地质动力区划在岩体应力预测中的应用

介绍了地质动力区划方法及其在开滦矿区的应用。地质动力区划方法以板块构造理论为基础，以区域构造形式为主要研究对象，进行活动断裂的划分，确定区域构造形式。结合地应力测量和岩体应力分析，确定区域岩体应力分布规律，并对矿井开采所引起的矿山压力显现做出预测，为安全生产提供地质保障。该方法工程投入少，简便易行，推广应用前景广阔。     

老虎台井田构造应力分析

应用数据库对老虎台井田其发生的 263 次冲击地压之统计分析表明,岩体动力现象与活动断裂有密切关系。因此,对该井田进行了地质动力区划的研究。通过逐级使用地形测量图并结合其它方法查明了井田Ⅰ～Ⅴ级活动断裂,由各级断裂所分割的断块结构展现出了井田现今构造运动的结果。在确定主应力的基础上,以查明的各级断块结构为模型,应用有限元法进行了区域构造应力场的数值模拟。进而总结了应力分布与岩体动力现象的内在关系。     

红菱井田现今构造应力预测研究

地质动力区划方法逐级使用地形测量图井结合其它方法查清活动断裂，用以揭示地壳的区域岩体断块结构以及评估其力学状态。通过地质动力区划方法查明了红菱井田现今应力环境下的II～V级断裂，由各级活动断裂所分割的断块结构展现出了井田现今构造运动的结果。在确定主应力的基础上，以查明的各级断块结构为模型，应用有限元法进行了区域构造应力场数值模拟，进而分析了该井田以构造应力为主的地应力特点。     

济三煤矿岩体应力状态对冲击地压影响

为明确煤岩体应力状态与济三煤矿冲击地压之间的关系,结合济三煤矿的实际工程背景,利用地质动力区划的方法划分地质构造区域,建立了岩体应力计算模型,分析了岩体应力状态对冲击地压的影响.结果表明:冲击地压容易发生在高应力区和应力梯度区,尤其是应力梯度大的区域;同时也受Ⅳ-2、Ⅴ-5等活动断裂的影响.研究成果为冲击地压的防治提供了依据.     

矿区岩体应力状态对瓦斯突出区域分布的影响

基于地质动力区划方法,建立区域地质构造模型,以岩性分布和地应力测量为边界力学条件,确定了矿区区域岩体应力分布规律:矿区区域岩体应力状态主要受断裂构造的控制,断裂构造的叠加扰动使原岩应力场重新分布.鹤壁六矿岩体应力状态对煤与瓦斯突出区域分布的影响分析,结果表明:构造应力场对煤与瓦斯突出起控制作用,构造应力区的分布决定了煤与瓦斯突出的区域性分布.这为矿井煤与瓦斯突出区域预测、局部检测和解危提供了理论参考.     

煤岩特性对应力分布影响的实验研究

为了治理冲击矿压灾害,采用数值模拟方法研究了井巷周围煤岩体的力学特性对应力分布的影响。研究结果表明,巷道周围煤岩体的体积弹模、内聚力和内摩擦角均对应力分布有较大的影响。根据这个结果,可采用卸压爆破的方法,改变应力分布状态,减小或消除冲击矿压危险。     

构造应力与煤与瓦斯突出

用原岩应力测量确定了平顶山矿区应力场性质,用瓦斯地质学方法研究了地质构造,岩体应力状态对煤和瓦斯突出的影响,指出构造应力和地质构造形式对煤和瓦斯突出具有控制作用。     

白皎矿区岩体应力场研究

本文介绍了白皎矿区岩体应力场的现场研究。采用孔径应力解除法进行了两个点六个钻孔的空间应力测量。应力测量结果表明，该矿区的应力分布具有三个区域。即顶板内有应力较大区；煤层内有应力最小区；底板区有应力最大区。矿区内岩体应力以近水平构造应力为主。最后进行了一个剖面的线弹性有限元分析研究，在两个实验数据对比的地方反演分析与实测结果基本相符。有限元反演分析勾画出了矿区岩体应力场的整体轮廓。应力场研究结果对矿区地压控制及新水平巷道布置提供了重要依据。     

冲击地压的构造应力条件

为建立大安山矿冲击地压危险性与井田地应力场之间的内在联系,结合大安山矿地应力测量结果,全面分析了大安山矿地应力场的类型、作用特征及其与区域构造的关系.分析大寒岭倒转向背斜的形迹、剖面特征及其对井田地应力场的影响,采用数值模拟方法对研究结果进行验证.研究表明:水平构造应力在大安山井田应力场中起控制作用,井田应力场为典型的构造应力场,井田内最大主应力为NW-SE向.大寒岭倒转向斜发育的次级褶皱——百草台倒转向斜轴部区域应力集中,为向斜南翼的2~3倍.大安山矿处于极高应力状态,具备发生冲击地压的构造应力条件.     

区域构造应力场的数值模拟与应用

以淮南潘—矿为工程背景，依据地质动力区划方法。进行Ⅰ～Ⅴ级活动断裂的划分，确定区域构造形式，研究了C13-1煤层构造格架、主要断裂特点，在此基础上，建立了构造应力场的地质模型，结合地应力测量和岩体应力分析，确定区域岩体应力分布规律。其结果表明，煤矿区域原岩应力分布状态主要受断裂构造的支配，断裂构造的叠加扰动使原岩应力场重新分布，从而在时间和空间上制约若潘—矿煤与轧斯突出的区域性分布，为安全生产提供保障。     

矿井岩爆数值模拟及应力状态分析

为了得出岩爆与应力分布状态之间的关系,为制定合理的岩爆预防及治理措施提供依据,采用数值模拟的方法,研究了岩爆巷道的围岩应力状态。结果表明:非均匀薄壁应力现象的存在,是掘进工作面岩爆频发的重要原因;对于硬脆性的围岩体,在受到扰动时,由于巷道围岩体内的应力集中峰值距离巷道表面距离较近,应力集中峰值就可能超过岩体破坏的极限强度,从而使岩石突然破坏,发生岩爆现象。该成果对岩爆的预防具有一定的参考价值和指导意义。     

矿区岩体应力状态研究及其应用

为了研究矿区岩体应力状态,利用地质动力区划方法研究了区域地质构造,建立了区域地质模型,计算了构造应力场并划分出高构造应力区和高构造应力梯度区,分析了岩体应力状态与巷道稳定性、开采沉陷、矿山压力显现等的关系。研究结果表明:基于地质动力区划方法进行的区域岩体应力状态评估结果对于巷道支护设计、开采沉陷预计、矿压显现预测等采矿工程的设计和实施工作具有重要的指导意义。     

东欢坨矿地应力测量及应力场分析

在区域地质构造分析的基础上，采用空芯包体测量方法，对东欢索井田两个水平进行了地应力测量，得出东欢坨矿地应力场属于水平应力场，井田内存在着较大的水平构造应力的结论。测量成果为井下工程设计和稳定性分析、巷道合理布局和锚杆支护设计提供了依据。并为进一步研究井田岩体应力状态和应力场的区域预测奠定了基础。     

深埋隧洞围岩分类方法--JPHC分类

现有围岩分类方法只适用于中低地应力、低外水压力条件,在高地应力、高外水压力条件下的适用性差.某深埋隧洞地应力高达20～40 MPa、局部外水压力高达1～10 MPa,具有高地应力、高外水压力的特点.以该深埋隧洞为例,对<水利水电工程地质勘察规范>中的围岩分类方法(HC分类)进行了改进.通过HC分类与Q系统在该隧洞分类结果的相关性、一致性分析,引入地应力修正系数、岩爆烈度、水力劈裂的临界水头压力等,建立了高地应力、高外水压力条件下的围岩分类方法--JPHC分类.该方法在某深埋隧洞围岩分类中适用性好,并可推广使用.     

深井硬岩矿山岩爆灾害防治研究

采用室内试验、数值计算和现场岩爆研究相结合的综合研究方法,以冬瓜山矿床开采为对象,对深井矿床开采岩爆防治进行了系统的研究.由矿岩力学试验,采用岩爆综合评判指标确定了矿岩的岩爆倾向性,指出岩爆倾向性具有本源性和诱导性两种属性;电镜试验、物理模型试验和现场岩爆研究发现岩爆主要由张拉断裂引起,具有明显的岩石破坏和工程施工异常性前兆;现场岩爆研究和数值计算表明岩爆危险区位于应力集中、能量贮存大及具有快速释放能力和条件的区域;从岩爆预防角度,采用数值分析方法以能量释放率为衡量指标,对采场结构参数、开采步骤等进行了优化;从减少能量贮存、控制能量释放、采用柔性支护和建立岩爆监测系统4个方面,得出了具体的岩爆防治措施.图3,表2,参11.     

岩体扰动深度估算的应力场方法

针对开挖导致岩体应力场改变、扰动深度估算这一岩体力学的难题,从岩体应力场的变化出发,结合岩体结构面力学特点,推导出岩体卸荷破坏导致岩体破坏的判别公式,为岩体强开挖扰动带深度的确定推导出理论估算公式。以小湾坝基岩体开挖为例,结合判别公式和数值分析结果,对坝基岩体的强开挖扰动带、弱开挖扰动带及应力调整带进行了分析。结果表明,在坝基底部,强开挖扰动带深度为3~5 m,弱开挖扰动带深度为4~10 m,应力调整带深度为10~25 m,其结果与现场钻孔电视探测结果基本吻合。     

煤矿冲击矿压的强度弱化

提出了冲击矿压的强度弱化控制机理.通过深孔卸压爆破来弱化煤岩结构的强度,降低其聚能能力,释放所积聚的大量弹性能,使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能;同时利用电磁辐射检验强度弱化治理效果,以达到消除或降低冲击危险的目的.通过在三河尖煤矿9202高冲击危险工作面以及济宁三号煤矿6303冲击危险工作面的现场治理实践,证明了该控制技术的有效性.     

薄煤层冲击矿压发生机理及防治研究

分析了崔庙矿薄煤层诱发冲击矿压的原因,验证了薄煤层深部开采时具有冲击矿压现象,实验研究了薄煤层的冲击矿压危险性与煤岩体的结构特征的关系,即组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板与煤样高度比值的增加而增加,随着煤岩高度比减小,组合煤岩单轴抗压强度增大,煤层厚度的变化对煤体中的应力分布有着很大的影响,探讨了薄煤层应力分布及转移规律和冲击矿压机理,即煤层越薄,煤体承载能力越强,越不容易产生应力转移,由于开采煤体,引起峰值应力区垂直应力升高,水平应力对煤体约束减小,导致冲击矿压。文中以崔庙矿为工程研究背景,通过设置切顶巷和顶板深孔爆破降低了冲击危险性,取得了显著效果,验证了薄煤层开采切顶巷防冲技术和顶板预裂爆破技术的可行性。     

冲击地压震源机理研究

为了进一步理解冲击地压发生的机理,解释冲击地压发生的过程,本文在论述了冲击地压发生的刚度理论、能量理论和失稳理论的统一性的基础上,提出了冲击地压的震源机理,认为冲击地压是一个动力学过程,它包括冲击地压震源的形成,冲击地压应力波的形成及传播和在应力波作用下自由面处岩体的破坏及冲出三个子过程,冲击地压发生所需能量由震源提供,而冲击地压的破坏作用是应力波造成的。利用震源机理分析了冲击地压的发生过程,揭示了震源形成的规律,推导出了应力波最大应力峰值的计算公式,给出了应力波传播衰减规律,解释了应力波在自由面处对煤体的破坏作用。