采动影响下断层应力分布与活化规律研究

摘要

断层活化的防治与预测一直以来都是煤矿安全生产的重要研究课题，断层的活化主要表现为活化前后应力场与位移场的变化。针对工作面推进过程中断层应力与位移变化规律，本文以火铺矿2375工作面断层为工程背景，运用理论分析与数值模拟手段研究了采动作用下断层应力分布与活化规律，取得如下主要结论：
　　1、根据采动底板支撑压力分布，并考虑底板岩层载荷，建立采动底板断层活化力学模型，得出断层面正应力与剪应力分布解析表达式。分析煤层埋深H、工作推进长度L、工作面前方支撑压力系数K1、断层倾角θ和采空区压实系数α对断层面正应力与剪应力的影响，通过分析主要影响因素对断层面正应力与剪应力的影响，发现进入底板某一深度后，其剪应力趋于零，而正应力趋于上覆岩层载荷。断层面应力主要影响因素中工作推进长度L对断层面应力分布趋势影响最大，其次为断层倾角θ。
　　2、采用FLAC3D数值模拟软件模拟含正(逆)断层煤层工作面由上、下盘分别向断层面推进四种方案，通过对计算结果的分析，认为正断层下盘开挖时较上盘开挖时更易使断层活化。
　　3、利用内置FISH语言将FLAC3D正断层下盘开挖与逆断层上盘开挖时每开挖步距的计算结果数据导出并处理与作图，分析开采盘内靠近断层带岩层的正应力、剪应力、水平位移、竖向位移与底板支撑压力随工作面向断层面推进时其变化特征，重点分析了断层活化前后应力与位移曲线变化特征。
　　4、根据采动影响下开采盘靠近断层带岩层应力与位移的位移变化规律，提出断层活化判据，认为相邻开挖步距间剪应力或位移曲线间面积的急剧增大，或应力、位移曲线变化趋势明显变化时断层将发生活化。
　　5、以火铺矿2375工作面为工程背景，通过理论分析与数值计算综合得出2375工作面与F2断层的安全距离为25m，根据现场的观测资料，当2375工作面推进至距断层面23m时，F2断层出现明显的活化现象，与理论分析和数值模拟结果较为吻合，从而验证了本文断层活化判据的有效性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 采动断层活化研究现状

1.3 主要研究内容和技术路线

第二章 采动影响下断层应力分布

2.1 采动影响下断层应力影响分析思路

2.2 采动底板支承压力分布

2.3 采动底板断层带应力分析

2.4 底板岩层重量对断层带应力分析

2.5 小结

第三章 断层面应力影响因素分析

3.1 影响断层面应力分布的参数取值

3.2 断层面应力分析编程实现

3.3 断层面应力主要影响因素分析

3.4 小结

第四章 采动影响下断层活化数值模拟

4.1 FLAC3D软件概述

4.2 数值模拟计算分析流程

4.3 采动影响下正断层活化数值模拟

4.4 采动影响下逆断层活化数值模拟

4.5 采动影响下断层活化判据

4.6 小结

第五章 工程应用实践

5.1 火铺矿与2375工作面简介

5.2 2375工作面不同推进距离下断层应力变化

5.3 2375工作面断层数值模拟

5.4 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间参与的科研项目及发表的学术成果

附录B 典型因素的MATLAB计算代码