基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制

针对董家河煤矿工作面断层突水问题,通过构建工作面微震监测系统,对断层区域底板岩体微破裂信息进行分析,再现了过断层前后底板岩体微破裂萌生演化过程。同时将微破裂信息和岩石破裂过程分析系统RFPA2D结合,研究底板断层围岩导水裂隙带发育过程中应力场的变化规律。结果表明:①根据微震事件分布结果分析,工作面位于断层前方85 m时,底板断层开始发生微破裂。过断层前断层附近底板微破坏深度达到25 m,底板具有分段局部破坏特征;过断层后,最大微破坏深度为35 m,微破裂逐渐贯通。②基于微震能量密度分布结果分析,过断层前高能量密度集中区走向长度约15m,位于煤层下方5~25m,而紧邻煤层的5m范围内的断层仍处于稳定状态。过断层后高能量密度区向上盘采空区及深部扩展,沿工作面走向扩展至上盘采空区约80 m范围内,深度方向扩展至煤层下方约35 m。③基于微震监测和数值模拟结果分析底板岩体破坏过程,将底板突水通道扩展过程分为过断层前和过断层后两个阶段,过断层前煤层下方25 m附近断层围岩首先发生微破裂,并沿断层向上扩展,煤层下方5~25 m发生局部微破裂但并未形成贯通;过断层后微破裂自上而下扩展并逐渐贯通,形成突水通道。④基于数值模拟断层应力演化规律分析,过断层前,断层剪应力为负值且逐渐减小,断层上盘有向下滑移趋势,深度越大剪应力越快达到最大,围岩自下而上发生压剪破坏。工作面位于断层附近时,剪应力方向迅速反转并达到最大,断层上盘在承压水作用下有上升趋势,围岩自上而下发生拉破坏且逐渐贯通形成导水通道。

多关键层结构下不同采厚覆岩移动及围岩响应特征

针对多关键层结构下煤厚复杂工作面覆岩移动及围岩应力问题,采用RFPA-Strata数值模拟方法研究了多关键层结构下不同采厚关键层破断特征及不同关键层破断前后支承应力响应特征。结果表明:①采高小于2.5 m时仅低位关键层破断且能够形成稳定的砌体梁结构,此时低位关键层能够承载自身及其上方至中位关键层下方岩层重量,煤体仅需承载低位关键层下方软岩重量及附加载荷,煤岩体承载力较好,超前支承应力峰值随采高增加逐渐增大。②采高大于3 m时中位、低位关键层均发生破断,中位关键层破断后形成砌体梁结构,此时中位关键层能够承载自身及其上方至高位关键层下方软岩重量;低位关键层破断后其断裂的岩块未能与前方未完全破断的岩层铰接,低位关键层为悬臂梁结构,此时煤体需承载煤层上方至中位关键层下方岩层重量及附加载荷,超前段煤岩体发生大量剪切破坏导致煤岩体承载力降低,超前支承应力峰值随采高增加逐渐减小。③关键层运动影响支承应力分布特征,关键层完全破断后低位关键层下沉位移量减小,超前支承应力峰值大小及其距煤壁的距离随关键层破断均减小。④采高大于3 m时,低位关键层破断后主要影响超前支承应力峰值点距煤壁距离,峰值大小变化较小;中位关键层层破断后主要影响支承应力峰值大小,峰值点距煤壁距离变化较小。

基于微震矩张量反演的中国董家河煤矿突水预警方法研究

董家河煤矿属于中国华北石炭二叠纪煤田,该区域的岩溶、裂隙发育程度较高,其水害治理问题一直受到学者们的广泛关注。本文以董家河煤矿工作面为例,通过工作面布置的微震监测系统,采用矩张量理论反演了底板微震事件异常区域的震源机制解,通过应力反演方法识别了底板隐伏断层,并结合数值模拟获取了底板的应力场。结果表明:1)通过传感器拾取的有效微震波形计算了突水危险区域的矩张量,并在此基础上将矩张量分解为三部分并结合相关判据得出该区域的主要破裂类型为混合破坏。2)通过震源机制中的初动极性和应力反演方法,确定了断层的主要属性,该隐伏断层属于逆断层,其倾角大致为70°,破裂长度为21 m。3)通过数值模拟方法结合微震事件的时空分布将断层的破坏过程分为3个阶段。其结果可为类似煤矿突水风险的预警和评估提供参考。