邹庄矿井F25逆断层保护煤柱合理留设研究

为研究大型逆断层保护煤柱留设问题,以邹庄矿井F_(25)逆断层为工程背景,对该断层切割煤层底板奥陶系灰岩可能导致87采区煤层回采过程中断层"活化"突水情况进行分析,利用FLAC3D软件对留设不同宽度煤柱下应力场、塑性破坏区、断层带附近岩体垂向应力变化及断层"活化"规律进行了研究。结果表明,随着留设煤柱宽度变小,采动应力穿越断层带,在上盘形成应力集中区,垂向应力的演化明显滞后于水平应力;当煤柱宽度减小到20 m时,煤层顶底板表现出不同应力演化特征,且塑性破坏区与断层带导通,从而导致煤层顶断层带先于煤层底断层带"活化",经分析得知邹庄矿井F_(25)逆断层保留煤柱为20 m较为合理,与该矿井实际生产吻合。本研究结果为分析类似工程背景下保护煤柱留设具有一定参考价值。     

采动影响下逆断层特征参数对断层活化的作用规律

笔者分析了采动影响下断层滑移的主要影响因素,以数值模拟为研究手段,利用FLAC3D建立了逆断层简化模型,分析了不同断层倾角、不同落差及采掘工作面与断层不同距离的断层带附近煤岩体弹性能、断层面正应力与剪应力、断层滑移量的变化规律,从而揭示了采动影响下逆断层特征参数对断层活化的基本作用规律。研究结果表明:上盘或下盘开采,断层带附近煤岩体弹性能集中程度随工作面与断层距离的增大而降低,随断层倾角及落差的增加而增大,但下盘开采对断层带的能量集中程度较上盘高。下盘开采时剪应力较上盘显著增加,但正应力变化较小,易于断层活化。上盘或下盘开采,随工作面与断层距离的增加,断层滑移量减小。上盘开采,随断层倾角增大,断层滑移量增加;随断层落差增大,断层滑移量减小。下盘开采,随断层倾角增大,断层滑移量减小;随断层落差的增大,断层滑移量增加。     

大采高大断面迎采沿空巷道窄煤柱宽度研究

根据山西马堡煤矿地质条件，通过极限平衡理论、内外应力场理论计算出迎采巷道煤柱宽度范围为6.48～8.97 m.采用FLAC^3D数值模拟软件，分别模拟了煤柱宽度为5～9 m时，在15202运输顺槽掘进过程中，煤柱应力分布、塑性区分布及迎采沿空巷道围岩变形规律，结果表明：随着煤柱宽度的增加，煤柱峰值应力及塑性区范围不断减小，煤柱宽度为7 m以后，峰值应力减小趋势和塑性区变化均不明显，围岩变形逐渐趋于稳定，综合考虑安全开采和资源高效利用，最终确定煤柱宽度为7 m.通过模拟煤柱不同位置在采掘过程中的应力变化，确定采掘应力叠加影响范围为采掘间距30～-30 m,并结合15202运输顺槽不同位置的围岩变形情况，给出了合理的支护建议。     

大采高工作面区段煤柱宽度量化研究

合理的区段煤柱宽度对于提高煤炭采出率、提升采煤作业的安全性具有重要作用。以杨家村煤矿22205工作面为工程背景,采用理论计算、现场监测和FLAC3D数值模拟等多种方法对9、12、15和21m不同宽度区段煤柱进行计算分析。结果表明:当煤柱宽度为9和12m时,煤柱大部分进入剪切破坏,塑性区范围较大,不能达到维持煤柱稳定的要求;当煤柱宽度为15和21m时,顶板塑性区范围减小,煤柱承载能力增强,此时的煤柱宽度能满足稳定性要求。综合考虑煤炭资源回收、巷道围岩稳定性,确定工作面的区段煤柱宽度为15m。     

漳村煤矿综放开采合理煤柱宽度研究

针对漳村煤矿厚煤层综放工作面宽煤柱护巷巷道变形量大,煤柱破坏较为严重的情况,研究适合其工作面的合理煤柱宽度.首先,运用弹塑性理论分析法确定煤柱中部弹性区宽度至少大于3.30m,同时在中央没有应力平稳带即弹性核的情况下,运用极限平衡区法确定护巷煤柱宽度为6.48m;其次,应用三维数值模拟软件对不同煤柱宽度情况下,综放开采工作面巷道的变形以及煤柱的破坏情况进行对比分析;最后,综合考虑资源回收、安全系数和巷道支护等因素,确定其合理煤柱宽度为10m,该研究对实际生产方案的设计具有参考意义.     

正断层下盘采动支承压力分布及对上盘的影响分析

采用UDEC数值模拟软件,对正断层下盘工作面推进过程中,断层上、下盘煤层支承压力、顶板垂直应力以及塑性区分布情况进行了研究。由于存在断层地质构造,破坏了岩层的连续性,导致初始应力场发生挠动,在断层局部区域产生附加的构造应力。研究结果表明:在正断层下盘附近形成了低应力区和高应力集中区带,支承压力明显影响范围距断层面约10~30m;断层上盘煤层上支承压力峰值在靠近断层面附近约35m处;当工作面推进至距断层面25m时,保留的煤柱仍然有足够的承受强度,在工作面支架回撤时能够保障回撤安全。     

基于FLAC-3D的成庄矿多煤层陷落柱防水煤柱留设研究

运用FLAC-3D模拟软件对成庄矿内贯穿3~#、9~#、15~#煤层的KDX74、JDX75、KDX76陷落柱的防水煤柱预留情况进行数值模拟。通过分别留设不同宽度的防水煤柱进行模拟实验发现,当3~#煤层防水煤柱留设20 m,9~#煤层防水煤柱留设30 m,开采15~#煤层时,当15~#煤防水煤柱为20 m时,3~#煤层采空区下方塑性破坏区域与陷落柱活化区域导通,表明15~#煤层的开采可能导致3~#煤层采空区底板突水,故15~#煤防水煤柱宽度不应小于30 m。     

孤岛工作面沿空掘巷合理窄煤柱宽度模拟

针对孤岛工作面的回采巷道留设大煤柱造成煤炭资源的损失,且较宽的区段煤柱在工作面回采后形成应力集中,影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定的问题.以城郊煤矿2107孤岛工作面回采巷道沿空掘巷为工程背景,采用UDEC数值模拟软件对2107工作面回采巷道不同宽度条件下的围岩稳定进行了分析研究,结果表明:当区段煤柱宽度为4m时,巷道围岩控制能满足工作面安全生产的需要.     

缓倾斜厚煤层浅部回采区段煤柱留设宽度优化

以某煤矿缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱为对象.首先,利用数值模拟方法分析不同煤柱宽度下煤层回采时巷道围岩主应力、塑性区、支护结构应力及位移特征,评价巷道围岩稳定性,确定煤柱合理宽度范围.结果表明:煤柱宽度为3m时,区段煤柱莫尔应力圆与强度包络线相交、塑性区贯通、支护结构趋于破坏;宽度为6 m时,区段煤柱仅存30％弹性区、支护结构趋于破坏;宽度为9～12 m时,巷道围岩应力圆与强度包络线相离、处于弹性变形阶段、支护结构具有良好的承载力、围岩位移小,满足煤矿生产需求,为煤柱合理宽度范围.其次,通过工程实际验证.结果表明:煤柱宽度为9m时,能有效控制围岩变形破坏,煤炭生产效率与回收率最优化.可见缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱留设优化宽度为9m.     

采场断层活化期望模型的构建及应用

着眼各型断层对煤矿安全的负面干扰,概括采场断层活化期望控制指标体系并关联保护煤柱。用GM(1,1),Verhust,残差GM和GMANN构建数据挖掘模型实现比较准确拓展样本数据,选择成本型或效益型函数去除量纲实现归一。综合关联分析表明,有效隔水层厚度和工作面长度是断层失稳活化主导因素,以接近关联和相似关联研究证明断层倾角与断层活化失稳的耦合关系并未完全显化。经突变级数法给出活化期望系数并把0.88,0.84和0.74作为临界阈值,分级结果相对符合样本实例。应用表明,模型比较准确且相对保真,具备一定研究价值和基本实际意义。     

断层宽度对跨断层隧道错动反应特性影响的数值模拟

为了研究断层宽度对跨断层岩体隧道错动反应特性的影响,利用大型有限元软件ABAQUS,建立了断层错动三维有限元计算模型。在此基础上,以走滑断层为例,对比分析了断层宽度逐渐增大的过程中,跨断层岩体隧道的错动反应特性。计算结果表明:走滑断层错动作用下,衬砌拱腰主要承受拉/压应力,拱顶和拱底主要承受剪应力;拉/压应力峰值出现在变形最为剧烈位置处,剪应力峰值出现在错动盘和断层交界面附近。走滑断层错动对衬砌的影响范围随断层宽度的不同而有所不同:当断层宽度由0逐级增加至20、40 m时,影响范围逐渐增大;当断层宽度由40 m增加至60 m时,影响范围基本不变,说明断层错动对衬砌的影响范围存在一限值。     

区段煤柱留设宽度的数值模拟研究

恒晋煤业9103综放工作面位于西一采区。为确定区段煤柱合理的留设宽度,结合该工作面的回采参数及煤岩力学参数,采用FLAC 3D软件,分别对煤柱宽度为5m、7m、9m、11m时进行数值模拟。结合三种情况下数值模拟的围岩应力分布特征和围岩破坏特征,综合分析出:煤柱宽度为9m和11m时,煤柱内有较好的承载能力,但煤柱宽度为5m和7m时,煤柱出现塑性破坏,煤柱所承受的载荷超过其承载能力,故最终确定区段煤柱宽度为9m左右。     

深部沿空掘巷主应力差分布规律及煤柱宽度优化

以与围岩剪切破坏密切相关的主应力差为研究切入点,利用理论计算及数值模拟等研究方法,以赵固二矿11030运输巷沿空掘巷为工程背景,研究了深部回采工作面侧向采动应力场主应力差分布特征和不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩主应力差分布规律,并提出了以主应力差分布规律为依据的深部沿空掘巷煤柱设计思路。研究结果发现:11030运输巷沿空掘巷前围岩可以分为主应力差降低区、主应力差升高区和主应力差稳定区;不同煤柱宽度下,深部沿空掘巷顶板、底板和煤壁帮围岩的主应力差呈单峰值曲线分布;而煤柱帮围岩主应力差,在煤柱宽度≤8 m时,主应力差呈单峰值曲线分布;而当煤柱宽度8 m时,主应力差呈双峰值曲线分布,且位于浅部围岩的峰值点大小明显小于位于围岩深部围岩的峰值点大小。在此基础之上,结合理论计算确定了11030运输巷沿空掘巷合理煤柱宽度应为8 m,并进行了现场工业性试验。     

浅埋综采工作面区段煤柱宽度优化

以龙华煤矿3-1煤30203工作面为工程背景,采用现场实测,理论分析和数值模拟的方法进行了区段煤柱宽度优化研究。建立了三维有限差分模型,分析了不同煤柱宽度时煤柱的弹性区宽度,煤柱支承应力分布规律以及巷道围岩变形特征。完成了煤柱松动区数字钻孔成像和煤柱受力特性现场实测方案设计并开展了实测分析,得出了顺槽煤柱松动区范围和塑性区宽度。实测结果表明20 m的区段煤柱宽度有优化的空间。综合分析数值模拟和理论分析的结果,建议龙华煤矿3-1煤综采工作面区段煤柱合理宽度为15 m。最后进行现场工业性试验验证了理论分析和数值模拟的合理性。该研究结果可以提高煤层回采率,增加经济效益,可为类似开采条件下区段煤柱的留设提供参考。     

断层上盘防水煤柱合理宽度研究

当前采用的断层防水煤柱设计方法,是将断层上盘防水煤柱沿宽度方向看作是均匀连续和各向同性的弹性体,没有考虑到矿山压力、构造应力和水压力对煤柱的破坏和影响作用,导致煤柱留设宽度缺乏科学性,增加了工作面突水威胁。为了合理设计断层煤柱宽度,本文分析了煤柱在不同作用力下的物性状态,在此基础上将煤柱从隔水功能上划分为矿压影响区、有效隔水区和断层影响区,并分别推导和确定这3个区域的宽度计算公式,修正了断层防水煤柱设计方法,为上盘断层防水煤柱设计提供了科学的参考依据。     

采用边坡稳定性强度折减法分析弹性应变能突变判据

为分析采用强度折减法确定边坡安全系数过程中边坡弹性应变能随折减系数变化与边坡失稳破坏的内在联系,建立数值模型,记录边坡弹性应变能与折减系数关系曲线;通过对某边坡的分析,绘制弹性应变能与折减系数关系曲线.研究结果表明:采用强度折减法,当边坡处于稳定状态时,折减系数增大引起边坡变形增大,导致边坡体弹性应变能随之增大;但是,边坡岩土体能够承受的弹性应变能是有极限的,当折减系数增大到某一值时,边坡体的弹性应变能达到极限,再增大折减系数将导致边坡失稳破坏;边坡体弹性应变能与折减系数服从指数关系;利用弹性应变能与折减系数关系曲线得到的边坡安全系数与采用其他经典的方法所得边坡安全系数基本一致,弹性应变能随折减系数变化而变化的规律可以作为边坡稳定性强度折减法分析的失稳判据.     

基于裂纹扩展的含隐伏断层底板突水评价

 为研究承压水上开采时含隐伏断层底板的安全性,根据断裂力学理论建立导水断层活化扩展的理论模型。将煤层底板看做半平面无限体,把底板中含水层顶部以上的隐伏断层建模为有限宽度板条的倾斜边缘裂纹。根据采场底板的支承压力分布规律,将其简化为若干分段线性载荷加载至底板,纳入断层产状、断层在底板中埋深、工作面推进距离、含水层水压、断层面摩擦角等各种参数,推导得到底板内任意一点的应力公式。将其应用到隐伏断层面上各点,综合考虑各点法向应力、剪应力对裂纹活化的影响,计算得到采动条件下断层面上的有效切应力分布。该有效切应力剔除了裂纹面上摩擦效应对压剪裂纹扩展的影响,将其代入断裂力学相关公式,计算得到隐伏断层前缘的应力强度因子,最后通过定义突水安全指数建立了底板突水判据。以某矿带压开采工作面为例,根据相应水文和地质资料,计算得到在工作面推过隐伏断层的整个过程中断层活化突水危险性的变化规律,所得结论与工作面现场微震监测数据相符,即当工作面推进至采空区位于隐伏断层正上方区域时,断层面承受有效剪切最充分,剪切应力强度因子最大,突水安全指数达到峰值,这与现场微震监测结果中显示的在该推进阶段中,原有隐伏断层附近派生裂隙集中出现、突水危险性最高的结果相符合。     

开滦林西矿深部断层防水煤柱留设研究及应用

为解决开滦林西矿深部断层防水煤柱留设问题,通过分析深部突水机理及开采理论,采用断层勘查工程、水压致裂测试抗拉强度、断层防水煤柱留设计算及数值模拟,确定了7煤、8煤、9煤、11煤、12煤上盘、下盘的断层防水煤柱宽度。模拟结果表明断层上盘煤层开采时底板破坏区和应力区对断层煤柱影响比顶板对其影响大,上组煤开采对下层煤的煤柱留设有影响。     

窄煤柱护巷机理的数值模拟分析

窄煤柱护巷机理的数值模拟分析以沈阳煤业集团红阳矿的"孤岛"工作面为例,基于岩体的渐近损伤模型,应用RFPA程序计算分析了不同尺寸护巷煤柱的变形场和应力场,着重探讨了窄煤柱沿空掘巷的护巷机理.研究结果表明了护巷煤柱宽度对回采巷道的围岩变形有很大的影响,当煤柱宽度为3-5m时巷道最容易维护.     

不同温度场下断层黏滑失稳过程模拟

随着国家对深部工程开发的需求增大，深部高岩温条件下断层黏滑失稳过程的演化规律和形成机制亟待研究.为此，本文借助离散元数值模拟手段，构建热力耦合数值模型，对6种不同温度场条件下的断层黏滑力学行为进行了详细研究，探究了不同温度场对断层黏滑失稳过程的影响机制.结果表明:随着温度场的不断上升，断层黏滑的破坏形态以及破坏模式均发生改变；断层黏滑次数、启滑应力以及启滑应力降整体上随温度上升，呈现不断下降的变化趋势；断层黏滑能量耗散以摩擦滑动为主；断层启滑时，总应变能与温度呈正相关，耗散能与温度呈负相关.