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采动诱发断层带岩体劣化微震响应特征
朱贵旺;任波;余国锋;汪敏华;党保全;罗江发;李连崇;牟文强
【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2022(53)5
【摘要】以淮南矿区潘二矿12123工作面开采A组煤所面临的复杂断层带为研究对象,建立了微震监测系统,获取了构造发育区的微震活动数据,分析了断层带岩体劣化过程的微震事件分布及震源参数的响应特征,揭示了诱发微震响应的力学机制。
研究结果表明:随回采与断层间存在的时空关系,微震事件表现出显著的时空强特征;累计能量、b值、能量指数以及累计视体积等随回采呈现阶段性变化,能够有效反映断层围岩的破坏状态;受回采线与结构面所构成的岩体“三角孤岛区”影响,应力区域性的集中分布所诱发的岩体破坏释放能量呈现时空迁移特性。
【总页数】6页(P176-181)
【作者】朱贵旺;任波;余国锋;汪敏华;党保全;罗江发;李连崇;牟文强
【作者单位】淮南矿业集团煤业分公司;淮南矿业集团有限责任公司深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室;平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司;东北大学资源与土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TD326
【相关文献】
1.综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析
2.基于采动应力场与微震活动性的岩体稳定性分析
3.断层带边界岩体采动应力特征相似材料模拟研究
4.开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验
5.大倾角高瓦斯煤层采动覆岩“三带”微震监测及瓦斯抽采效果
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采动影响下覆岩破坏动态发展过程的数值模拟李文增;李岐;马群【摘要】利用岩层破裂过程分析( RFPA2D)系统,模拟了采动影响下覆岩破坏的动态发展过程,从几何、岩性、变形、破断机理及支撑特征等多方面较真实地模拟开采过程中上覆岩层变形、离层、断裂规律.模拟结果表明,开挖卸荷作用对老顶的直接影响比较小,老顶的破坏主要受随分步开挖而增大的拉应力及其损伤的积累作用,老顶初次破断机理是拉破坏失稳.老顶岩梁中段下部的拉应力损伤积累峰值位置滞后于岩梁最大拉应力区,这是造成老顶非对称破断的根本原因.%Dynamic progressive process of overburden rock strata fracture induced by caving is simulated by rock Rock Fracture Process Analysis system(RFPA2D)code. Moreover,it is simulated by the same code that controlling mining pressure and falling of rock layer above the ore bed by the reserved coal pillars. The simulated results reveal that RFPA can realistically simulate deformation,vertical discontinuous displacement,fracture and surface subsidence law of overburden rock strata from geometrical characteristic,rock mechanical property,deformation,fracture mechanism and support characteristic. Therefore,it can conclude that RFPA2D is a new approach to research overburden rock strata fracture.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2012(000)009【总页数】4页(P37-39,42)【关键词】煤矿;覆岩;岩层移动;非均匀性;数值模拟【作者】李文增;李岐;马群【作者单位】东北大学资源与土木工程学院;辽宁省安全科学研究院;东北大学资源与土木工程学院;辽宁省安全科学研究院;辽宁省安全科学研究院【正文语种】中文长期以来，人们对于岩层随开采过程的破裂、移动、冒落全过程的认识，主要是通过现场观测的总结、室内物理模型实验和部分解析理论来达到［1-4］。
第53卷第3期煤炭工程COAL ENGINEERING Vol.53 ,No.3doi：10.11799/ce202103024浅埋综采工作面覆岩裂隙发育及漏风规律研究张杰、张建辰、刘清洲h2,周府伟3，陈诚1(1.西安科技大学能源学院，陕西西安71_;2.陕西郭家河煤业有限公司，陕西宝鸡721500;3.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安71_)摘要：浅埋煤层煤炭开采过程中，上覆岩层发生全厚切落产生垂直裂隙，使工作面、采空区 出现漏风现象，威胁矿井的生产安全。
为了分析该类地质条件煤层开采上覆岩层裂隙发育及漏风特 征，基于南梁煤矿30100工作面实际地质条件，对30100工作面开采过程中的裂隙发展进行还原，通过物理相似模拟实验对采空区裂隙进行模拟演化，揭示了该类煤层开采过程中覆岩导气裂隙的发 育规律过程，同时进一步采取数值模拟验证，提出了采取封堵防治措施可有效减少工作面漏风，并 确定了封堵的粘滞阻力、距离、施工周期等参数，具有较高的可行性。
关键词：浅埋煤层；覆岩移动；全厚切落；裂隙发育；漏风规律中图分类号：TD325 文献标识码：A文章编号：1671-0959(2021)03-0118-06Crack development and air leakage law of overburdenrock in shallow fully mechanized faceZHANG Jie' , ZHANG Jian-chen', LIU Qing-zhou1'2, ZHOU Fu-wei3, CHEN Cheng1(1. School of Energy Engineering, Xi* an University of Science and Technology, Xi * an 710054, China；2. Shaanxi Guojiahe Coal Industry Corporation，Baoji 721500, China；3. China Coal Xi’an Design Engineering C o.，L td.，Xi’an 710000，China)Abstract：During the mining of shallow coal seams, full-stratum cutting of the overburden produces vertical fissures, and causes air leakage in the working face and goaf, which threatens the mine production. In order to analyze the fracture development and air leakage characteristics of overburden strata in this type of geological conditions, based on the geological conditions of the 30100 working face of Nanliang Coal Mine，the cracks development during the working face mining was restored, and the cracks evolution in the goaf was simulated through physical similar simulation, and the development law and process of gas conduction cracks during mining is revealed, which is verified by numerical simulation. It is pointed out that the sealing measures can effectively reduce the air leakage of the working face, and the parameters such as the viscosity resistance, distance and period of the sealing construction are determined.Keywords：shallow coal seam；movement of overlying strata；full-stratum cut；crack development；air-leakage law我国煤炭储量丰富，埋深不超过150m的煤层称 为浅埋煤层，其中位于陕北神府侏罗纪煤田浅交界 处南梁煤矿是典型的浅埋煤层。
采动覆岩裂隙演化规律的定量描述李春睿;齐庆新;彭永伟;李宏艳【摘要】对采动覆岩裂隙的定量描述一直是困扰采矿工程的科学问题.通过室内相似材料模拟实验,对综放工作面覆岩裂隙破坏过程进行了监测,并根据采动覆岩裂隙的发育过程在时间及空间的数字成像,提出了应用"双重分形"理论揭示采场覆岩裂隙的萌生、扩展、贯通的过程,获得了采动条件下覆岩裂隙时空演化的定量描述方法.【期刊名称】《煤矿开采》【年(卷),期】2010(015)006【总页数】5页(P4-8)【关键词】采动煤岩体;覆岩裂隙演化;裂隙定量描述;双重分形;相似模拟实验【作者】李春睿;齐庆新;彭永伟;李宏艳【作者单位】煤炭科学研究总院,开采设计研究分院,北京,100013;天地科技股份有限公司,开采设计事业部,北京,100013;煤炭科学研究总院,煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京,100013;煤炭科学研究总院,科技发展部,北京,100013;煤炭科学研究总院,开采设计研究分院,北京,100013;天地科技股份有限公司,开采设计事业部,北京,100013;煤炭科学研究总院,煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京,100013;煤炭科学研究总院,科技发展部,北京,100013【正文语种】中文【中图分类】TD325.4对采动覆岩裂隙的定量描述一直是困扰采矿工程的科学问题。
煤层的开采必将引起上覆岩层的移动与破断,并在覆岩中形成采动裂隙。
随着开采的不断扰动与破坏,覆岩中的采动裂隙将进一步发生变化,从而影响地下水的运移、瓦斯等有害气体的流动。
因此,为保证煤矿开采的安全,防止矿井突水、瓦斯涌出与突出等灾害事故的发生,有必要对覆岩采动裂隙场演化规律进行研究,定量描述裂隙在采动过程中的演化过程。
采动覆岩在不同开采过程中的受力形式及裂隙的准确描述是十分复杂的问题。
但是,为了保证采矿过程的安全,必须弄清采动覆岩裂隙的形成及分布。
对于单一裂隙 (或组合裂隙)扩展的理论问题,可通过实验室方法进行实验研究,且已有公认的研究成果。
基于断层影响下的覆岩应力演化规律分析李广波，宁建国，肖志民，顾清恒，李建政，王俊（山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛266590）［摘要］在断层影响下，覆岩的破断形式以及应力分布等都将发生变化。
为分析断层对覆岩应力演化的影响，采用FLAC 3D数值计算方法，以某矿的断层赋存特点为工程背景，模拟分析了下盘工作面向正断层推进过程中工作面超前支承压力与弹性应变能分布规律。
研究结果表明：由于断层带的存在，阻隔了覆岩的应力传播。
随着工作面逐渐接近断层，工作面超前支承压力与弹性应变能显著增高；断层处的应力与弹性应变能大量积聚，极易诱发冲击地压。
该研究对相似地质条件下的煤层冲击地压的预测及防治起到指导作用。
［关键词］断层；冲击地压；超前支承压力；弹性应变能；数值模拟［中图分类号］TD322［文献标识码］A［文章编号］1006-6225（2015）06-0015-04Analysis of Stress Evolution Law of Overburden Strata Based on the Influence of FaultLI Guang-bo ，NING Jian-guo ，XIAO Zhi-min ，GU Qing-heng ，LI Jian-zheng ，WANG Jun（College of Mining and Safety Engineering ，Shandong Univrsity of Science and technology ，Qingdao 266590，China ）Abstract ：Under the influence of fault ，forms and the stress distribution of the overburden rock will change.To analyze the effect of fault on the stress evolution law of coal face with FLAC 3D numerical calculation method ，the fault occurrence characteristics of a mine as engineering background ，the simulation analysis of the footwall face normal fault efforts to promote the advance abutment pressure and the elastic strain energy in the process of distribution.The results show that the fault block of strata stress significantly．As working face close to the fault ，advance abutment pressure and the elastic strain energy increased significantly ；vertical stress and elastic strain energy accumulation near the fault ，easy to induce impact ground pressure.The study of similar geological conditions of the prediction and prevention of percussive ground pressure of coal seam play a guiding role.Key words ：fault ；rock burst ；lead abutment pressure ；elastic energy ；numerical simulation［收稿日期］2015－5－11［DOI ］10.13532/11－3677/td.2015.06.004［基金项目］国家自然科学基金项目（51274133）；高等学校博士学科点专项科研基金（20123718110013）；山东省自然科学基金重点项目（ZＲ2012EEZ002）［作者简介］李广波(1989－)，男，山东烟台人，在读硕士研究生，从事采矿及矿山压力与岩层控制研究。
综采工作面覆岩破断规律试验及高位钻孔参数优化陈爱和【摘要】根据祁东煤矿6135工作面开采工程条件,运用相似材料模拟实验方法,对上覆岩层随工作面推进时的破断规律进行研究,结合经验公式和相似模拟结果综合判定了工作面上覆岩层垮落带高度范围为0~7.1 m,断裂带高度范围为7.1~30.1 m；采用FLAC3D数值模拟软件模拟得出覆岩裂隙发育区角度范围,为优化高位钻孔布置参数提供了可靠的依据。
%In this paper, study was made on the rupturing law of the overburden strata with the working face advance by using the similar material simulation method according to mining conditions of 6135 fully mechanized coal face in Qidong Coal Mine. It was concluded by the comprehensive judgment according to the empirical formula and similar simulation results that the height range of the caving zone of overburden strata was about 0~7. 1 m and that of the ruptured zone was about 7. 1~30. 1 m; with FLAC3D simulation software, the angle range of the fracture development zone of the overburden strata was obtained, which provided reliable data for the optimization of high-level borehole layout parameters.【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P47-50,55)【关键词】覆岩破断;楔形裂隙发育区;高位钻孔;参数优化【作者】陈爱和【作者单位】安徽恒源煤电股份有限公司，安徽宿州234000【正文语种】中文【中图分类】TD325;TD712+.6瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理与利用的主要措施之一,若能在采煤之前和采煤过程中,将瓦斯从煤层中抽出并加以利用,既可消除矿井瓦斯突出灾害,又可充分利用资源[1]。
第31卷第11期 岩 土 力 学 V ol.31 No. 11 2010年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2010收稿日期：2010-06-01基金项目：国家自然科学基金（No. 50909013）；高等学校博士学科点专项科研基金课题（No. 20090041120024）；973资助项目（No. 2007CB209404）。
第一作者简介：李连崇，男，1978年生，博士，讲师，主要从事岩土工程、地下空间与工程等领域的教学与科研工作。
E-mail: li_lianchong@文章编号：1000－7598 (2010) 11－3537－05考虑岩体碎胀效应的采场覆岩冒落规律分析李连崇，唐春安，梁正召（大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024）摘 要：应用改进的岩石破裂过程分析系统(RFPA 2D )，分析了煤层开采过程中上覆岩层发生离层、弯曲、端部和中部开裂直至冒落的全过程，再现了采动影响下冒落带、裂隙带、下沉带3带的形成过程以及裂隙拱的形成发展、整体覆岩的周期性运动模式。
数值计算中，引入了冒落岩体的碎胀效应，使得计算结果更合理地反映了现场实际，主要表现在：冒落岩体的碎胀效应及拉伸、剪切破坏联合控制了覆岩的运动模式，随着工作面的不断推进，上覆岩层可呈现出周期性的运动特征；裂隙拱发展到一定高度后，工作面垂直方向上不再扩展，只在工作面推进方向向前扩展，此时裂隙拱拱顶为一近似水平线，冒落带、裂隙带和下沉带3带分明；覆岩运动引起的地表下沉范围和下沉量亦都更符合现场实际。
关 键 词：覆岩；损伤；碎胀系数；数值模拟 中图分类号：TD325 文献标识码：AInvestigation on overburden strata collapse around coal face consideringeffect of broken expansion of rockLI Lian-chong ，TANG Chun-an ，LIANG Zheng-zhao（School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China ）Abstract: Dynamic progressive process of layer separation, bending, sagging and fracturing of overburden strata induced by mining excavation is investigated based on numerical method and the improved Rock Failure Process Analysis code . The simulation result reproduces the formation of caving zone, fractured zone and bend zone. In addition the evolution of fracturing arch and the periodically common nature of strata movement are numerically obtained. It is shown that the overburden strata movement depends on the effect of broken expansion and the tension, shear failure of rock mass. Because the broken expansion of caving rock strata is employed, the fracturing arches do not expand vertically upward, but expand horizontally forward. The top of the arches keeps at the same level and the strata failure is of periodic law. The boundaries of caving zone, fractured zone and bend zone are obviously clear and the surface subsidence is more reasonable. Consequently the numerical results are more consistent with the measured data obtained in-situ.Key words: overburden strata; damage; bulk factor; numerical simulation1 引 言地下煤层开采、采场顶板垮落、覆岩沉降和破坏乃至地表沉陷变形，是一个开挖、应力重分布、变形和破坏的整体全过程[1]。
采矿工程中采场顶板的稳定性过程相对短暂，并不需要像永久性的水利水电等工程结构那样进行长时稳定性研究，但是，分步开挖动态卸荷破坏特性的影响是不容忽视的。
采场开挖工艺过程的主要力学特点是在原岩应力状态下分步开挖引起的卸荷力学效应及分步开挖的损伤积累[2－3]。
半个世纪以来的高强度地下煤炭开采所引起的地表沉陷，不仅破坏了矿区生态环境，而且已经对地表建筑物造成了严重的损害，造成了触目惊心的资源与环境问题。
因此，多年来我国有大量的科技工作者，采用现场勘测、物理试验研究和数值计算等各种手段和方法研究煤层开采覆岩破断与冒落规律与机制，为采矿设计以及灾害治理提供了有价值的科学依据[4－9]。
随着计算机技术的飞速发展，数值计算方法已逐渐成为采场顶板稳定性分析的有力手段，但目前为止还没有比较成熟的数值计算方法能够计算分析岩层从变形、破坏直至跨落全过程的力学响应，更没有一种数值计算方法能够岩土力学 2010年分析跨落岩体的碎胀效应。
本文采用改进的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)，研究跨落岩体碎胀效应影响下采场覆岩变形、破坏的动态力学响应。
2 采场上覆岩层变形破坏的基本规律采矿形成大面积采空区后，原始应力平衡受破坏，采空区顶板在集中应力的作用下岩层破裂冒落，在采空区上方依次产生无规则冒落带、裂隙带和变化微弱的整体移动带，随着工作面的不断推进，地表下沉范围和下沉量不断增大，在充分采动的条件下形成一平底的地表移动盆地，如图1所示。
图中，冒落带部分岩层已经垮落，采场由支架暂时支撑，在推进方向上不能始终保持传递水平力的联系；裂隙带岩层在推进方向上裂隙较发育，各岩层的裂隙已扩展到（或接近扩展到）全部厚度，在采场推进过程中能够以“传递岩梁”的形式周期性断裂运动，推进方向上能始终保持传递水平力的联系；弯曲下沉带的岩层在采场推进很长一段距离后才会开始运动，速度缓慢，运动结束后在推进方向上形成的裂隙，无论在数量上还是在深度上都比裂隙带少和小。
下沉带运动的最终结果是在地表形成沉降盆地，冒落带的高度可由以下计算公式求得[2]1H SMK−=−（1）式中：M为冒落带高度（m）；S为裂隙带中下位岩梁（老顶）的实际沉降值（m）；H为采高（m）；K 为冒落岩体的碎胀系数。
由式（1）可以看出，如果不考虑冒落岩体的碎胀效应，即K ≈1，则M值将趋近于无穷大，表征采场上覆岩层将一直跨落至地表，致使对冒落带的估计范围偏大。
因此，冒落岩体的碎胀效应对采场上覆岩层变形、破坏的发展模式具有重要的影响，数值计算时应该对冒落岩体的碎胀特性予以充分的考虑，使数值计算结果更加符合实际[10]。
图1 煤层开采诱发上覆岩层运动示意图Fig.1 Sketch of overburden strata movement in coal mining3 数值模拟方法与计算模型3.1 考虑冒落岩体碎胀效应的RFPA2D系统本文所用的RFPA2D系统，是一个能模拟岩层从变形、破坏直至冒落过程的数值模拟工具[11－12]，RFPA2D包括两方面的功能：应力分析和破坏分析。
应力分析采用有限元法，破坏分析则根据修正的Coulomb准则（包含拉伸截断tension cut-off）来检查材料中是否有破坏单元。
对破坏单元则采用刚度特性退化（处理分离）和刚度重建（处理接触）的办法进行处理。
为了模拟采动工作面的变化，采用空单元法，每一步开挖即相当于一次卸载，对于每一步开挖，首先进行应力计算，然后根据破坏准则检查模型中是否有破坏单元。
如果没有，继续下一步开挖和应力计算；如果有破坏单元，则根据单元的拉或剪破坏状态进行刚度退化处理，然后重新进行当前步的应力计算。
重复上述过程，直至岩层形成宏观裂纹而开裂，并最终冒落而形成整个覆岩破坏的动态发展过程，岩层一经冒落，则程序会根据该垮落岩层的碎胀系数K进行碎胀处理。
3.2 数值计算模型与参数本文采用平面应变模型来模拟覆岩的垮落过程。
计算模型沿水平方向取320 m，沿垂直方向取180 m，上至地表。
煤层厚4 m，赋存深度为140 m。
模型共计有12层岩层，如图2所示，其主要岩体力学参数见表1。
计算时以分步开挖来模拟开采过程，开采步距为10 m。
同样的模型、同样的材料力学参数，分2种计算方案：（1）不考虑垮落岩体的碎胀效应；（2）考虑碎胀效应，碎胀系数K = 1.3。
观测两种方案中岩层变形、垮落的全过程。
下沉带裂隙带冒落带S HM3538第11期 李连崇等：考虑岩体碎胀效应的采场覆岩冒落规律分析图2 覆岩破坏过程的数值模拟模型Fig.2 Numerical model for the simulation of overburdenstrata movement and failure表1 模型物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parametersemployed in calculation层序厚度 /m弹性模量 /MPa抗压强度/MPa重度/(kN /m 3)泊松比1 15 5 000 50 20 0.302 25 10 000 60 25 0.253 15 15 000 70 27 0.254 15 10 000 60 25 0.25 5 18 8 000 60 25 0.25 6（关键层） 20 15 000 70270.257 10 4 000 20 25 0.25 8 10 4 000 20 25 0.25 9 10 4 000 20 25 0.25 10（直接顶） 2 1 500620 0.3 11（煤层） 4 1 200 30200.312 36 10 000 60 25 0.254 数值计算结果与分析讨论图3为采动影响下覆岩垮落的动态发展过程的数值模拟结果，限于篇幅，仅将2种方案中具有代表性的5步对比结果示于图中。
