断层影响区采动作用效应及其致灾规律研究

Faults are common geologic structures with great hidden danger which occur near mining face. Mutations of mining-induced stress and ground structure take place near faults, coupling with rock burst, serious roof failure and water inrush, and will pose severe threaten to safety production. Aiming at different ground features and mining conditions of faults, the coupling laws of mining effect and induced disaster will be deep systematic studied with multi-methods, including multi-parameters comprehensive field test of dynamic response, numerical simulation, similar-material model test, and analytical analysis of fracture mechanics, impact dynamics, catastrophe theory, fluid-solid coupling and fracture hydrodynamics. The laws include: coupling of fault and dynamic response; laws of mining-induced stress and abutment pressure evolution and block effect; mining-induced stress state, failure mode and criterion of roof fault; laws of influence which faults occurrence characteristics and mining condition have on rock burst danger; relationship between faults structure and shield load; stress evolution of fault pillars and stability assessment; multi-field (stress, fracture and seepage) coupling effect of floor fault zones; laws of influence which faults occurrence characteristics and mining condition have on mining failure modes and water inrush danger. The goals of this project is to propose theory and assessment system of faults dynamic, establish Fault Dynamics of Mines, develop theories of mining engineering and provide mining optimal design for safety production of faults-affected area.

断层是工作面及附近常见的、隐患突出的地质构造，断层附近采动应力与围岩结构发生变异，并耦合冲击地压、压架、突水等地质灾害，给安全生产造成严重威胁。针对断层不同赋存特征与采动状态，通过动力响应多参数综合实测研究、数值模拟、相似模型实验，基于断裂力学、冲击动力学、突变论、流固耦合、裂隙介质水动力学等理论分析，深入系统研究断层影响区采动效应与灾害耦合规律。即：断层与动力响应的耦合规律；断层影响区采动应力与支承压力的演化规律及阻隔效应；顶板断层采动应力状态、失稳模式及条件；断层赋存特征及采动状态对冲击危险的影响规律；断层失稳覆岩结构与支架荷载；断层煤柱应力演化与稳定性评价；底板断层带应力场裂隙场渗流场三场耦合效应，断层赋存特征及采动状态对失稳模式、突水危险的影响规律。形成断层采动效应的理论与评价体系，初步创建“矿井断层采动学”，发展采矿工程理论，为断层影响区开采设计优化及安全生产提供理论基础。

本项目按照计划任务书的要求，通过相似材料模拟、现场实测、数值模拟，深入系统地研究了断层影响区采动应力分布演化规律，揭示了断层带对采动应力的阻隔效应和机理。研究了断层带及其附近岩体在加载过程中力学响应、宏观破坏特征以及断层带特征参数对断层活化特征的影响。分析了粗糙结构面剪切滑移规律、声发射特征以及剪切损伤特征，定量分析了粗糙节理面在不同法向应力与剪切速率条件下滑移弱化行为与直接剪切后粗糙度衰减规律。研究了断层影响下工作面开采覆岩运动规律，分析了采动对断层活化的影响规律及断层面应力变化特征，揭示了断层倾角对断层活化的影响规律、断层滑移机制。建立了断层赋存条件下煤岩失稳诱发冲击地压流变组合模型，将煤岩冲击地压分为断层煤柱破坏诱发的高应变能冲击地压和断层活化失稳诱发的断层滑移型冲击地压。研究了采动诱发断层滑移动载荷对煤岩体应力分布的影响规律，建立了考虑断层滑移动载荷影响的冲击危险性评价指标体系。分析了动载作用下断层影响区上下盘工作面巷道围岩动力响应特征。针对上覆硬厚岩层和工作面开采多断层发育条件，研究了工作面采动应力分布规律。研究了采动对硬厚岩层断层面应力状态、滑移量的影响规律，分析了多断层影响区覆岩结构演化特征。研究了上下盘工作面开采断层煤柱应力分布规律，逆断层上下盘侧向巷道围岩稳定性。 研究了底板破坏机理，以薄板屈服理论推导了底板屈曲破坏临界载荷，提出了底板组合桩基群加固治理技术。. 课题组发表相关论文37篇，其中SCI 收录10篇，EI 收录9篇；授权专利共2 项；参加国内外学术会议6 次；培养研究生共10 名，其中博士研究生3 名，硕士研究生7 名。研究成果初步形成了矿井断层采动学，推动了采矿工程学科基础理论发展，为断层影响区工作面安全科学开采提供了理论依据和技术手段，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。