采动条件下断层损伤滑移演化规律及其诱冲机制研究

发布时间：2019-11-09 21:01

【摘要】：地下断层广泛分布,影响煤矿正常采掘布置,临近断层开采易诱发井下冲击地压和强矿震等动力灾害,严重威胁矿井安全高效开采。本文综合运用现场调研、理论分析、数值模拟、相似模拟试验和工程实践等手段,对冲击地压时空强显现特征与断层构造的关联性、开采扰动条件下断层损伤滑移演化规律、断层影响区域采掘诱发冲击地压机制、断层影响区域采掘冲击危险性评价等问题开展了系统研究,研究结果表明:(1)断层构造与冲击地压时空强显现特征密切相关通过收集整理义马煤田生产地质资料、统计临近F16断层及工作面小断层冲击地压事件,发现采掘区域距离F16断层的远近与冲击地压危险性呈现高度相关性,二者表现为明显的负相关关系。从采掘时序来看:掘进过程中发生9起冲击地压事件,占45%;回采过程中发生冲击地压事件11起,占55%。从发生位置来看:工作面发生冲击地压事件2起,占10%;巷道发生冲击地压事件18起,占90%。统计数据表明断层区域冲击地压以巷道冲击为主,且发生位置超前工作面200m区域,超出传统矿压分布规律。断层区域采掘诱发冲击地压震级较大,破坏半径大于500m,极易造成设备损坏、人员伤亡。(2)将断层损伤滑移划分为断层损伤起裂、断层扩展贯通、断层滑移错动三个阶段以千秋矿21141工作面和跃进矿25110工作面过断层为工程背景,通过微震监测,研究了采动条件下断层损伤滑移规律及诱发冲击地压的微震分布特征。当工作面距断层120m-240m,断层附近开始出现微震事件,断层损伤起裂阶段微震事件具有超前显现特征,通常大于超前支承压力影响范围;断层扩展贯通阶段,随着工作面靠近断层,工作面距断层10m-40m,微震事件在断层附近积聚,呈现明显的分区性。断层扩展贯通阶段微震事件具有集中显现特征;断层滑移错动阶段,断层附近出现大能量微震事件,断层上下盘滑移错动释放能量,诱发震级较大。(3)提出了断层损伤变量实现定量评价开采活动对断层的扰动效应基于损伤力学理论,定义断层损伤变量用于评价开采活动对断层的扰动效应。根据煤矿开采地质条件的一般特征,构建工作面过断层数值模型,研究了开采扰动条件下断层损伤滑移演化、断层-围岩应力位移分布、工作面矿压显现等特征。随着工作面逐步靠近断层,断层损伤变量迅速增长,断层应力阻隔效应明显,上下盘位移出现不连续现象,煤层应力呈现二次缓慢升高随后下降趋势。开采扰动条件下,围岩力学响应中断层损伤变量变化早于煤层支承压力50m,断层损伤变量可作为监测断层滑移的一个敏感指标。断层损伤变量受开采因素、断层因素、地应力水平综合影响。通过正交模拟试验,确定开采因素中工作面距断层距离、工作面斜长,断层因素中断层倾角、断层内摩擦,地应力水平中侧压系数等对断层损伤变量的影响敏感性较高。(4)阐明了断层影响区域采掘诱发冲击地压机制在分析大量冲击地压案例的基础上,提出冲击地压是煤岩体受高静载荷和强动载荷相互叠加影响,在一定扰动触发作用下发生的。根据Mohr-Coulomb破裂准则和断层滑移运动特征,分析确定了断层滑移启动条件和断层滑移释放能量评估方法。断层滑移启动条件分析表明断层发生滑移破裂受到地质动力作用的影响,解释了不是所有工作面过断层时都会引起冲击地压的发生。基于工作面与断层间煤岩块形态特征,推导了采掘工作面位于断层下盘岩层时,断层结构局部发生向上剪滑、向下剪滑和张拉离层失稳的判别准则。在以上研究基础上,阐明了工作面临近断层开采存在断层活化型、断层煤柱型和断层错动型3类诱冲机制。并从监测和控制两方面给出临近断层采掘防冲减灾具体工程建议。(5)基于精细化建模的数值分析方法对断层区域采掘冲击危险性评价的适用性以千秋矿21采区地质开采条件为工程背景,开展基于精细化数值模拟研究,通过空间剖面和包络面层面模型混合建模方法构建了反映千秋矿21采区实际地层条件的三维精细化数值模型。以21采区实测地应力数据为参考,将地应力通过空间应力转换公式施加到了数值模型坐标系下,数值模拟初始平衡计算得到工作面开采前煤层垂直应力为18-22MPa,最大水平应力为20-26MPa,最小水平应力为12-16MPa,深部临近断层处应力水平较高,以构造应力占主导,与千秋矿地应力场σHσVσh类型一致,且应力值接近,验证了该应力加载方式的合理性。分析临近F16断层开采过程中围岩应力演化规律,煤层走向上应力分布特征为:21181工作面初始垂直应力为18.2MPa,超前支承压力应力峰值达到24.2MPa,应力增幅为32.9%,应力集中系数为1.32。21201工作面回采时,原岩应力升高至23.1MPa,超前支承压力应力峰值为32.3MPa,应力增幅为39.8%,应力集中系数为1.39。21221工作面回采时,原岩应力升高至28.7MPa,超前支承压力峰值为39.2MPa,应力增幅为36.6%,应力集中系数为1.36。煤层倾向上应力分布特征为:21181工作面回采时工作面倾向方向水平应力峰值为22.5MPa,垂直应力峰值为27.8MPa。当21201工作面回采时工作面倾向方向水平应力峰值为33.4MPa,垂直应力峰值为38.9MPa,水平应力增幅为48.4%,垂直应力增幅为39.9%。当21221工作面回采时水平应力峰值为23.5MPa和垂直应力峰值为32.2MPa,相比21201时回采时水平应力、垂直应力均有所下降。说明断层区域采掘时存在临界距离,当小于临界距离时,煤层应力呈增高趋势,当超过临近距离时,煤层应力呈下降趋势。数值模拟结果表明F16断层下盘为高应力集中区,断层下盘岩体以21201工作面侧向煤体为支撑有向采空区扭转趋势,受F16断层和顶板巨厚砾岩层影响,临近断层侧煤岩体积聚大量弹性能,判定21201工作面回采时煤体处于应力极限状态,发生冲击地压危险性较大。受断层倾角和采动影响,F16断层面上各测点受力状态不同,整体上断层面上正应力呈降低趋势,剪应力呈增高趋势。工作面距断层越近,开采对断层扰动效应越明显,断层滑移量不断增加,断层发生滑移失稳危险性越大,判定21221工作面回采时断层滑移失稳诱发冲击地压危险性最大。相似模拟研究表明开采扰动引发的断层带岩层活化运动并非断层两侧岩体的整体活化,而是距离开采煤层较近的断层岩块先活化运动,即断层岩块局部张剪活化失稳,然后随着开采扰动程度的升高,活化运动向高层位岩位扩展,且相距开采煤层越近的断层岩体活化运动越剧烈,相离越远活化运动越弱。断层滑移失稳前后,上覆岩层位移发生突变,对临近断层煤体有瞬时加载作用,加之此区域处于高应力状态,断层滑移失稳很容易诱发下伏煤层冲击地压灾害。(6)断层影响区采掘监测与防控冲击地压工程实践验证了上述提出理论的可行性和合理性基于开采扰动诱发断层损伤滑移演化规律、断层区域采掘诱冲机制及冲击危险性评价结果,总结断层区域监测预警与防控冲击地压思路。跃进矿25110工作面下巷受上覆巨厚砾岩层、F16断层及工作面小断层的影响,冲击地压显现强烈,冲击形式以底板冲击为主。建立巷道底板力学模型,分析了巷道发生底鼓的力学机理。提出基于能量平衡的冲击地压巷道支护原理:优化巷道布置,提高支护结构适应围岩变形的能力和围岩中设置弱结构等方法,以此减少弹性应变能的积聚和提高能量释放水平。通过采用刚柔一体化支护,实施顶板-煤层-顶板立体式卸压工程后,现场防冲效果明显,遏制了破坏性冲击地压灾害的发生,在强冲击危险性区域实现了安全生产。朱集西矿11501工作面受高地应力与煤与瓦斯突出耦合型动力灾害威胁,将断层前后50m划分为重点监测区域,同时采用液压支架工作阻力监测系统,钻孔应力计、钻屑法多种手段联合监测工作面过断层期间矿压显现特征,确定了预测临界指标。通过提前挑顶进入断层上盘,同时采取施工大直径卸压钻孔、加强支护等措施,工作面安全推过了FD35断层。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD324

【参考文献】