煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与试验验证

断层滑移型冲击地压是煤矿冲击地压的主要类型,目前对其发生全过程缺乏系统研究,其机理与防控仍是根本难题。为实现断层滑移型冲击地压的试验模拟,研制了煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统,开发了低强高脆相似模拟材料,制备了包含断层与巷道的大尺寸相似模型,开展了一系列验证试验,实现了巷道冲击破坏模拟与断层剪切滑移模拟。煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统具备三向六面加载功能,竖向加载能力为20 MPa,模型尺寸为1.50 m×0.75 m×0.75 m;主体框架创新采用键板连接,确保了主体框架的高刚度;发明了蜂窝加载壳结构,实现了密集油缸群加载,能够满足断层滑移型冲击地压试验模拟的要求。开发了适用于断层滑移型冲击地压模拟的相似材料,材料以水玻璃为胶结物、以氟硅酸钠为固化剂、以滑石粉为骨料,单轴抗压强度介于3.44~7.81 MPa,冲击能指数为9.2,弹性能指数为8.83,兼具低强高脆特性。基于试验系统和低强高脆材料实现了静载巷道冲击破坏模拟,验证了低强高脆相似材料模拟巷道冲击破坏的可行性,获得了巷道极限平衡状态的加载条件,巷道帮部连续片落为巷道冲击破坏的显著前兆特征。实现了粗糙锯齿断层的剪切滑移模拟,证实粗糙断层剪切滑移会对巷道形成动载扰动,获得了断层剪切滑移的合理加载方式,采用动区顶部先加载、底部后卸载的方式能够实现断层的瞬间滑移,并能消除对静区应力状态的影响。

煤矿断层错动型冲击地压研究现状与发展趋势

为深入认识断层错动型冲击地压复杂的致灾机制、降低采矿过程中冲击事故的发生率,通过梳理国内外文献,系统总结和分析了国内外在断层错动型冲击地压方面的研究进展及成果.介绍了国内外一些矿山发生断层错动型冲击地压的严峻形势,并汇总了国内部分煤矿该类型冲击地压实例;从断层活化机制及其判别准则、断层错动型冲击地压理论、发生条件及其孕育过程等4个方面着重分析了断层错动型冲击地压的致灾机制;总结了断层错动型冲击地压的监测预警方法,并介绍了一些具有代表性的可用于断层错动型冲击地压预测预报的监测预警技术及其工程应用情况,包括断层错动型冲击地压监测预警与防治体系、BMS-II型微地震监测系统、多参量实时联合监测预警系统和深部钻孔应变观测技术;论述了断层错动型冲击地压防控技术,包括区域性防御措施和局部解危措施等;在分析以上问题的同时,又提出了一些新的理论观点、见解和建议.最后,指出了当前断层错动型冲击地压研究存在的一些不足,并对该类型冲击地压未来研究的发展趋势进行了多方面展望.

基于改进Haskell模型的断层滑移型岩爆震源模拟研究

断层滑移型岩爆事件已经成为影响地下矿山安全开采的重大问题。为深入了解断层滑移型岩爆事件对岩体及支护系统的影响,采用三维离散元程序3DEC,开展断层滑移的数值模拟研究。通过比较常用的震源模型,根据断层滑移形状及滑移特征,构建基于改进Haskell模型的断层滑移型岩爆震源模型。从荷载施加、断层面滑移及震源远区岩体质点振动响应等方面,验证改进的Haskell模型在模拟断层滑移方面的有效性。改进Haskell模型的计算结果与位移理论计算公式、质点振动速度经验公式等结果一致,结果表明,改进的Haskell模型能够很好模拟断层滑移震源特征以及合理的岩体震动响应。

特厚煤层重复采动条件下断层滑移对冲击地压的影响

为探究重复采动条件下断层滑移特征及其与冲击地压的关系，以老虎台矿83003综放工作面为研究对象，采用数值计算、现场监测和理论分析多种方法进行研究。采用UDEC数值模拟软件和预应力锚索的工作阻力监测，对重复采动条件下断层运动特征以及断层运动与冲击地压或矿震关系进行分析。研究表明，重复采动使断层活化，83003综放工作面开采后F25断层上盘的滑移量达到5～8m；锚索工作阻力突变值大于5kN时，将在33h内发生能量较大（大于10^6J）的矿震，对冲击地压的发生具有预警作用。覆岩破坏、断层滑移、断层应力场和采动应力场耦合作用是83003综放工作面冲击地压频繁发生的根源。

断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究

以白光数字散斑相关方法作为试验的观察手段,采用双轴加载方式对一种花岗闪长岩进行直剪摩擦滑动试验,通过搭建高速数据采集系统对断层冲击地压失稳瞬态过程进行研究,观测和分析冲击失稳过程中断层位移演化时间和空间的特征。试验结果表明:(1)断层冲击地压发生与侧向压力量值有关,断层冲击地压发生需要满足一定的侧向应力条件,当侧向压力较小时,断层发生稳滑,不会发生冲击地压;(2)随着侧向压力的增加,发生断层冲击的峰值应力增加,断层冲击地压发生时的应力降增加;(3)冲击失稳过程中断层位移演化在时间上表现出间隔滑动特征,并且滑动间隔时间随着侧向压力的增加而增加,断层第一次失稳滑动的距离和滑动速度大于第二次滑动的距离和滑动速度;(4)冲击失稳过程中断层位移演化在空间上表现出滑动的差异性特征,断层不同位置处的失稳滑动量值和滑动演化特征不同,表现出断层观测点的滑动量值随着与加载端的距离增加而增加的趋势。

加载速率与断层倾角对断层矿震失稳影响的试验研究

研究断层黏滑过程力学特征及规律,对预测断层矿震的发生具有重要的理论意义和现实意义。试验以粗晶正长花岗岩为例,采用双轴加载的方式进行直剪摩擦滑动试验,研究了不同断层倾角黏滑失稳特征,分析了不同侧压下加载速率为0.5、1.0、5.0μm/s时对断层错动黏滑失稳的影响。研究结果表明:断层黏滑失稳时临界剪应力随着加载速率的增大是先减小再增大,而应力降随着加载速率的增大呈下降趋势,低速加载、高侧压时,断层发生黏滑所需的临界剪应力最大,断层发生黏滑时产生的应力降最大。侧压增大时,临界剪应力增大,平均应力降增大,平均黏滑周期增大。加载速率越低,平均应力降越大,同一侧压下平均黏滑周期越大,侧压变化对平均黏滑周期的影响越显著。黏滑周期与加载速度之间满足负对数线性关系,且不受侧压影响。断层倾角由56°变为45°时,在相同的侧压下临界剪应力增大,平均应力降减少,平均黏滑周期增大。断层倾角为34°试样达到峰值应力时,断层发生瞬间失稳现象,随着围压的增大,发生失稳时能量的释放也越大。大倾角断层易发生断层矿震,但释放能量小、震级低,而小倾角断层不易发生断层矿震,一旦发生失稳,释放的能量大震级高。开采速度对断层矿震的发生有着直接的影响,在某一开采速度下断层矿震最易发生,且释放能量也较大,在生产中一定要避开这个开采速度。

断裂滑移型岩爆风险评价和预警方法研究现状

地下工程需要频繁穿越地质构造区域,断裂滑移型岩爆频发,严重威胁地下工程结构的稳定和安全。为了揭示断裂滑移型岩爆诱发致灾机理,本文系统分析了触发断裂滑移型岩爆的地质构造条件、时空孕育特征、扰动触发机理、风险评价指标和预警方法等。研究结果表明:断裂滑移型岩爆多发生于含软弱结构面或层理面的地质构造带附近,岩体硬性结构面可以在一定程度内控制岩爆爆坑边界;断裂滑移型岩爆在临界失稳触发阶段存在典型的时空前兆特征,声发射(微震)监测参数在临界滑移失稳阶段存在“相对平静期”破坏前兆,红外热像温度存在短暂异常后随即迅速消失的破坏前兆;岩体内部天然层理面等缺陷结构为触发断裂滑移型岩爆提供了地质构造条件,巷道开挖和掘进等为触发断裂滑移型岩爆提供了滑移失稳空间,外界动力扰动等为触发断裂滑移型岩爆提供了诱发条件。

采动影响下断层滑移失稳的动力学分析及数值模拟

为研究开采扰动下断层滑移失稳诱发冲击矿压的致灾条件,基于"砌体梁"理论分析了开采过程中断层围岩系统的受力状态和力学响应.首先推导了断层面正应力、剪应力的计算公式,进而得到断层滑移失稳与覆岩"关键层"的破断和采场的推进的关系;利用数值模拟计算比较了不同开采影响因素下的断层面位移场、应力场、速度场和能量场的响应规律.结果表明:断层滑移对采动影响具有不同的敏感性,断层带上剪切位移和应力分布受断层摩擦角、采深、断层位置和回采方式等影响较大;而受断层力学性质(诸如法向刚度、切向刚度等)影响较小.受采动覆岩演化高度影响,断层带上不同位置处的应力路径变化较大,临近断层处易出现滑移.最大滑移速度和震源参数与最大剪切位移呈正相关关系.