煤层采动下过共轭断层区工作面矿压规律研究

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断层破坏岩层的连续性,影响其周围采场顶板岩层的断裂和垮落模式、垮落岩石的堆叠结构和开采扰动过后围岩压力的重新分布形式,破坏围岩稳定性,极易诱发动力灾害。本文以贵州某煤矿21采区12#煤层赋存共轭断层为地质条件,共轭断层组成和结构:F1逆断层(倾角30°、落差2m),F2正断层(倾角45°、落差2m),两断层贯穿12#煤层,水平相距62m。本文以理论模型、相似模拟实验、FLAC3D数值模拟、现场实测等手段,研究12#煤层开采经过共轭断层区域时煤壁片帮状况,矿压显现规律及上覆岩层的破断形式、运动规律。研究结果如下:(1)通过现场考察、资料整理,确定了共轭断层中逆、正两断层的形态,及两条断层与12#煤层的空间位置关系。运用流变失稳综合模型分析了断层模型的力学效应。(2)根据12#煤层地质状况,通过组合梁理论计算得出,12#煤层上方关键层由细沙岩、粉砂岩2个岩层组成,关键层具有高强度、厚岩层的性质,确定其厚度为26.5m;运用冒落带和裂隙带计算公式,计算出“两带”高度,根据裂隙带高度和上煤层的层位对比可以得出,12#煤层开采对上煤层的结构稳定性破坏较小,不影响上煤层开采工作;用两端简支模型和两端固支模型对老顶的破断规律进行力学分析,结合煤矿现场条件,以实测的现场顶板破断数据为依据,得出老顶初次破断极限跨距为36m,计算出周期破断步距为14.19m。(3)通过相似模拟实验得出工作面过共轭断层与过单断层之间存在差异。实验分为三个阶段:1)工作面从开切眼推进至80m的共轭断层中F1(逆断层)处,此过程中工作面开采基本不受共轭断层中F2(正断层)的影响,其表现形式与单个逆断层的特性基本一致。2)工作面从F1断层推进至142m的F2断层处,此过程中工作面在80m至110m推进过程中受F2断层影响较小,主要受F1断层的影响。在工作面推进110至142m的F2断层过程中,F2断层对工作面的作用开始增强。3)工作面从F2断层推进至240m(保护煤柱),在此过程中,当工作面推进至160m(过断层18m),正断层对工作面影响强烈。随着工作面向前继续推进,F2断层对工作面的影响急剧减弱,当工作面过F2断层30m时,F2断层对工作面已基本无影响。(4)通过相似模拟实验得出,在开采扰动及逆、正两条断层的共同作用下,共轭断层影响区域内煤层顶板破碎,垮落岩石堆叠紧密,竖向填充空间占比变小,对上覆岩层的支撑能力减弱,造成区域内顶板破断距离减小,难以形成“砌体梁”结构。当工作面过共轭断层中F2(正断层)50m,推进至190m时,共轭断层区内采场顶板下沉量达到最大值。共轭断层区垮落岩体破碎,缺少“砌体梁”结构支撑,导致共轭断层区比两边非共轭断层区的采场覆岩位移下沉量和裂隙发育程度大。(5)应用FLAC3D数值模拟分析采动工作面过共轭断层区采场围岩的矿压显现规律,研究得出:工作面采动过程中覆岩应力集中现象随工作面与断层的接近而更加明显。当工作面过F1断层20m,推进至共轭断层中间区域时,采空区围岩的卸压区扩展范围变小,工作面前方10m范围内应力集中区增加,不利于工作面前方瓦斯压力的释放;工作面在80m(F1断层)—–142m(F2断层)的推进过程中,F1断层顶部应力呈现:增大—–最大值—–减小—–缓慢减小—–增大的变化过程,表明在采动影响下F2断层的应力变化对F1断层的应力变化起到促进作用;当工作面推进至F2断层时,由于断层的阻隔作用使得在该处工作面前方未出现较强应力集中,应力集中转移至F2断层的断层底部,容易使工作面底板产生底鼓。(6)现场研究分析了共轭断层影响区域内的液压支架测压数据,根据液压支架的有效工作阻力值,得出共轭断层影响区的压力值比无断层区的压力值要高。对煤层开采过程中过共轭断层时煤壁片帮的尺度和数量进行了实际测量,得出工作面过共轭断层区时,煤壁片帮的块度加大、片帮次数增多,应加强断层区域的顶板管理。
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