工作面开采正断层活化规律及采动应力演化特征

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断层是煤矿开采中常见、影响较大的地质构造。断层破坏了岩层连续整体赋存状态,在其附近应力分布异常,采动效应十分突出,极易诱发动力灾害,对煤矿开采设计、安全生产等存在重大影响。本文通过理论计算、相似材料模拟试验和数值模拟方法,对上、下盘工作面过正断层开采期间的断层两盘运移规律、采动应力演化特征和断层活化规律进行研究,并通过现场微震事件进行了验证,主要研究成果如下:1)断层带切割了顶底板岩层的完整性,采动应力的阻隔效应显著,致使断层煤柱易形成较高的应力集中区;下盘向正断层推进时,存在支承应力突增点,使断层煤柱发生塑性破坏,释放大量弹性能;上盘向正断层推进时,支承应力平缓增加,且推进过程中部分应力能够向下盘转移。相比上盘开采,下盘开采时断层附近基本顶不易形成稳定铰接结构,向对盘传递载荷的能力弱,断层阻隔作用相对较强,断层煤柱内支承应力存在突增现象。2)断层面应力变化具有明显的时空特性。高位断层更容易受采动影响,断层面应力状态首先发生改变。同一层位断层面上,剪应力与法向应力受采动影响的敏感性不同,法向应力最先受到影响,随后剪应力发生改变。3)由数值模拟和相似材料模拟可知,下盘工作面过正断层前后30m,断层活化危险性最大,两盘覆岩运动最剧烈,过断层期间下盘易沿断层面整体滑移,过断层后20-30m期间上盘悬臂基本顶易整体切落。上盘工作面过断层期间及过断层后20m范围内断层活化的危险性最大,过断层后70m范围内两盘覆岩运动最剧烈,直接顶和基本顶随采随冒,由工作面煤壁斜向断层周期性形成破断线,切割下盘岩层,形成三角岩体,整体沉降。4)随工作面向断层推进,高位断层首先受采动影响,而后在垂直方向上向断层两端扩展。相比上盘开采,下盘工作面采动应力存在突增点,断层活化启动时间较早,断层活化期间两盘运动更剧烈,活化危险性和危害性更大。5)断层倾角、采高对煤壁前方采动应力和断层活化影响较大,断层落差影响较小。
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