【摘 要】
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井下断层的分布加大了采掘的难度,断层活化引发的矿震造成冲击地压事故多发,严重威胁安全开采。断层与采动相互作用的复杂力学机制是研究断层失稳诱发冲击地压机理的难点,本文综合运用现场调研、理论分析、数值模拟、相似模拟等手段围绕开采扰动下断层失稳响应特征及诱冲机制问题,对井下微震活动的时空分布规律、开采活动、地质构造与冲击地压显现特征关联性;采动影响下断层阶段性活化过程中的断层应力-位移、滑移倾向性的时空
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井下断层的分布加大了采掘的难度,断层活化引发的矿震造成冲击地压事故多发,严重威胁安全开采。断层与采动相互作用的复杂力学机制是研究断层失稳诱发冲击地压机理的难点,本文综合运用现场调研、理论分析、数值模拟、相似模拟等手段围绕开采扰动下断层失稳响应特征及诱冲机制问题,对井下微震活动的时空分布规律、开采活动、地质构造与冲击地压显现特征关联性;采动影响下断层阶段性活化过程中的断层应力-位移、滑移倾向性的时空演化规律;开采扰动下断层失稳特征包括断层微震分布、能量聚集程度的定量动态演变规律;动静载作用下的煤岩体应力-位移场响应的诱冲机制进行了系统性的研究。研究结果表明:(1)通过对义马矿区地质资料收集与现场调研,发现义马矿区煤层埋深大,原岩应力高,井田范围内多地质构造并存,矿区受F16逆断层主控影响,造成该矿区井下煤岩冲击失稳高发;统计分析矿区内冲击地压事件表明,冲击地压事故多发生在回采期间而掘进期间发生的次数相对较少且事故在空间与时间分布上有着显著的差异性与规律性;基于Aderson断层理论模型下的Mohr-Coulomb破坏准则对义马矿区两个冲击地压多发矿井现场地应力测试、微震监测结果进行分析研究,评估了义马矿区断层类型、矿震强度与断层活化危险程度;进一步分析了该矿震强度、断层活化危险程度与井下开采活动的关联性。(2)运用FLAC3D数值模拟软件研究了开采扰动下断层面活化时空响应特征,提出了开采扰动下断层面滑移倾向性指标,来表征开采扰动过程中断层面活化难易程度;结合断层面滑移倾向性、位移量、位移矢量以及断层面应力空间分布情况,将断层面活化过程划分为三个阶段:准静态阶段、活化阶段与滑移错动阶段;结合现场与模拟结果建立了开采扰动下断层活化力学理论模型并得到了断层滑移倾向性的解析解,结果表明工作面到断层距离以及断层倾角的差异影响断层面滑移倾向性。(3)通过对现场微震数据进行统计分析,结果表明井下微震与地震分布规律表现出极高的一致性,符合G-R幂次分布规律,提取该分布规律中b值指标作为评估开采过程中微震活动活跃程度;井下矿震事件中,断层阶段性活化引发的矿震能量级较高,引用地震矩M0指标进行评估。(4)运用FLAC3D内嵌的FISH语言编程,实时量化监测b值与M0值两项指标,综合反映了开采扰动过程中断层阶段性失稳特征。其中,b值越小断层微震活动中高震级事件频次越高,M0值越大表明断层面能量聚集程度越高。分析得到了开采扰动过程中断层面上能量积聚程度动态变化趋势在空间上存在的差异性;断层面能量积累程度动态变化过程符合幂函数曲线变化规律,根据拟合结果提取了能量积累程度控制指标p和q,工作面在回采初期距断层面较远时,M0主要受参数q的影响,定义了参数q为回采初期断层能量积累程度指数;当工作面回采到一定距离之后,M0主要受参数p的影响,定义了参数p为回采后期断层能量积累程度指数。(5)通过正交试验对开采、断层及地应力这三个综合性因素影响下的逆断层失稳特征敏感度进行分析,结果表明:逆断层在开采扰动过程中,断层微震活动分布规律受工作面因素影响较弱;主要受断层产状(断层倾角、断层落差)、埋深的影响;开采扰动过程中,开采、地应力、断层因素均会对逆断层能量聚集程度M0造成影响。其中,工作面到断层距离、推进速率、断层倾角、埋深与侧压系数对M0均有高度显著的影响,敏感度类别为Ⅰ类。采厚为比较显著的影响,敏感度类别为Ⅱ类。(6)开采扰动过程中,断层构造改变了井下整体结构,造成了工作面前方煤岩体高静载区域性聚集,断层阶段性活化过程中能量释放以波的形式对煤岩体造成冲击,动载扰动增强了工作面前方煤岩体垂直应力,其中近端工作面垂直应力积累程度较高,工作面推进到一定距离后,近端高应力煤岩体受动载冲击瞬间出现明显的应力突降现象。水平应力受动载扰动后工作面远端高应力区域向近端转移;当工作面临近断层面附近后,工作面近端高应力煤岩体在受到动载冲击后超过承载极限,应力突降瞬时破坏,动载的作用强化了工作面前方煤岩体的静载应力水平与破坏程度,引发冲击地压。
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