采进行指导,为类似条件矿井提供借鉴。     

尖角煤柱影响下旋采面冲击地压危险分析与防治

为预防复杂开采条件工作面冲击地压灾害,以尖角煤柱与旋转开采耦合条件工作面为研究背景,从冲击倾向、地质构造、地应力、坚硬顶板、旋转开采与尖角煤柱等角度分析冲击地压发生的影响因素,基于数值模型研究工作面采动应力演化特征,得出工作面冲击危险区域及程度,并提出相应的防治措施。结果表明:连续的尖角煤柱具备较高的应力集中条件且会产生应力累积效应,工作面冲击地压危险区域主要集中在旋转之前和旋转中,其中旋转开采部分运输巷受断层、矿界煤柱与旋转开采影响具有强冲击危险,旋转开采部分轨道巷受尖角煤柱与旋转开采影响具有强冲击危险。工作面旋转区、尖角煤柱区分别采用降低开采扰动强度、静载卸压的方式防治冲击地压的发生。     

采动诱发逆断层滑移的理论分析及数字图像相关方法观测研究

断层是采矿工程中经常遇到的一种地质构造,研究采动诱发断层的活化规律对安全开采具有重要意义.为了研究采动诱发逆断层滑移规律,以逆断层上盘煤层上方部分岩层整体为研究对象,通过引入工作面煤壁前方支承压力经验公式和有关假定,在其水平和垂直方向上建立平衡方程,获得了断层面上剪应力和正应力公式.研究发现,二者呈线性关系.以千秋矿21221工作面为例进行理论分析,获得了断层面上剪应力和正应力随工作面与断层距离的变化规律,通过引入莫尔-库仑准则得出工作面与断层距离超过31 m才能防止断层快速滑移.以千秋矿21221工作面为原型进行相似材料模拟试验,并利用自主研发的基于粒子群优化算法和牛顿-拉斐逊迭代的数字图像相关方法计算了开采过程中断层附近的位移场以研究断层滑移规律.通过分析得出工作面与断层距离超过35 m才能防止断层快速滑移,这与上述理论分析较为一致.     

保护层开采防突效果区域时空特征分析

为获得保护层开采区域防突效果的时空演化特征,确定区域抽采补充措施相关参数,制定更优的被保护煤层采掘时空规划,建立伏岩应力(变形)力学模型开展数值模拟,并现场考察被保护煤层参数变化的时空分布情况。结果表明:覆(伏)岩层岩性及结构、煤层开采厚度、工作面长度等是影响保护效果时空分布特征的主要因素;被保护区域煤层的应力呈W型分布,变形呈M型分布;随工作面位置变化,瓦斯压力先增加后降低,膨胀率和透气性先降低后增加;煤岩变形量相对于工作面位置的推移存在一定的迟滞性,体现了煤岩变形的蠕变特征。     

常村煤矿S6-8工作面岩层运动的连续-非连续方法模拟

为了细致地模拟煤矿开采中复杂的岩层运动现象,探讨开采速度的影响,采用自主开发的连续-非连续方法,通过引入应力跌落和准静力计算模式,以常村煤矿S6-8工作面为背景建立数值模型,模拟采动诱发采场上覆岩层的变形-开裂-运动过程。结果表明:本方法可较为细致地模拟煤矿开采中一系列复杂现象,例如,采场上覆岩层的弯曲变形、下沉、开裂、离层和层间错动、直接顶的周期垮落、工作面煤壁上方岩层近似平行展布的倾斜穿层裂缝、若干破断岩块形成的近似等腰梯形结构和采空区局部闭合;开采速度越快,直接顶初次垮距越大,这是由于采场上覆岩层向下运动不充分,直接顶垮落主要受自身和开采卸荷的影响。     

综放孤岛工作面采空区自燃与爆炸危险区监测及数值模拟

针对高瓦斯矿井自燃煤层综放孤岛工作面开采时采空区漏风导致的采空区自燃和瓦斯爆炸灾害综合防治的技术难题,以天池煤矿102孤岛工作面为例,进行采空区自燃"三带"及爆炸危险带现场监测及数值模拟研究。监测结果表明,102工作面采空区氧气体积分数随与工作面距离增加而下降,工作面进风侧采空区氧化升温带宽度较大,工作面中部到回风侧采空区氧化升温带宽度逐渐减小。利用COMSOL软件模拟采空区风流速度场、氧气体积分数场、甲烷体积分数场和自燃"三带"分布。数值模拟结果表明,102工作面采空区进风侧切顶线20~70 m范围内氧气体积分数大于8%,风速小于0.004m/s,存在自然发火危险;工作面回风侧采空区没有自燃危险带;工作面进风端头后部采空区的自燃危险带内瓦斯体积分数也处于爆炸范围5%~15%内,此重合部分即为瓦斯爆炸危险区。     

坚硬顶板综采工作面推进速度对矿压规律影响研究

以顾桥煤矿坚硬顶板综采工作面工程地质条件为背景,运用理论分析、数值模拟和现场实测手段,分析了开采速度对工作面覆岩运动、围岩破坏、应力分布和液压支架承载特性的影响。研究结果表明:1个周期来压内工作面落煤引起的岩梁刚性回转下沉量是一定的,工作面作业循环时间引起的岩梁蠕变下沉量与岩梁刚性回转下沉量呈正比,加快工作面推进速度仅减少围岩体蠕变引起的岩梁下沉部分。工作面开采速度增加,覆岩塑性区发育范围减小,煤壁应力集中位置变浅、应力集中系数变小。工作面快速推进时,液压支架承载多为2次増阻和3次増阻,支架工作阻力较小;缓慢推进时,液压支架承载多为1次急增阻,载荷近似呈线性增长,支架工作阻力较大。     

工作面推进过程中上覆岩层移动与瓦斯运移规律的研究

本文通过模拟分析上覆岩层移动与瓦斯含量变化的过程,结果显示,工作面推进影响覆岩的移动。临近煤层瓦斯含量影响工作面瓦斯的含量,并提出对开采临近层采取瓦斯抽放的措施降低开采层瓦斯含量。