【摘 要】
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断层是在地壳构造运动中产生和发育的,作为煤系地层中广泛存在的构造形态,断层在形成后周围岩体存在构造应力和残余能量。在工作面开采扰动影响下,可能诱发多种矿山灾害,对井下工作人员的生命安全造成巨大威胁,不利于煤矿经济的可持续发展。因此,研究断层形成过程对采动灾害的影响尤为重要。本文基于断层形成力学机制,运用自主研制的试验系统开展物理模拟试验,并结合数值模拟方法,对逆断层形成过程及其对采动灾害的影响规律
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断层是在地壳构造运动中产生和发育的,作为煤系地层中广泛存在的构造形态,断层在形成后周围岩体存在构造应力和残余能量。在工作面开采扰动影响下,可能诱发多种矿山灾害,对井下工作人员的生命安全造成巨大威胁,不利于煤矿经济的可持续发展。因此,研究断层形成过程对采动灾害的影响尤为重要。本文基于断层形成力学机制,运用自主研制的试验系统开展物理模拟试验,并结合数值模拟方法,对逆断层形成过程及其对采动灾害的影响规律进行研究,主要研究成果为:以逆断层形成的力学机制为基础,设计并研制了结构稳定、自动化高、密封性能较好的煤系逆断层形成模拟试验系统RF-2,为煤系断层相关研究提供了新的试验平台,利用该系统进行物理模拟试验,再现了逆断层的形成过程。通过物理模拟和数值模拟的方法对逆断层的形成过程进行分析,研究表明:按照岩层运动变形特征,可将逆断层的形成过程分为四个主要阶段;逆断层形成过程中上盘岩层位移较大,而下盘岩层位移基本未发生变化,水平位移由左至右不断减小,竖向位移由下至上呈增长趋势;形成过程中岩层内部的水平应力呈先增大后降低的趋势,且上盘变化幅度较下盘大,而竖向应力变化量较小,下盘岩层竖向应力呈增大趋势,上盘岩层竖向应力则先增大后减小,最后出现回升;在逆断层停止发育后,岩层内部和断层处仍存在较高的残余构造应力。进行了基于逆断层形成过程的开采试验和预制断层开采试验,对比分析了两种情况下的采动岩层响应特征,结果表明:两次试验的岩层运动破坏规律大致相同,但逆断层形成后岩层内部存在构造应力,在进行煤层开采时,采动应力与构造应力的相互作用导致覆岩运动更加剧烈,岩层垮落高度与裂隙发育高度更大,且岩层破碎程度更大。在应力变化方面,两次试验的顶板竖向应力和水平应力变化规律大致相同,均表现为距离采空区较近的岩层应力先增大后降低,但断层形成后开采试验中顶板应力变化幅度相对较大。应力降低的原因主要是下方煤层采出而导致卸压,距离工作面较远的上盘岩层,应力变化量受采动影响较小。断层影响下采动致灾的主要原因是逆断层形成过程中产生的构造应力场,在近断层区域进行采矿工程时,构造应力与采动应力的叠加作用导致区域岩层响应更为剧烈,容易诱发多种矿山灾害。本文提出相关灾害的预防措施,分别为:断层保护煤柱留设、断层面应力集中区域爆破卸压、断层破碎带注浆加固、断层区域破碎围岩巷道支护技术。
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