采动影响下断层应力分布与活化规律研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 采动采动影响下断层应力分布与活化影响下断层应力分布与活化规律规律研究研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科 矿业工程 作者姓名作者姓名 史应恩 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 朱川曲 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 刘发全 高工 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期 2016 年 5 月 30 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD803 万方数据 采动采动影响下断层应力分布影响下断层应力分布与活化与活化规律规律研究研究 本论文受国家自然科学基金 “基于浅表水环境保护的南方岩溶煤矿开采基础理论研究”项目（51474104）资助 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科 矿业工程 作者姓名作者姓名 史应恩 作者学号作者学号 13010101010 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 朱川曲 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 刘发全 高工 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2016 年 5 月 30 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 Study on Stress Distribution and Activation Law in Mining Influence Type of Degree Academic Degree Discipline Mining Engineering Candidate Shi Yingen Student Number 13010101010 Supervisor and Professional Title Prof. Zhu Chuanqu Practice Mentor and Professional Title SN ENGR Liu Faquan School School of Energy and Safety Engineering Date May 30 2016 University Hunan University of Science of Technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 i 摘要摘要 断层活化的防治与预测一直以来都是煤矿安全生产的重要研究课题，断层的 活化主要表现为活化前后应力场与位移场的变化。针对工作面推进过程中断层应 力与位移变化规律，本文以火铺矿 2375 工作面断层为工程背景，运用理论分析与 数值模拟手段研究了采动作用下断层应力分布与活化规律，取得如下主要结论 1、根据采动底板支撑压力分布，并考虑底板岩层载荷，建立采动底板断层活 化力学模型，得出断层面正应力与剪应力分布解析表达式。分析煤层埋深 H、工 作推进长度 L、工作面前方支撑压力系数 K1、断层倾角 θ 和采空区压实系数 α 对 断层面正应力与剪应力的影响，通过分析主要影响因素对断层面正应力与剪应力 的影响，发现进入底板某一深度后，其剪应力趋于零，而正应力趋于上覆岩层载 荷。 断层面应力主要影响因素中工作推进长度 L 对断层面应力分布趋势影响最大， 其次为断层倾角 θ。 2、采用 FLAC3D数值模拟软件模拟含正逆断层煤层工作面由上、下盘分别 向断层面推进四种方案，通过对计算结果的分析，认为正断层下盘开挖时较上盘 开挖时更易使断层活化。 3、利用内置 FISH 语言将 FLAC3D正断层下盘开挖与逆断层上盘开挖时每开 挖步距的计算结果数据导出并处理与作图，分析开采盘内靠近断层带岩层的正应 力、剪应力、水平位移、竖向位移与底板支撑压力随工作面向断层面推进时其变 化特征，重点分析了断层活化前后应力与位移曲线变化特征。 4、根据采动影响下开采盘靠近断层带岩层应力与位移的位移变化规律，提出 断层活化判据，认为相邻开挖步距间剪应力或位移曲线间面积的急剧增大，或应 力、位移曲线变化趋势明显变化时断层将发生活化。 5、 以火铺矿 2375 工作面为工程背景， 通过理论分析与数值计算综合得出 2375 工作面与 F2 断层的安全距离为 25m，根据现场的观测资料，当 2375 工作面推进 至距断层面 23m 时，F2 断层出现明显的活化现象，与理论分析和数值模拟结果 较为吻合，从而验证了本文断层活化判据的有效性。 关键词采动影响; 断层活化; 数值模拟; 断层应力分布规律; 活化规律 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 ii Abstract The predication and prevention of fault activation in coal mine has always been important subject of safe mining production in china. Fault activation mainly manifested as variation of field of stress and displacement of fault. For fault variation laws of stress and displacemen in work face advancing process, in this paper, according to the fault of 2375 work face in Huopu coal mine, theoretical analysis and numerical simulation are used to study the variation of stress distribution of fault and fault activation law. The main conclusions are as follows According to the support pressure distribution of mining floor, and considering the weight of floor strata, a mechanical model of mining floor fault activation is established, and the analytic expression of normal stress and shear stress of fault plane can be obtained ultimately. Meanwhile, analysing the influence of the buried depth of coal seam H, the working face advancing distance L, in front of the working face supporting pressure coefficient K1, fault dip θ and goaf compaction coefficient α on fault normal stress to shear stress. Analysing influence of main impact factor on shear stress and normal stress of fault, find enter some deep, it’s shear stress tend to zero, but normal stress tend to weight of overburden rock. Work face advancing distance has largest impact on stress of fault, and then the fault dip. Using numerical simulation software FLAC3D simulation with positive negative typical faults of mine working face by the hanging wall and foot wall respectively to the fault plane to promote four kinds of schemes, according to the analysis, the foot wall excavation of normal fault is more likely to make fault activation than hanging side. Using Fish language embedded in the FLAC3D exports the results data each excavation step distance results of the foot wall of excavation and inverse excavation in the hanging wall of the fault, and processing and mapping. Analysing the variation characteristics of the normal stress, shear stress, horizontal displacement, vertical displacement and the support pressure of the bottom plate of rock closed to the fault zone in mining panel, especially before and after fault activation. According to change law of stress and displacement of rock closed to fault zones at mining panel in mining influence, proposed the criterion of fault activation analysis by numerical simulation, it is considered that fault will be activated when the area between the shear stress and the displacement curve of the adjacent excavation step is increasing rapidly, or the obvious change of the stress and displacement curve. 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 iii Huopu coal mine 2375 work face is used, safe distance between F2 fault and 2375 work face is 25 meter are obtained by theoritical analysis and numerical simulation. According to the in-situ data in 2375 work face, when work face advancing to the distance between work face and F2 fault is 23 meter, F2 fault has apprently actition phenomenon, basically fitted to theoritical analysis and numerical simulation, veriated the effectivity of fault criteria in this paper. Key Words mining influence; fault activation; numerical simulation; fault stress distribution law; activation law 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目录 摘要摘要 ................................................................................................... i Abstract ........................................................................................... ii 第一章第一章 绪论绪论 .................................................................................... 1 1.1 研究背景与研究意义 ........................................ 1 1.2 采动断层活化研究现状 ...................................... 1 1.2.1 采动断层活化力学机理 .................................................................... 1 1.2.2 采动断层活化数值模拟 .................................................................... 2 1.2.3 采动断层活化实验研究 .................................................................... 4 1.3 主要研究内容和技术路线 .................................... 5 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................... 5 1.3.2 技术路线 .......................................................................................... 6 第二章第二章 采动影响下断层应力分布采动影响下断层应力分布 .................................................. 7 2.1 采动影响下断层应力影响分析思路 ............................ 7 2.2 采动底板支承压力分布 ...................................... 8 2.3 采动底板断层带应力分析 ................................... 10 2.4 底板岩层重量对断层带应力分析 ............................. 18 2.5 小结 ..................................................... 21 第三章第三章 断层面应力影响因素分析断层面应力影响因素分析 ................................................ 22 3.1 影响断层面应力分布的参数取值 ............................. 22 3.2 断层面应力分析编程实现 ................................... 23 3.3 断层面应力主要影响因素分析 ............................... 24 3.3.1 煤层埋深对断层面上应力的影响................................................... 24 3.3.2 采空区压实程度对断层面上应力的影响 ....................................... 25 3.3.3 工作面前方应力集中程度对断层面应力分布规律的影响 ............. 26 3.3.4 断层倾角对断层面应力的影响 ...................................................... 27 3.3.5 工作面推进长度对断层面应力分布规律的影响 ............................ 28 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 -ii- 3.3.6 多因素共同变化对断层面应力的影响 ........................................... 29 3.4 小结 ..................................................... 30 第四章第四章 采动影响下断层活化数值模拟采动影响下断层活化数值模拟 ........................................ 31 4.1 FLAC 3D 软件概述 ............................................ 31 4.2 数值模拟计算分析流程 ..................................... 31 4.3 采动影响下正断层活化数值模拟 ............................. 32 4.3.1 采动影响下正断层活化数值计算模型 ........................................... 32 4.3.2 正断层采动活化数值模型塑性区演化结果 .................................... 33 4.3.3 正断层下盘开挖数值模型塑性区演化规律 ................................... 35 4.3.4 正断层下盘开挖应力变化规律 ...................................................... 36 4.3.5 正断层下盘开挖位移变化规律 ...................................................... 39 4.4 采动影响下逆断层活化数值模拟 ............................. 41 4.4.1 采动影响下逆断层活化数值计算模型 ........................................... 41 4.4.2 逆断层采动活化数值模拟塑性区演化结果 ................................... 42 4.4.3 逆断层上盘开挖数值模型塑性区演化规律 ................................... 45 4.4.4 逆断层上盘开挖应力变化规律 ...................................................... 46 4.4.5 逆断层上盘开挖位移变化规律 ...................................................... 49 4.5 采动影响下断层活化判据 ................................... 52 4.6 小结 ..................................................... 52 第五章第五章 工程应用实践工程应用实践 ................................................................... 53 5.1 火铺矿与 2375 工作面简介 .................................. 53 5.2 2375 工作面不同推进距离下断层应力变化 ..................... 54 5.3 2375 工作面断层数值模拟 ................................... 55 5.3.1 数值计算模型 ................................................................................. 55 5.3.22375 工作面断层应力分布规律 ....................................................... 56 5.3.3 2375 工作面断层位移分布规律 ...................................................... 58 5.4 小结 ..................................................... 61 第六章第六章 结论与展望结论与展望 ....................................................................... 62 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 6.1 结论 ..................................................... 62 6.2 展望 ..................................................... 63 参考文献参考文献 ........................................................................................ 64 致谢致谢 ................................................................................................ 68 附录附录 A 攻读硕士学位期间参与的科研项目及发表的学术成果攻读硕士学位期间参与的科研项目及发表的学术成果 .. 69 附录附录 B 典型因素的典型因素的 MATLAB 计算代码计算代码 ...................................... 70 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 -1- 第第一一章章 绪论绪论 1.1 研究背景与研究意义研究背景与研究意义 最新数据显示，煤炭消费量占我国能源消费总量的 64.0，这说明在今后一 段时间内煤炭依然是我国主体能源。另一方面，随着对煤炭资源需求量的增长和 开采强度的增大，浅部煤炭资源逐渐减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采 状态[1]。矿井开采深度和强度的不断增加，深部采区地质构造、应力场特征、煤 岩体的破碎性质与动力响应特征均发生了显著变化，深部矿井动力灾害的致灾机 理、触发条件、演化规律以及显现特征明显不同于浅部煤矿工程[2]。断层是进入 深部开采普遍面临的问题，断层的存在将改变岩层的应力分布规律与正常的岩层 移动规律，使断层处岩层的应力分布、岩层移动趋于复杂化。断层带位于断层上 盘与下盘之间，其强度通常较周围岩体小得多，向断层面采煤时，将引起上覆岩 层移动，易产生开采盘沿断层面剪切滑移，引起断层活化。每年因断层活化导致 的突水事故、冲击地压事故频繁发生，且近年来有逐步增长的趋势。鉴于采动断 层活化给矿山开采带来的巨大灾害，国内学者对此进行了大量的研究，但研究煤 层向断层面逐步推进时，断层应力分布与活化规律的研究较少，因此本论文将该 开展这方面的研究。 1.2 采动断层活化采动断层活化研究现状研究现状 目前国内学者有关断层活化研究主要侧重于利用相似理论与数值模拟研究断 层活化时断层面上点的剪应力、正应力变化特征，断层两盘竖向相对位移的变化 特征等，而关于断层活化理论研究则相对较少，主要基于莫尔-库仑理论、抗剪强 度理论、半面体边界受垂直均布荷载应力公式。 1.2.1 采动断层活化力学机理采动断层活化力学机理 朱术云等[3]根据抗剪强度准则、莫尔-库仑准则和水平应力与竖直应力的关系 推导出有承压含水层存在条件下，采动断层活化临界水压力公式和采动断层活化 临界煤层埋深，分析了矿山压力、断层倾角、侧压力系数和断层面内聚力对断层 活化的影响，认为前三个影响因素越大，断层越易活化，最后一个影响因素越大， 断层一般不易活化。 万方数据 第一章 绪论 -2- 卜万奎等[4-6]根据采场底板支撑压力分布，建立断层活化分析力学模型，并通 过弹性理论中半无限体在边界受任意均布荷载理论公式， 将支撑压力分段求解后， 利用叠加原理求出断层面上每一点的附竖向应力、水平应力和切向应力，进而求 出断层面上支撑压力引起的附加剪应力与附加正应力，并定量解析了不同煤层埋 深、采场推进距、推进方向、支撑压力集中程度、断层落差和倾角断层面上剪应 力分布规律，认为以上各因素对断层活化均有影响，但影响程度各不相同。 师本强等[7]依据莫尔-库仑理论，推导出单向压力下断层活化判据、断层活化 时断层倾角界限及适用范围，并总结出覆岩中断层在单向拉伸条件下，不同断层 倾角范围内，断层的破坏形式，认为断层倾角越大，一般情况断层越易活化。 李振雷等[8]依据同一断层面上即存在滑移段也有闭锁段的特性，建立断层面 解锁与闭锁力学模型，将断层倾角、侧压力系数与断层带内岩石的摩擦特性作为 影响因素，总结了断层上行解锁与下行解锁条件，认为侧压系数大于 1、切应力 函数大于断层摩擦应力、断层倾角在一定角度范围内切应力函数值为上行解锁的 必要条件，而下行解锁的必要条件为侧压系数小于 1、断层倾角在一定角度范 围内。 向鹏等[9]为研究开采活动对断层的扰动，通过引起构造地震断层库仑破裂应 力，建立回采引起断层面库仑扰动应力动态模型，并提出回采对断层扰动的特征 羊握，通过分析得出如下结论回采引起的库仑扰动力越大，变化梯度越大，涉 及的空间范围越广，则断层活化的概率越大。 林远东等[10]应用梯度塑性理论分析了断层带应变软化及其应变局部化问题， 得到断层带沿倾向相对错动位移解析表达式， 并定义断层带等效剪切刚度‖和两 盘岩体等效剪切刚度‖，并根据这两者的关系推导出断层活化判据，认为断层的活 化不仅与断层内部材料性质有关，还与上下盘岩体特征参数相关，这些参数的取 值愈小，断层越易活化。 李青锋等[11]基于隔水关键层原理建立含隔水断层的隔水关键层活化力学模 型，从理论上解析了隔水断层在水压与矿压共同作用下断层活化滑移条件，据此 分析了顶、底板隔水断层活化机理，提出采场断层活化是由断裂面受力性质由压 性破坏变为张性破坏或扭性破坏为标志。 1.2.2 采动断层活化数值模拟采动断层活化数值模拟 姜耀东等[12]采用 FLAC3D数值软件，将软弱带考虑为库仑剪切模型，分别模 拟采煤工作面由断层上盘和断层下盘向断层面方向逐步回采的过程，通过对断层 面上的应力分布和运动规律的研究，认为断层上正应力的变化总先于剪应力，相 比上盘开采，下盘开采时应力集中程度更大，更易活化。 毛德兵等[13]根据多个采煤工作面的微震监测数据结果，分析断层落差、断层 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 -3- 走向、断层性质对断层活化规律的影响，认为断层落差越大，断层活化时释放的 能量越多；断层面粗糙，咬合力大的坚硬断层较软弱断层活化时发生冲击地压的 可能性更大。 蒋金泉等[14]针对上覆硬厚岩层受逆断层切割后，工作面顶板运动、采动应力 的异常变化，利用三维数值计算方法，将断层带考虑为强度低的软弱带，模拟分 析上、下盘工作向逆断层推进过程中的采动应力演化、顶板运动特征及断层活化 规律，认为上盘工作面采动应力在高度方向上向工作面远处转移，围岩应力集中 程度大于下盘工作面，上盘工作面较下盘工作面易于活化，断层外侧垂直应力集 中程度高，且逆断层上、下盘工作面采动应力分布有显著差异。 孔祥如等[15]针对淮南某矿采区倒转地层，采用 FLAC3D数值模拟对急倾斜煤 层深部开采对断层活化影响规律进行研究，总结了开采深度与断层活化的时空规 律，并验证了通过控制采高与隔离煤柱的大小可有效减小急倾斜煤层对断层的扰 动作用。 徐晓惠等[16]根据前人的研究成果，认为断层面上正应力与剪应力的变化是断 层失稳滑动的主要影响因素，并使用 FLAC3D分析逆断层在不同倾角、不同落差 情况下断层活化规律，认为断层倾角及落差的增大导致断层带附近煤岩体中应力 集中程度的增加，上盘开挖时，随倾角增大，滑移量增加，随落差增大，滑移量 减小，而下盘开挖时则与之相反。 陈法兵等[17]采用数值模拟手段分析了工作面采煤与断层活化之间的相互影 响，认为回采引起的库仑应力增量是断层活化的主要原因，断层活化机率与库仑 应力增量成正比，由断层上盘向断层面推进时，断层上的剪应力与正应力均下降， 而下盘向断层面推进时，切应力上升而正应力下降。 于广明等[18-19]根据分形理论构造了自仿射意义下的分形曲线及含有这种分开 性质断层面的地质采矿模型，然后使用数值方法模拟地下开挖引起分开断层面活 化现象，认为采动断层活化具有明显分形界面效应，采动断层剪切滑移力学行为 与其分形维数相关，采动后不同分形维数的断层面，其附近岩体中的应力场与位 移场不同。提示了工程岩体结果面上下盘运动的分形界面效应，为采动断层活化 的控制提供了理论依据。 胡新宇[20]通过 PFC/FLAC 耦合数值模拟方法分析了采场向底板隐伏断层时 断层活化特征，并讨论了断层倾角、断层上缘距煤层垂直距离、断层强度、工作 面推进方向、采厚及采空区充填率对断层活化的影响，认为随着与隐伏断层的靠 近，断层带岩体产生裂纹开始活化要先于底板浅部岩体，断层上缘与煤层垂直距 离愈小，受采动应力场影响愈大，倾角大于 45 度的锐角断层较易活化，断层带岩 体强度越低，回采越易引起断层活化，且向地层深部破坏越广。 罗浩等[21]以耿村矿深部开采临近 F16逆冲断层为背景，采用相似模似试验研 万方数据 第一章 绪论 -4- 究随开采深度增加与临近断层面过程中围岩应力场演化规律，结果表明开采深度 的增加及临近断层，导致围岩应力集中程度的增加，在覆岩自重，上盘岩体水平 向推力与采空区岩层滑动力共同作用下易使断层下盘岩体绕某一轴旋转，并根据 分析结果判断出该工作面冲击失衡模式。 李铁等[22]以煤矿正断层活化变异为逆冲断层运动为背景，采用三维数值试验 方式探索产生这种现象的力学机制，分析认为工作面回采导致断层活化，采动 应力作用方式主导其运动方式，可改变原生断层的破裂机制，并提出尽量避免上 盘大面积、长时间空裸，优化工作面布置，采用工作面走向焉断层面斜交，减小 断层带采高等对策。 张缓缓等[23]以新集一矿 F10逆断层为背景，利用数值模拟手段分别模拟上、 下盘工作面向断层面开采时，断层上下盘与断层带上的应力和位移分布特征，结 果表明上盘回采工作面距断层面 15m 时，断层面两侧位移与应力出现差异性变 化，有活化趋势，但不影响安全；而下盘回采工作面距断层面 25m 时，断层存在 明显活化现象，因此判断下盘工作面开挖较上盘工作面开挖危险。 1.2.3 采采动断层活化动断层活化实验实验研究研究 王涛等[24-26]依据某矿受压扭性逆冲断层综放工作面，设计模拟煤层回采、煤 岩失稳破坏过程和断层活化的相似模型，采用动态监测的方法，获得了断层滑瞬 态过程中断层面上剪应力与正应力的随时间变化动态特征，并获得了工作面向断 层回采时断层面上的正应力与剪应力变化曲线，通过的监测结果的分析，结果表 明，位于上盘工作面向断层面方向，断层面上正应力降低而剪应力升高，其张拉 与滑移趋势逐渐向开采层面方向传导， 断层面是控制断层滑动与闭锁的重要因素， 断层滑移初期正应力剧烈变化使滑动过程呈非稳态，滑移后期，剪应力居高位， 滑移过程由剪应力控制，工作面煤体应力在断层滑移瞬间先降后升，煤体失稳由 内向外逐步发展。 彭苏萍等[27]采用相似模拟试验分析了采动影响下，不同倾向大角度正断层工 作面过断层时，顶板岩体变形破坏和矿压分布规律，发现随着工作面不断向断层 面推进，支撑压力峰值位置向工作面前方转移，过断层后，顶板岩体支撑压力减 小，比无断层时要低，工作面向断层面方向推进时，无论上盘或下盘开采，顶板 岩体容易冒顶的区域问题出现在断层下盘，且影响范围较大。 刘红波等[28]针对运河煤矿逆断层厚煤层下盘开采实际，采用相似模拟手段， 通过在断层附近处布置应力监测点和多条位移测线监测煤层开挖引起断层附近及 覆岩变形，研究下盘回采对上盘煤岩的影响，结果表明下盘厚煤层开采后，断层 附近产生应力集中，上盘开挖时应注意避开应力集中区域，下盘开采对上盘煤层 应力、变形影响很小。 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 -5- 罗浩等[2]以耿村矿深部开采临近逆冲断层为背景，采用数值模拟手段，研究 工作面向断层回采时，应力、位移变化规律，结果表明随着开采深度增加，高应 力集中区域向边界煤柱及断层方向移动，且随着距断层面的距离减小，逐步增大， 工作面开采后下区域中煤体应力呈现先增大后减小至稳定趋势。 李志华等[29]以济三煤矿正断层为背景，采用相似模拟试验分别模拟上盘工作 面、下盘工作面向断层面方向推进过程及过断层后，断层面上正应力与剪应力分 布规律、断层滑移特征、顶板稳定性、工作面支撑压力