临断层孤岛面冲击危险与断层滑移数值反演——以朝阳煤矿3108工作面为例

复杂地质构造、开采布局等与冲击地压密切相关,尤其是当孤岛工作面沿平行于断层走向回采时,受断层煤柱与孤岛工作面影响叠加后形成的采场煤岩应力状态及覆岩结构将更为复杂,严重威胁冲击地压矿井的安全高效开采。为探究临近断层处孤岛工作面开采时断层滑移失稳致灾机理,利用FLAC3D中的Fish语言进行2次开发,系统地提出一种孤岛工作面推进过程中采动诱发断层滑移失稳的数值模拟方法。以朝阳煤矿3108工作面为工程背景,建立断层赋存条件下的孤岛工作面开采的数值模型,分析了开采扰动下断层面应力场、位移场和速度场的动态演化特征,确定了断层滑移失稳的判定准则,总结了断层滑移失稳与冲击危险之间的关系,所得结果与现场实际强矿震分布具有较好的一致性。研究结果表明:当工作面远离断层时,断层面不产生滑移失稳,此时采动动载主要源于顶板破断;当工作面向断层推进时,认为当断层面出现剪应力降且剪切位移量大于0.05 m时断层产生滑移。断层滑移型动载可由地震矩、能量和滑移速率等物理参数表示,当动力计算时间为0.03 s时,断层面发生滑移,其地震矩和释放的能量达到峰值。一般当滑移速率峰值达到0.99 m/s以上时可认为断层滑移反作用于采场周围煤岩体的影响较大,断层滑移速率随时间变化先增大后减小,一般在动力计算0.4~0.5 s时,滑移速率达到峰值,当断层滑移结束后,滑移速率会降低至某一值。在整个孤岛工作面的回采进程中,断层滑移速率首先呈现阶梯式跃增趋势,后期表现为线性增长,即断层滑移最易出现在工作面初次来压和见方阶段,易于诱发强矿震和冲击地压。

强矿震多参量监测效应的特征研究

为研究强矿震多参量监测效应的特征,以峻德煤矿三水平北17层三四区一段工作面强矿震为研究背景,针对微震、电磁辐射及地音多参量监测数据进行了耦合分析。最终得到了三四区一段工作面“9.12”强矿震产生的特征及主要影响区域,为该工作面后续安全生产提供了指导,同时也为其他同类矿井矿震多参量监测的联合应用提供了借鉴。

强矿震地球物理过程及短临阶段预测的研究

用区域强震震源机制解、现场地应力测量、三维有限差分数值模拟方法分析强矿震的孕震环境;通过定量观察采矿与矿震活动的相关性,分析强矿震的诱发原因;基于中尺度地震实验场高密度数字地震和前兆台网的现场观测,用地震学方法和小波工具分析强矿震孕震过程采集到的数据,提取短临阶段的异常信息;通过强矿震的震源机制解判断震源处的应力释放状态。提出地质构造环境、地应力场和采矿活动共同作用诱发强矿震的机理和次生应力场在孕育该震过程起主导作用的观点,发现震前短临阶段存在可信的b值、η值、频次、波速比等地震学异常和定点潮汐形变前兆异常,对异常信息的提取方法和强矿震短临阶段的预测进行了探讨。

深部煤矿强矿震震源参数分析及震源机制研究

我国煤炭资源开采逐渐走向深部,山东、内蒙等多个矿井大能量矿震频发,严重制约了煤矿的安全高效生产。对强震震源机制的解析是强矿震预警及防控的前提。通过深度剖析东滩煤矿63上06工作面回采过程中发生的27次强矿震事件,利用现场监测和理论分析手段对强矿震地震波形进行快速傅里叶变换(FFT)处理,采用Savage震源谱模型拟合获取拐角频率及低频位移幅值,分析强矿震震源参数间的关联性,揭示震源破裂尺度及破裂面产状特征。基于矩张量反演和破裂面产状计算,获取东滩煤矿强矿震震源机制解及破裂面产状,结果表明强矿震事件震源机制以剪切破坏为主、混合剪切破坏次之。煤层上覆厚硬岩层分别沿工作面推进方向及邻近采空区横向方向发生断裂错动,2种矿震诱发机制相互交叉、相互促进。煤层开采引起的上覆厚硬岩层剧烈运动及瞬时断裂从而释放大量应变能是导致强矿震事件频发的主要原因。