断层影响下覆岩破坏规律研究
182煤矿开采2015年第6期-15-基于断层影响下的覆岩应力演化规律分析
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。
王坡煤矿断层影响下采场围岩破坏和底板突水的数值模拟
１ 矿 井 基 本 情 况
王坡 煤 矿 位 于 山西省 晋 城 市郊 区西北 部 ， 属 沁
水煤 田樊 庄勘探 区 ， 地层总 体走 向北 东或北 北东 ， 倾
向北 西 ， 倾角 ５ 。～ｌ ０ 。 ， 构造 属 于 简单 类 。 主采 二 叠 系下 统 山西组 ３号煤 层 ， 平均厚 ５ ． ９ ７ ｍ， 为 中灰 、 低 磷、 特低 硫 、 高 发热 量 、 高 灰熔 点 、 高强 度 、 易 选 的无
ｓ ｅ ａ ｍ ｍｉ ｎ ｉ ｎｇ ｉ ｎ Ｗａ ｎ ｇ ｐ ｏ ａ ｕｌ ｔ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｗａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎｒ ｕ ｓ ｈ ｆ ｒ ｏ ｍ ｃ ｏ ａ ｌ ｌｏ ｆ ｏ ｒ ； ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｚｈ ａ ｏ Ｇｕ ａ ｎ ｇ ｒ ｕ ｉ
（ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｔ ｉ ａ ｎ ｄ ｉ Ｗａ ｎ ｇ ｐ ｏ Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ．， Ｌ ｔ ｄ ．， Ｊ ｉ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ０ ４ ８ ０ ２ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｏ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｏ ｎ ｓ ｕ ｒ ｒ ｏ ｕ ｎｄ ｉ ｎｇ ｒ ｏ ｃ ｋ ｄｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｒ ｕ ｓ ｈ ｆ ｒ ｏ ｍ ｃ ｏ ａ ｌ ｌｏ ｆ ｏ ｒ ， ｂ ｙ ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｏ ｆ ＲＦ —
ＰＡ２ Ｄ Ｆｌ ｏ ｗ ，ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌｕ ｆ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｐｓ ｏ ｆ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｏ ｎ ｓ ｕ ｒ ｒ ｏ ｕ ｎｄ ｉ ｎｇ ｒ ｏ ｃ ｋ ｄｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｒ ｕｓ ｈ ｆ ｒ ｏｍ ｃ ｏ ａ ｌ ｌｏ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｅ ｄ ａ ｓ ｔ ｈｅ
厚表土层薄基岩条件下分层开采覆岩破坏规律研究_陈学星
裂带发育高度进行数值模拟。 3 . 1 计算参数 为取得现场顶底板岩层的实际力学参数 , 专门对 顶底板岩层进行了取芯 , 并完成了煤层顶板岩层的岩 ∃ 21∃
2010 年 12 月
矿业安全与环保
第 37 卷第 6期
石力学参数测试, 依据测试结果 , 选取模拟计算的各 岩层力学参数见表 3 。
表 3 计算岩层组物理力学性质指标
体积模量 / 岩性 GP a 砂质页岩 煤 泥岩 粗砂岩 中砂岩 细砂岩 0. 82 1. 19 0. 67 5. 38 2. 02 5. 91 GP a 0. 59 0. 37 0. 31 4. 20 1. 71 4. 62 MP a 2. 00 1. 05 2. 00 7. 00 8. 00 7. 33 切变模量 / 黏聚力 / 内摩擦角 / 抗拉强度 / ( ∋) 30 . 00 21 . 00 15 . 00 32 . 00 34 . 00 31 . 00 MP a 0. 89 0. 30 0. 10 0. 89 0. 86 1. 05 密度 / ( g /cm ) 2. 46 1. 28 2. 61 2. 60 2. 65 2. 62
垛层根据该矿条件用有限差分法flac数值模拟软件分别对3上207工作面和3下207工作面开采后的断31计算参数2010年l2月矿业安全与环保第3732模拟结果33模拟结果分析煤层上分层3207工作面开采后上覆23207工作面开采后稳定一段时间在此基煤层下分层的开采3下207工作面进行模拟计算结果表明随着3下207工作面的推进上覆岩层的破坏范围加大但破坏范围增加趋势减缓3下207根据矿井煤层顶板岩性柱状描述3煤层直接顶板为一薄层泥岩和3煤层及泥岩互层老顶为厚20余m的中粒砂岩再往上则是相对软弱的岩层按由于观测区域两层煤间距不足1m3下207工作分层开采后裂高总厚度的732
断层活动对地下结构的影响分析和抗震设计技术研究
断层活动对地下结构的影响分析和抗震设计技术研究地震是自然界一种破坏力极强的地质灾害事件，而断层活动是地震产生的主要原因之一。
在地震中，断层活动引起的地面破裂、地震波传播等一系列变化对地下结构造成了巨大的不利影响。
因此，对断层活动对地下结构的影响进行分析和研究，并在抗震设计中应用相关技术成为了极为重要的课题。
首先，断层活动会造成地表的破裂与位移，从而引发地震波的传播。
这些地震波在传播过程中会对地下结构造成动力荷载，导致地下结构的震动响应。
在地震波中，水平地震波会导致地下结构产生水平位移和摩擦力，垂直地震波则会引起地下结构的垂直位移和挤压力。
这些位移和力对地下结构的稳定性和安全性造成了很大的威胁。
其次，断层活动还会导致地下水系统发生改变，进而对地下结构产生一系列的影响。
地下水是构筑物周围存在的一种重要力学环境。
在地震中，地下水的流动受到断层活动的干扰，可能会引发地下水位的变化、水压的增加等情况。
这些变化会对地下结构的承载能力和稳定性产生直接影响，增加了地下结构的风险。
为了对断层活动对地下结构的影响进行分析和研究，以及提高地下结构的抗震能力，需要开展抗震设计技术的研究。
首先，需要进行地震活动潜能评估，以确定地下结构所处地区可能的地震威胁。
这需要收集相关的地震活动和断层活动的数据，并进行地震活动性评估和预测。
通过将断层活动的数据与地下结构的设计参数相结合，可以对地下结构的抗震需求进行合理评估。
其次，需要开展地震作用下地下结构的数值模拟及动力响应分析。
通过使用现代计算机软件和数值模拟方法，可以对地震波荷载传递过程进行模拟，从而预测地下结构在地震事件中的响应。
这些分析包括地下结构的位移、应力、变形、振动频率等方面的研究，可以为抗震设计提供重要的参考依据。
此外，还需要进行地下结构抗震设计的优化研究。
优化设计可以通过改进结构的几何形状、材料选择、连接方式、结构布局等方面，提高地下结构的抗震能力。
例如，采用合适的基础形式和处理地表沉降的方案可以减少地震波对地下结构的影响。
典型地质条件下采动覆岩变形破坏规律的试验研究
典型地质条件下采动覆岩变形破坏规律的试验研究王新丰;李隆钦;邱引贵【摘要】为了研究典型地质条件下厚煤层采动过程中的覆岩运移规律和顶板破断机理,以某矿16223典型地质工作面的厚煤层开采为工程背景,基于相似原理和量纲分析理论,运用相似模型试验系统分析工作面采动期间的顶板破断过程、垮落形态、覆岩变形特征及应力演化规律.研究表明:采动覆岩具有初始破坏的突发性、中期破坏的阶段性和后期破坏的延展性特征,裂隙发育和贯通过程呈现方向性和区间性特点,覆岩的失稳变形表现出非线性和不连续性,顶板应力在岩层活动的不同时期存在明显的应力分区和不均匀特性.研究结论可为典型地质条件下的煤层开采技术研发和岩层控制措施制定提供借鉴和参考.%In order to study the law of overlying strata movement and roof breaking mechanism in mining process of thick coal seam under typical geological conditions, taking the thick coal seam mining in 16223 working face of one coal mine under typical geological conditions as the engineering background, based on similarity theory and dimensional analysis theory, similarity model test was used to study roof breaking process and collapse shape,the deformation characteristics of overburden and stress evolutionary law in mining process of working face.The research shows that in the thick coal seam, the overlying strata of the coal bed have the characteristics of burst of initial failure, the stage of medium damage and extension of late damage.The fracture development and the process of penetrating are presented with the characteristics of orientation and interval.The instability of the overlying rock shows nonlinear and discontinuous deformation.Roof stress has obvious stresszoning and uneven characteristics in different periods of rock activity.The research conclusions can provide reference for developing coal seam mining technology and constituting formation control measures under typical geological conditions.【期刊名称】《武汉理工大学学报（信息与管理工程版）》【年(卷),期】2017(039)003【总页数】6页(P275-280)【关键词】典型地质;采动覆岩;破坏规律;模型试验;岩层控制【作者】王新丰;李隆钦;邱引贵【作者单位】湘潭大学岩土力学与工程安全湖南省重点实验室,湖南湘潭 411105;湘潭大学环境与资源学院,湖南湘潭 411105;湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭 411105;湘潭大学环境与资源学院,湖南湘潭 411105;湘潭大学环境与资源学院,湖南湘潭 411105【正文语种】中文【中图分类】TD32厚煤层综合机械化开采是我国煤炭开采的主体，也是今后相当长时期内的重点发展方向。
大采深条件下采煤活动引起的覆岩移动变形及破坏规律研究
对未来发展趋势预测
随着科技的进步和煤炭行业的不 断发展，对大采深条件下采煤活 动引起的覆岩移动变形破坏规律 的研究将更加深入和全面。
未来可能会涌现出更多先进的监 测技术和数值模拟方法，为相关 领域的研究提供更加有力的支持 。
同时，随着环保意识的不断提高 和可持续发展理念的深入人心， 煤炭开采将更加注重环境保护和 资源利用效率的提升，这也将对 覆岩移动变形破坏规律的研究提 出更高的要求和挑战。
包括工作面位置、地质条件、煤层赋存情况 等。
覆岩移动变形观测
布置观测站，采用仪器对覆岩移动变形进行 实时监测。
效果评价指标体系建立
安全性指标
包括顶板冒落、煤壁片帮、支架稳定性等。
生产性指标
包括采煤机割煤速度、工作面推进度、煤炭采出率 等。
经济性指标
包括吨煤成本、设备维护费用、人工费用等 。
效果评价方法及实施步骤
3
后续研究方向
根据研究现状和存在问题，提出后续研究方向和 重点。
07
结论与展望
主要研究结论总结
01
大采深条件下采煤活动会引起覆岩产生显著的移动 、变形和破坏。
02
覆岩移动变形破坏规律受地质条件、开采技术、支 护方式等多种因素影响。
03
通过现场监测、数值模拟等手段，可以有效分析覆 岩移动变形破坏的过程和机制。
边界元法
将问题域边界离散化为边 界单元，通过求解边界积 分方程得到域内任意点的 解。
数值模拟方案设计及实施
模型建立
根据实际地质条件和采煤工作面参数，建立 三维数值模型。
边界条件设置
考虑采动影响范围、地质构造等因素，设置 合理的边界条件。
材料参数选取
根据岩石力学实验结果，选取合适的岩石物 理力学参数。
综采重复开采的覆岩破坏规律
综采重复开采的覆岩破坏规律
综采重复开采的覆岩破坏规律主要包括以下几个方面：
1. 层理破坏规律：覆岩由于地质构造和沉积环境等原因，会形成一定的层理结构，其物理力学性质存在一定差异。
在综采过程中，当矿石层受到采动影响时，沿层理面可能发生滑移破坏，导致矿石层片断化。
层理破坏一般以脆性断裂为主，破坏面呈平行或近平行状。
2. 石灰岩溶蚀破坏规律：在综采作业中，当覆岩中存在石灰岩等易溶解的岩石时，地下水可能会对其产生溶蚀作用，导致覆岩破坏。
石灰岩溶蚀破坏一般以溶孔、溶洞和溶缝等形式出现，破坏面呈不规则形状。
3. 煤与岩层相互作用破坏规律：综采作业中，矿石层与覆岩之间存在相互作用关系，煤与岩层的相互作用可能导致覆岩破碎和沉陷等现象。
比如煤层底部和覆岩之间的冲击、压力、剪切等作用可能导致覆岩的破坏和变形。
4. 动力破碎效应：综采作业中，机械设备的振动和敲击作用会引起覆岩的破碎和破坏。
特别是对于破碎易的覆岩岩石，其破碎面呈散乱分布，可根据破碎程度来判断覆岩的破坏情况。
综采重复开采的覆岩破坏规律受多种因素的影响，如地质条件、开采方法、煤层厚度和岩石性质等，因此具体规律可能因地而异。
在实际综采工程中，应根据具体情况采取相应的工程措施，以减少覆岩破坏对开采的影响。
覆岩破坏规律的综合研究技术体系
覆岩破坏规律的综合研究技术体系3煤炭科学研究总院北京开采研究所 康永华兖州矿务局兴隆庄煤矿 孔凡铭阜新矿务局 孙 凯 摘 要 通过对水体下采煤条件下覆岩破坏规律综合研究技术体系的基本原理、研究内容与方法、测试技术与手段以及实施步骤等进行阐述,为正确地研究掌握及预计覆岩破坏规律提供了保证。
关键词 覆岩破坏 技术体系 系统工程 水体下采煤是在地表或煤层上覆岩层中存在水体情况下如何实现安全采煤的技术,其关键因素之一就是要正确掌握和预计覆岩破坏规律及特征。
而正确应用覆岩破坏规律的综合研究技术体系则是实现这一目的的最佳选择。
1 基本原理 覆岩破坏规律研究涉及到采矿、地质、岩石力学等多个学科领域,是一项包含多项研究技术和内容的工作。
将那些具有各自的研究目的的诸项研究技术,如覆岩移动、采场矿压显现、地表移动等相关规律的研究以及先进的探测技术等,统一于覆岩破坏规律研究这一目的,就形成了一套综合研究技术体系。
系统工程原理是建立这一技术体系的基本理论。
系统工程是为了更好地达到系统目标,而对系统的构成要素,组织结构,信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术,它是一种组织并管理系统的规划、研究、设计、制造、试验及使用的科学方法,是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方3国家自然科学基金资助(编号:59634030)。
法。
系统工程与其它工程学的不同之点即在于它是跨越许多学科的学科,而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。
从根本意义上讲,系统工程是一种思想方法,而不是一种可以不偏不倚地照此办理就能得到预期结果的技术。
它着重于研究被开发系统(又称为目的系统)和环境之间的关系。
它最基本的作用和意义就在于运用系统的观点,从整体上有效合理地开发工程的价值。
2 研究内容、方法及测试技术手段 为了达到正确掌握及预计覆岩破坏规律的目的,在覆岩破坏规律综合研究技术体系中,所采用的研究内容、方法及测试技术手段很多,大体上可分为现场测试、室内分析及理论研究等几个方面。
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断层影响下覆岩破坏规律研究尹立明,郭惟嘉,尹增德(山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东青岛266510)摘 要:应用A N SYS有限元分析软件和相似材料模拟实验,分析在采动和断层影响下覆岩变形破坏和矿压分布规律。
结果表明:在采动影响下断层 活化 ,断层带及其影响范围内的岩体破碎,表现为周期断裂步距小,冒落带高,尤其是断层下盘,顶板稳定性差。
通过断层后,顶板岩体中支撑力减小,比无断层存在的情况低。
但断层对于上覆岩层导水裂隙带的高度和范围的影响不明显。
关键词:断层;开采;覆岩破坏;数值计算;相似模拟试验中图分类号:T D325 文献标志码:A 文章编号:1672-3767(2009)04-0059-05Study on Failure Law of Overlaying Strata under Influence of FaultsYIN L-i m ing,GUO We-i jia,YIN Zeng-de(Key L oboratory o f M ining Disaster Prevention and Contr ol,M inistry of Education,SU ST,Qing dao,Shandong266510,China)Abstract:T he aut ho rs analy zed the laws o f defo rmatio n and failur e o f ov erla ying str ata and the distributio n o f mine pr essures under the influence of faults and mining activities by applying the AN SY S finite element softw ar e and sim-i lar mater ials simulation test.T he results indicated that the faults w ere act ivated by coal mining,and the r ock-mass in fault zo ne and it s influential range w as bro ken,and the distance o f per iodic weighting decreased and the cav ing zo ne increased,particularly,the r oof stability in the footw all of fault seemed to be weakened.T he suppo rting force of t he r ock mass in r oof decreased after passing t he fault,and it was lo wer than that w ithout the ex istence o f fault.T he heig ht and sco pe o f water flo wing fractured zo ne in o ver lying strata w ere not influenced by the existence of fault ev idently.Key words:fault;mining;failure of o ver lay ing strat a;numer ical calculation;similar simulation test岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体,由于地质构造运动的影响,其内部存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。
这些地质结构面的存在,破坏了岩体的整体性,影响着岩体的变形性质和强度特性,从而导致岩体开采沉陷更加复杂,是影响顶板稳定性的重要地质因素之一。
长期以来,国内外不少学者已注意到断层对采矿的影响,并已进行了卓有成效的研究[1-6]。
在采动影响下,易于使构造结构面 活化 [7],使煤层顶板稳定性受到影响。
尤其是当开采区域断层比较发育时,断层对上覆岩层破坏规律、矿压分布规律的影响十分明显,在这种情况下就必须考虑断层的影响。
本文以兖州矿业集团鲍店煤矿5307工作面煤层及其顶底板岩体为对象,通过室内数值、物理模拟研究,探讨了在采动和断层双重影响下的覆岩破坏规律,为矿井开采灾害预测与防治提供理论与技术依据。
1 研究区顶底板岩性和力学参数鲍店煤矿5307工作面开采的煤层为山西组3层煤。
厚度8 20~8 87m。
煤层直接顶为深灰色粉砂岩,主要成分为石英长石,泥质胶结,裂隙较发育,呈水平层理,硬度f=4~6,厚度为4 37m。
老顶为灰~收稿日期:2009-06-06基金项目:国家自然科学基金项目(50874070);国家自然科学基金重点项目(50874070);教育部博士点基金项目(20080424004);山东省自然科学基金项目(Y2008F01)。
作者简介:尹立明(1979 ),男,山东平度人,讲师,博士研究生,主要从事开采沉陷和矿山压力方面的研究.表1 各岩层岩石力学参数表T ab.1 T he mechanic parameters fo r strata岩性厚度/m 弹性模量E /M Pa 泊松比 内聚力C /M Pa 内摩擦角 /( )容重 /(kg/m 3)细砂岩12.642000.21 4.2372560中砂岩 6.550000.23 4.5382560细砂岩 6.842000.21 4.2372560粗砂岩10.060000.185392560中粗砂岩 4.655000.2 4.5382560粘土岩 5.225000.33292400粉砂岩 4.935000.244352500粉细砂互层 4.840000.22 4.1362500粘土岩9.025000.33292400粉砂岩 5.335000.244352500粘土岩 2.625000.33292400粉砂岩 5.235000.244352500粘土岩 2.125000.33292400粉细砂互层 5.140000.22 4.1362500中砂岩23.750000.23 4.5382560粉砂岩 4.435000.244352500煤38.730000.25 2.5271400粉砂岩20.035000.244352500冒落矸石2000.35251700灰白色粉细砂岩互层、中砂岩、粉砂岩,以中砂岩为主,主要成分为石英长石,泥钙质胶结,坚硬致密,具有水平层理及缓波状层理,硬度f =6~10,厚度为23 68m 。
其工作面内煤层倾角2 5 ~17 ,各岩层的岩性参数见表1。
2 数值计算计算模型采用走向方向的平面应变模型,模型走向长度为1600m,高为148 7m,煤层平均埋深为380m,煤厚8 7m,考虑到煤层底板对采动后上覆岩层的影响较小,模型底板岩层模拟厚度为20m,模型上方至地表岩体的自重施加垂直方向的载荷(P = H =2 6 230 7=6MPa)。
模型侧边界施加水平约束,底板施加水平与垂直约束,计算采用Drucker -Prager 屈服准则。
在粘土岩与粉砂岩之间设置了接触,用来模拟离层。
在模型的中部从煤层开始,设立一条倾角为60 ,垂高为66 3m 的断层进行模拟,并将结果同无断层情况进行比较。
开挖距离为断层前后各300m,以每步50m来分步开挖。
在无断层未充分采动时,上覆岩层的原岩应力在采空区内未得到充分释放,当工作面推进至300m 时,原岩应力在采空区内基本释放完,越靠近工作面,由于采空区后部老顶不断断裂、触矸、压实,而工作面煤壁上方悬臂梁仍然传递上方岩层的力,导致工作面煤壁后方拉应力向煤壁逐渐增大。
而在煤壁前方由于煤体支承,在煤壁前出现较大的压应力,并逐渐向前方减小。
在断层影响下,与无断层相比,在工作面过断层前拉应力为1MPa 的等值线不再是对称的 马鞍型 ,而变为一头高另一头低的 马头型 [8]。
这是因为对于具有断层构造的裂隙岩体,在其附近不能再简单地从第一主应力一个方面来判断岩石的破坏情况。
由于断层的存在,使得周围岩体对上覆岩层的支撑能力降低,从而导致其远处采空区的导水裂隙带高度要略低于没有断层时的高度,如图1、图2所示。
产生这样的原因主要是由于工作面位于断层的下盘,因而其岩层的断裂模型由原来的两端固支的梁(图3(a))变为一端固支的悬臂梁(图3(b))。
这是由于断层处粘结力破坏。
对于图3(a)中的梁,其最大弯矩在A点和C点,值为ql2/12。
对于图3(b)中的梁,其最大弯矩在D点,值为ql2/2。
从而可以得出,图3(b)中的梁要先于图3(a)中的梁在其端部断裂,并且由于断层的存在,使得周围岩体对上覆岩层的支撑能力降低,从而导致其远处的导水裂隙带高度要略低于没有断层时的高度。
而在断层处的导水裂隙带高度要略高于远处,且其最大高度要低于没有断层时的高度。
在工作面推过断层后,沿断层面有一应力集中,随着推进逐渐减小。
在断层后上方的岩层里第一主应力为零的等值线随采掘推进逐渐向下方岩层扩展。
当推进至600m时,断层两盘各形成一形状和范围相似的零等值线区,如图4、图5所示。
这是因为断层是采场岩层中最大的软弱面,采掘工作形成的矿压对其影响必然更为强烈。
矿山压力对顶底板的破坏作用主要发生在采场周边的应力集中区,在采场顶底部的岩层内,由于采掘活动打破了断层两盘岩层的天然平衡,使得应力重新分布,引起断层重新活动。
若断裂走向与支承压力方向重合时,则形成剪切应力集中区。
此时,剪应力将沿断裂面传播至很大深度,如果断裂面含水,则使其内聚力和摩擦角降低。
当剪应力足以克服断裂面阻力时,则沿断裂构造面发生不可逆滑动或张开,造成岩体的剧烈破坏,形成统一连续的破坏带。
综合上面的分析结果,断层对于导水裂隙带高度的影响可以简化为如图6所示的状况。
3 相似材料模拟模拟试验采用平面应力模型,模型架的长 宽 高为4m 0 3m 2m,有效试验高度为1 8m。
几何比例为1 100,推进长度为400m。
模型实行分层建造,按每分层的厚度(体积)加入一定重量的相似材料,轴压成确定的密度,保证容重相似。
模型建造完毕后即进行养护,当模型材料的容重和含水率以及力学性质都满足相似准则时,开始开采。
模型两端分别保留50m煤柱,以消除边界条件的影响。
工作面推进到45m时,在距开切眼42 4m处,直接顶与老顶出现断裂线,但未垮落,老顶上方出现细小离层。
随着开采的继续,离层逐渐发育变大,在推进至开切眼60m处时,直接顶从断裂线处垮落。
随着开采的继续,直接顶也随之垮落,而老顶发生弯曲下沉,显现较明显。