斷層帶活化與沖擊地壓

1、3.1項目研究的意義近年來，沖擊地壓災害日趨頻繁和普遍，沖擊地壓問題已經(jīng)成為我國深部煤炭開采必須面對和解決的首要安全生產(chǎn)課題之一。根據(jù)沖擊地壓發(fā)生規(guī)律的統(tǒng)計資料，地質(zhì)構造發(fā)育的區(qū)域往往更容易發(fā)生沖擊地壓，其中斷層便是一種重要的誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的構造形式1-3，由斷層活化引起的沖擊地壓往往具有沖出煤量大、破壞性強、發(fā)生突然而猛烈的特點。2005年阜新孫家灣煤礦發(fā)生“2.14瓦斯爆炸事故”4，造成214人死亡，事故發(fā)生前該區(qū)域先發(fā)生了沖擊地壓，沖擊地壓造成巷道通風不暢和瓦斯異常涌出，瓦斯積聚而最終引發(fā)大爆炸。事故正是由于開采活動引起斷層活化進而誘發(fā)沖擊地壓引起，屬于典型的斷層活化誘發(fā)型沖擊地壓。2

2、011年千秋煤礦掘進巷道發(fā)生了“11.3特大沖擊地壓事故，巷道發(fā)生嚴重的擠壓垮冒，將正在該巷作業(yè)的礦工封”堵或掩埋其中，最終仍造成10人遇難，64人受傷，近400m巷道嚴重損毀，而貫穿整個礦區(qū)的F16逆沖斷層以及工作面的數(shù)個小斷層是引發(fā)此次沖擊地壓的重要地質(zhì)構造因素，事故調(diào)查組認定事故直接原因為開采活動導致上覆礫巖層誘發(fā)下伏F16逆斷層活化引發(fā)5。因此，由斷層活化誘發(fā)沖擊地壓問題的研究是十分必要和迫切的。地質(zhì)構造的形成過程存在著復雜的應力場演化，復雜的構造應力狀態(tài)增加了斷層相關問題研究的難度，對于斷層方面的研究，地震學家們對各種形式的斷層模型做了相關研究，也取得了一系列研究成果，但這些僅限于斷

3、層在地震學上的意義，并不涉及開采擾動或采場覆巖運動等對斷層結構的影響以及開采擾動、斷層活化、工作面沖擊這三者之間的作用聯(lián)系，對斷層沖擊地壓發(fā)生機理的認識不足。鑒于此，本研究著眼于開采擾動、斷層活化、煤巖沖擊失穩(wěn)這三個看似獨立實際卻存在聯(lián)系的過程，通過相似模型實驗、煤巖組合結構實驗等手段，研究開采擾動引起斷層活化進而誘發(fā)沖擊地壓的過程，旨在揭示采動影響下斷層活化的機理以及斷層活化與煤巖沖擊失穩(wěn)之間的作用聯(lián)系，研究成果服務于諸如義馬礦區(qū)這類斷層控制下的沖擊地壓的防范和治理。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀沖擊地壓機理研究關于沖擊地壓機理方面的研究大致可以分為四類：一是從研究煤巖體材料的物理力學性質(zhì)出發(fā)，分析煤巖體失

4、穩(wěn)破壞特點以及誘使其失穩(wěn)的條件，同時利用混沌、分叉等非線性理論來研究沖擊失穩(wěn)過程6-7；二是從研究動力失穩(wěn)區(qū)域所處的地質(zhì)構造以及煤巖結構出發(fā)，分析地質(zhì)弱面和煤巖體結構形式與煤巖沖擊失穩(wěn)之間的相互關系8-10；三是工程擾動以及采動影響與沖擊地壓之間的關系研究11-13；四是研究煤體細觀結構參數(shù)及有機組分分布等因素與煤體沖擊傾向性的內(nèi)在關系14-16。（1）傳統(tǒng)的沖擊地壓理論沖擊地壓發(fā)生機理方面的理論研究方面，國內(nèi)外學者提出了一系列重要理論17-25，早期具有代表性的有強度理論、能量理論、剛度理論和沖擊傾向性理論等，后有學者在上述理論的基礎上發(fā)展和完善，主要有“三準則”理論、變形系統(tǒng)失衡理論、“三

5、因素”理論、突變理論、分形理論等26-31。強度理論認為沖擊地壓的發(fā)生與否取決于煤巖體應力和其強度的大小關系，當煤體應力大于其極限強度時，煤巖體破壞，從而發(fā)生了沖擊地壓。強度理論能較好地解釋沖擊地壓多發(fā)生在應力集中地方的現(xiàn)象，但也存在一定的局限性，因為并不是當煤巖體應力大于強度時就一定會發(fā)生沖擊地壓，說明強度理論對于沖擊地壓發(fā)生條件的判據(jù)不夠充分。剛度理論32將受壓煤體和圍巖視作一個受載系統(tǒng)，當受載結構的剛度大于圍巖加載系統(tǒng)的剛度時才可能發(fā)生沖擊地壓。剛度理論沒有考慮引起沖擊地壓發(fā)生的外部因素，只是給出了沖擊地壓發(fā)生的必要條件，而非充分條件。能量理論是根據(jù)沖擊地壓發(fā)生時的現(xiàn)象提出的，沖擊地壓發(fā)

6、生時產(chǎn)生震動、破壞和煤巖體的拋出等現(xiàn)象，其實質(zhì)都是能量釋放的表現(xiàn)形式，據(jù)此提出圍巖系統(tǒng)破壞時，釋放的能量大于消耗的能量，多余的能量轉化成煤巖體的動能和礦體的震動，這就是沖擊地壓的能量理論，局限性體現(xiàn)在沒有給出打破能量平衡的條件，特別是圍巖能量的釋放條件。沖擊傾向性理論認為煤巖力學性質(zhì)存在一個臨界值，只有超過此臨界值時才具有沖擊危險，即具有沖擊傾向性，該理論給出了發(fā)生沖擊地壓的煤巖力學屬性條件，但未考慮沖擊地壓發(fā)生的外在因素，即觸發(fā)沖擊地壓的外部條件。（2）斷層沖擊地壓的黏滑失穩(wěn)理論由沖擊地壓發(fā)生的統(tǒng)計規(guī)律可知，沖擊地壓常發(fā)生在斷層帶附近、褶皺構造區(qū)、煤層傾角變化帶等區(qū)域，沖擊地壓的發(fā)生與這類區(qū)

7、域的煤巖結構具有密切關系，這些區(qū)域通常存在大量層狀結構，煤層受壓產(chǎn)生的剪脹作用使得煤體內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應力，當開采引起的擾動作用于受準靜載作用的煤體時，煤巖與上下層巖體之間產(chǎn)生相對滑動，煤巖呈塊狀或整體狀突出，這就是煤巖結構因失穩(wěn)滑動而發(fā)生的沖擊地壓。在沖擊地壓問題尤其是斷層活化誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生機理問題的研究中，有學者引入了粘滑失穩(wěn)理論33,34，認為此類沖擊地壓是由于擾動作用使得不連續(xù)面間的粘滑摩擦轉變?yōu)榛瑒幽Σ翉亩l(fā)生動力失穩(wěn)的現(xiàn)象。圖1斷層誘發(fā)沖擊地壓示意圖摩擦現(xiàn)象存在著穩(wěn)定滑動和非穩(wěn)定滑動兩種不同的滑動類型，也稱為穩(wěn)滑和黏滑，穩(wěn)滑是在滑動過程中接觸面剪應力基本穩(wěn)定，沒有劇烈變化，而黏滑與

8、之相反，剪應力在滑動過程中迅速增大或減小，滑動速度時大時小甚至停-滑間斷進行。斷層誘發(fā)型沖擊地壓問題的實質(zhì)是煤巖結構失穩(wěn)問題，煤巖結構失穩(wěn)滑動的表現(xiàn)形式和破壞特征與黏滑現(xiàn)象極為相似，表現(xiàn)為煤層沿頂?shù)装宓乃矔r突出，而頂?shù)装宀豢迓浠蚱茐?。煤巖體是一種非均質(zhì)、各向異性的非線性材料，存在層理、節(jié)理、片理、斷裂等不連續(xù)地質(zhì)界面，將煤巖體分割成眾多的結構塊體，地質(zhì)界面與結構塊體共同構成了煤巖結構體，在煤巖破壞的現(xiàn)場調(diào)查中證實，煤巖體的主要破壞形式是結構塊體沿結構面的剪切滑動破壞。對于引入粘滑理論的煤巖動力失穩(wěn)機理的研究，學者們表現(xiàn)出了濃厚的研究興趣35-39。圖1為斷層活化誘發(fā)（結構失穩(wěn)型）沖擊地壓的黏滑

9、失穩(wěn)機理示意圖。采動影響下的斷層活化規(guī)律關于沖擊地壓采動效應方面的研究，陳國祥等12研究了擾動在不同加載水平及頻率影響下，巷道幫部圍巖的應力和塑性區(qū)的動態(tài)響應，分析了巷道內(nèi)幫易發(fā)生沖擊地壓的現(xiàn)象?？盗④?，齊慶新40-43等針對回采巷道受力狀態(tài)，在圍巖穩(wěn)定性等方面進行了相關研究。姜耀東等11分析了炮采震動誘發(fā)沖擊地壓的根本原因，認為震動波使圍巖內(nèi)產(chǎn)生裂紋并促使煤層和頂?shù)装彘g摩擦滑動。相似模型實驗研究方面，彭蘇萍44通過兩組不開采方式下的高角度斷層模型分析了頂板巖體的變形和礦壓分布規(guī)律，觀察到了采動影響下的斷層活化以及活化引起的斷層巖體破裂、煤體支承壓力增大等現(xiàn)象。劉德乾45利用離心模型實驗法，針

10、對煤巖體的應力和變形特征進行了實驗研究，通過研究開采過程中煤柱和頂?shù)装鍛Φ膫鬟f規(guī)律以及構造因素產(chǎn)生的影響，認為斷層結構面的存在改變了頂板變形和受力的連續(xù)性，斷層兩側頂板的受力狀態(tài)明顯不同，并沿結構面形成應力集中帶。李志華46對濟三礦進行了采動誘發(fā)沖擊地壓的物理模擬實驗，對工作面沿斷層上盤和下盤開采情況分別作了模擬，分析了超前支承壓力、頂板下沉量等因素，并采用了微震監(jiān)測斷層滑移過程的震動信號。左建平47通過二維相似模擬實驗，研究了采動影響下斷層活動的位移規(guī)律，證實了采動引起斷層活化的現(xiàn)象，采空區(qū)距離斷層1540m時斷層開始活化，并用數(shù)字散斑相關方法嘗試了位移場分析。潘一山48-50利用斷層沖擊

11、地壓模擬實驗裝置，和配制的松脂相似模擬材料，針對開采對沖擊地壓的影響，從正壓力降低和剪應力增加的角度，進行了兩種情況下的模擬實驗，證明了開采引起斷層沖擊地壓的可能性。孟召平等52通過對正斷層附近煤巖細觀結構、力學性質(zhì)的實驗，研究了正斷層對煤的物理力學性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)斷層帶附近煤巖體破碎，距離斷層越近煤巖體中的裂隙發(fā)育程度越強，力學強度指標越低。王來貴等53用巖體的振動和斷層的剛體錯動來描述斷層沖擊地壓的發(fā)生過程，認為斷層沖擊地壓是沿某個強度相對最弱面上發(fā)生，是沿斷層剛體滑動和振動的組合運動。對于斷層方面的研究，地震學家們對各種形式的斷層模型，諸如平直斷層、拐折斷層、雁列斷層以及其他斷層組合形式

12、都做了相關研究，取得了一系列成果，但這些僅限于斷層結構在地震學上的意義，并不涉及開采擾動或采場覆巖運動等對斷層結構的影響。近些年有學者開始關注這一問題，并對采動影響與斷層活動之間的關系做了一些研究工作，但對于開采擾動是如何引起斷層活化這一問題仍然沒有給出很好的解釋，對于采場覆巖運動與斷層應力場演化的研究不夠系統(tǒng)和深入；缺乏對開采活動引起斷層帶上法向應力、切向應力狀態(tài)變化的具體分析，對開采活動是如何引起斷層活化，斷層活化又如何影響工作面煤體應力狀態(tài)的作用機制不清。斷層活化過程的研究關于斷層活化錯動的摩擦實驗研究方面，針對斷層上正應力的變化對斷層的失穩(wěn)滑動存在較大影響，有學者研究了斷層正應力擾動時

13、斷層的黏滑規(guī)律。崔永權等54通過對45預切面花崗巖標本的摩擦實驗，發(fā)現(xiàn)正應力恒定條件下，黏滑間隔隨正應力增加而增加，應力降與正應力呈正比關系，當正應力存在正弦波形式的擾動時，正應力對斷層黏滑的影響顯著，應力降大小和粘滑間隔的離散度明顯提高。馬勝利等55基于均勻和非均勻斷層的摩擦滑動實驗，分析了黏滑失穩(wěn)的成核過程，認為斷層上的弱化段加劇了黏滑成核過程的滑動弱化現(xiàn)象；斷層閉鎖期，剪應力的增加引起橫向彈性膨脹，失穩(wěn)滑動時彈性膨脹的回跳引起斷層面上正應力的增加，從而改變了滑動面的應力狀態(tài)，斷層重新閉鎖；同時研究了走滑斷層斷層帶的斷層階區(qū)對斷層滑動行為的影響56，研究表明階區(qū)的微破裂對斷層滑動失穩(wěn)具有指

14、示作用。李忠華57應用突變理論對圍巖-斷層模型進行分析，給出了斷層沖擊地壓震級與斷層厚度、斷層軟化指數(shù)、剪切模量的定性關系。蔡戴恩58用雙面剪切法研究了斷層帶上應變分布的空間規(guī)律，得到震源可能原地重復，也可能沿斷層帶遷移的結論。劉力強等59基于雙向摩擦法并利用數(shù)字散斑測量技術、應變觀測和聲發(fā)射定位技術研究了斷層三維擴展過程，并將斷層裂紋的擴展過程可分為3個基本階段，論文提供了一種監(jiān)測斷層活動規(guī)律的思路。宋義敏等2采用雙軸加載方式對花崗巖進行雙向摩擦實驗，并采用高速相機對斷層失穩(wěn)瞬態(tài)過程進行記錄，觀測了斷層位移演化的時空特征，以此分析了斷層沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律。馬瑾等60用紅外熱像儀和測溫儀觀測了

15、雁列斷層失穩(wěn)錯動前后的溫度和熱輻射亮溫的變化，發(fā)現(xiàn)斷層失穩(wěn)前熱場存在先降后升的變化模式。宋衛(wèi)華等61通過小型雙剪摩擦實驗確定砂巖的滑動準則，并用有限元發(fā)模擬了斷層影響下的構造應力場，認為構造應力是礦區(qū)地震的主要成因，主斷裂對其他次級斷裂及構造應力區(qū)起主導和控制作用，是沖擊地壓等動力現(xiàn)象的重要動力來源。礦山開采中，開采引起斷層兩盤的相對運動，工作面煤體和頂?shù)装彘g的相對運動，也都存在著摩擦滑動現(xiàn)象，斷層活化誘發(fā)型沖擊地壓是由于擾動作用使得不連續(xù)面間的粘滑摩擦轉變?yōu)榛瑒幽Σ翉亩l(fā)生動力失穩(wěn)的現(xiàn)象。對于引入粘滑理論的煤巖動力失穩(wěn)機理的研究學者們雖表現(xiàn)出了濃厚的研究興趣，并進行了煤巖試樣的摩擦滑動實驗，

16、從加載過程的應力演化角度分析了煤巖失穩(wěn)滑動規(guī)律，受實驗條件的限制，所能施加的監(jiān)測手段相對有限，對于失穩(wěn)滑動前、后試樣變形特征和結構面錯動位移規(guī)律并未涉及，煤層及相關巖石摩擦問題的深入研究對于分析結構失穩(wěn)型沖擊地壓機理具有重要意義。項目的創(chuàng)新之處手段與方法的創(chuàng)新1）斷層活化誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)的相似模型實驗設計過斷層工作面回采的相似模型實驗，采用數(shù)字散斑相關方法監(jiān)測位移場，應用動態(tài)應變測量技術監(jiān)測斷層活化瞬間煤巖應力的響應規(guī)律，從而得到采場覆巖運動規(guī)律、回采過程斷層應力演化以及煤巖沖擊失穩(wěn)時的應力演化特征。2）煤巖組合結構失穩(wěn)滑動實驗設計煤巖組合結構的雙面剪切摩擦實驗，模擬斷層活化和煤巖沖擊失穩(wěn)過程

17、，采用數(shù)字散斑相關方法分析失穩(wěn)滑動過程位移演化規(guī)律，克服了以往煤巖摩擦實驗不易進行位移觀測的難題，從而更直觀地研究不同巖性煤巖組合結構的滑動類型，斷層滑移的位移場規(guī)律。預期成果的創(chuàng)新1）采動影響下的斷層活化規(guī)律運用相似模擬實驗研究采動影響下斷層應力狀態(tài)的演化規(guī)律，并采用動態(tài)應力測試技術對斷層活化瞬間的應力狀態(tài)進行監(jiān)測，得到斷層活化過程中斷層應力的動態(tài)演化規(guī)律，同時采用數(shù)值計算手段，分析和驗證不同開采方式、不同斷層形式下斷層應力狀態(tài)的采動效應。2)斷層活化誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)機理研究斷層滑移前、后以及斷層滑移瞬態(tài)過程中工作面煤體應力的動態(tài)演化規(guī)律，得到斷層滑移與工作面煤體沖擊失穩(wěn)的作用關系。3)煤巖

18、接觸面結構失穩(wěn)判據(jù)通過多種巖性煤巖組合結構的雙面剪切摩擦實驗，研究不同接觸面滑動性質(zhì)的差異，得到應力演化與斷層滑動形式的關系，給出不同接觸面性質(zhì)條件下失穩(wěn)滑動的產(chǎn)生條件。主要參考文獻章夢濤.我國沖擊地壓預測和防治J.遼寧工程技術大學學報(自然科學版).2001,20(4):434-435.宋義敏，馬少鵬，楊小彬，等.斷層黏滑動態(tài)變形過程的實驗研究J.地球物理學報.2012,55(1):171-179.潘一山，李忠華，章夢濤.我國沖擊地壓分布、類型、機理及防治研究J.巖石力學與工程學報.2003,22(11):1844-1851.文一.孫家灣煤礦2.14特大瓦斯爆炸-事故調(diào)查專題報道J.安全與健

19、康(上半月版).2005(6):4-8.王學濱.基于能量原理的巖樣單軸壓縮剪切破壞失穩(wěn)判據(jù)J.工程力學.2007,24(1):153-156,161.王維忠，尹光志，王登科，等.三軸壓縮下突出煤粘彈塑性蠕變模型J.重慶大學學報(自然科學版).2010,33(1):99-103.J. 煤炭學報. 2001, 26(1):J. 煤礦開采. 1998(2):J. 礦山壓力與頂板管理.J. 煤炭學報. 1997(2):宋維源，潘一山，蘇榮華，等.沖擊地壓的混沌學模型及預測預報26-30.齊慶新，高作志，王升.層狀煤巖體結構破壞的沖擊礦壓理論14-17.呂家立，齊慶新，劉天泉，等.沖擊地壓的摩擦滑動失穩(wěn)

20、機理1995(Z1):174-177.齊慶新，史元偉，劉天泉.沖擊地壓粘滑失穩(wěn)機理的實驗研究34-38.姜耀東，趙毅鑫，宋彥琦，等.放炮震動誘發(fā)煤礦巷道動力失穩(wěn)機理分析J.巖石力學與工程學報.2005,24(17):3131-3136.陳國祥，竇林名，高明仕，等.動力撓動對回采巷道沖擊危險的數(shù)值模擬J.采礦與安全工程學報.2009,26(2):153-157.彭永偉，齊慶新，汪有剛，等.煤體采動裂隙現(xiàn)場實測及其應用研究J.巖石力學與工程學報.2010,29(z2):4188-4193.姜耀東，趙毅鑫，何滿潮，等.沖擊地壓機制的細觀實驗研究J.巖石力學與工程學報2007,26(5):901-90

21、7.劉京紅，姜耀東，趙毅鑫，等.單軸壓縮條件下巖石破損過程的CT試驗分析J.河北農(nóng)業(yè)大學學報.2008,31(4):112-115.趙毅鑫，姜耀東，張雨.沖擊傾向性與煤體細觀結構特征的相關規(guī)律J.煤炭學報.2007,32(1):64-68.WangXB,PanYS.Effectofconfiningpressureondeformationandfailureofrockathigherstrainrate.JournalofCoalScience&Engineering,2005,11(2):32-36WiejaczP,LigowskiA.Effectsofgeologicalandmini

22、ngstructuresuponmechanismofseismiceventsatWujekcoalmine,Katowice,Poland.GibowiczSI.(ed.),Proc.WongIG.Tectonicstressesinmineseismicity:Aretheysignificant?.YoungRP.(ed.),Proc.3thInt.Sypm.onRockburstsandSeismicityinMines.Rotterdam:BalkeXieH,PariseauWG.FractalCharacterandmechanismofrockburst.Int.J.RockM

23、ech.Min.Sci.,1993,30(2):343-350YavuzH.Anestimationmethodforcoverpressurere-establishmentinstanceandpressuredistributioninthegoafoflongwallcoalmines.InternationalJournalofRoYiX,KaiserPK.Impacttestingforrockboltdesigninrockburstconditions.IntJRockMechMinSciGeomechAbstr,1994,31:671-685YiXP,KaiserPK.Mec

24、hanismsofrockmassfailureandpreventionstrategiesinrockburstconditions.YongRP(ed.),RockburstsandSeismicityinMines.Rotterdam:YorkG,DedeT.Planestrainnumericalmodelingofmininginducedseismicitythroughtheeffectsofminegeometry,backfillanddykematerial,ontabularreefsatgZubelewiczA,MrozZ.NumericalSimulationofR

25、ockburstProcessesTreatedasProblemsofDynamiclnstabilityRockMechanicsandRockEngineering,1983,16:253-274李玉生.沖擊地壓機理及其初步應用J.中國礦業(yè)學院學報.1985(3):42-48.章夢濤，徐曾和，潘一山，等.沖擊地壓和突出的統(tǒng)一失穩(wěn)理論J.煤炭學報.1991(4):48-53.齊慶新，康立軍，毛德兵，等.我國沖擊地壓現(xiàn)狀與研究進展J.采礦工程學新論北京開采所研究生論文集.2005:165-170.潘岳，解金玉，顧善發(fā).非均勻圍壓下礦井斷層沖擊地壓的突變理論分析J.巖石力學與工程學報.2001

26、,20(3):310-314.周曉軍，鮮學福.煤礦沖擊地壓理論與工程應用研究的進展J.重慶大學學報(自然科學版).1998(1):126-132.Cook.AnoteonrockburstsconsideredasaproblemofstabilityJ.J.SouthAfr.Int.Min.andMetallurgy.1965(65):437-446.Wawersik,Fairhurst.AstudyofbrittlerockfractureinlaboratorycompressionexperimentsJ.Int.J.RockMech.Min.Sei.&Geomech.1970,7:5

27、61-575.梁冰，章夢濤.礦震發(fā)生的粘滑失穩(wěn)機理及其數(shù)值模擬J.阜新礦業(yè)學院學報(自然科學版).1997(5):521-524.章夢濤.礦震的粘滑失穩(wěn)理論D.阜新:阜新礦業(yè)學院,1993.RuinaAL.SlipinstabilityandstatevariablefrictionlawsJ.J.Geophys.Res.1983,88:10359-10370.ScottDF,WhiteBC,WilliamsTJ.Hoststructuresforslip-dinducedseismicityattheLuckyFridayMine.YoungRP.(ed.),Proc.3thInt.Sypm

28、.onRockburstsandSeismicityinMines.Rotterdam:Balkema,1993:245-248代高飛，尹光志，皮文麗，等.用滑塊模型對沖擊地壓的研究(I)J.巖土力學.2004,25(8):1263-1266,1282.郭德勇，韓德馨.煤與瓦斯突出粘滑機理研究J.煤炭學報.2003,28(6):598-602.閆永敢，馮國瑞，翟英達，等.煤體粘滑沖擊的發(fā)生條件及動力學分析J.煤炭學報.2010(S1):19-21.康立軍，齊慶新.回采巷道受力狀態(tài)的數(shù)值研究J.煤炭科學技術.1994(5):24-28.齊慶新.回采巷道的周圍條件與受力狀態(tài)分析J.礦山壓力與頂板管

29、理.1994(1):25-28.彭永偉，齊慶新，毛德兵，等.回采過程中煤層沖擊危險性評價方法研究J.煤礦開采.2010,15(1):1-3,7.單曉云，梅海斌，徐東強，等.在構造應力場中采動對底板運輸巷道穩(wěn)定性的影響J.巖石力學與工程學報.2005,24(12):2101-2106.彭蘇萍，孟召平，李玉林.斷層對頂板穩(wěn)定性影響相似模擬試驗研究J.煤田地質(zhì)與勘探.2001,29(3):1-4.劉德乾.深埋煤層采動過程頂板聚壓與煤柱受力的關聯(lián)性及其斷層結構影響D.中國礦業(yè)大學,2009.李志華.采動影響下斷層滑移誘發(fā)煤巖沖擊機理研究D.徐州:中國礦業(yè)大學,2009.左建平，陳忠輝，王懷文，等.深部

30、煤礦采動誘發(fā)斷層活動規(guī)律J.煤炭學報.2009(3):305-309.潘一山，王來貴，章夢濤，等.斷層沖擊地壓發(fā)生的理論與試驗研究J.巖石力學與工程學報.1998(6):642-649.潘一山.沖擊地壓發(fā)生和破壞過程研究D.清華大學,1999.潘一山，章夢濤，王來貴，等.地下硐室?guī)r爆的相似材料模擬試驗研究J.巖土工程學報.1997(4):49-56.吳基文，童宏樹，童世杰，等.斷層帶巖體采動效應的相似材料模擬研究J.巖石力學與工程學報.2007(S2):4170-4175.孟召平，彭蘇萍，黎洪.正斷層附近煤的物理力學性質(zhì)變化及其對礦壓分布的影響J.煤炭學報.2001,26(6):561-566

31、.王來貴，潘一山，梁冰，等.礦井不連續(xù)面沖擊地壓發(fā)生過程分析J.中國礦業(yè).1996(3):61-65.崔永權，馬勝利，劉力強.側向應力擾動對斷層摩擦影響的實驗研究J.地震地質(zhì).2005,27(4):645-652.馬勝利，劉力強，馬瑾，等.均勻和非均勻斷層滑動失穩(wěn)成核過程的實驗研究J.中國科學D輯.2003,33(z1):45-52.馬勝利，陳順云，劉培洵，等.斷層階區(qū)對滑動行為影響的實驗研究J.中國科學(D輯:地球科學).2008(7):842-851.李忠華，潘一山.基于突變模型的斷層沖擊礦壓震級預測J.煤礦開采.2004,9(3):55-57.蔡戴恩.巖石摩擦滑動過程中沿斷層的應變分布J

32、.地震學刊.1986(2):64-68.劉力強，劉培洵，黃凱珠，等.斷層三維擴展過程的實驗研究J.中國科學（D輯:地球科學）.2008（7）:833-841.馬瑾，劉力強，劉培洵，等.斷層失穩(wěn)錯動熱場前兆模式:雁列斷層的實驗研究J.地球物理學報.2007,50（4）:1141-1149.宋衛(wèi)華，張宏偉.斷層滑動準則和穩(wěn)定性評價及構造應力場的反演J.巖石力學與工程學報.2008,27（z2）:3740-3745.研究目標本項目旨在研究采動影響下斷層活化和斷層活化誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的機理。重點揭示煤層開采過程中斷層應力狀態(tài)的演化規(guī)律，分析開采活動導致斷層活化的機理以及斷層滑移瞬態(tài)過程煤體支承壓力的動

33、態(tài)響應；挖掘煤巖組合結構失穩(wěn)滑動的產(chǎn)生條件、特定條件下的滑動類型以及滑動過程的位移演化和聲發(fā)射特征；建立描述斷層失穩(wěn)滑動的數(shù)學模型，推而廣之研究不同開采方式下斷層活化特征；解決受沖擊地壓威脅的礦井的安全開采難題，降低斷層類動力災害隱患煤層的事故率，保障礦井的安全生產(chǎn)。研究內(nèi)容1）采動影響下斷層活化誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)規(guī)律的相似模型實驗研究依托過斷層工作面回采原型并依據(jù)相似理論建立相似材料實驗模型，對工作面分別沿斷層上盤和下盤開采的過程進行模擬；采用動態(tài)電阻應變儀和數(shù)字照相技術，對斷層應力、煤體應力和采場位移的采動效應進行監(jiān)測；觀測斷層活化和工作面煤體沖擊失穩(wěn)的物理過程，獲得采動影響下斷層應力和滑動

34、位移的演化特征以及斷層滑移瞬態(tài)過程中煤體應力的動態(tài)響應規(guī)律，分析斷層活化機理和工作面煤巖沖擊失穩(wěn)機理。2）煤巖結構失穩(wěn)滑動規(guī)律的實驗研究利用雙面剪切實驗模型，運用數(shù)字相機和聲發(fā)射記錄儀搭建聲光監(jiān)測系統(tǒng)，克服以往煤巖摩擦實驗不易進行位移觀測的難題，對多種巖性的煤巖組合結構進行摩擦滑動實驗；實驗模擬斷層的活化錯動和煤巖結構的滑動突出，研究煤巖組合樣本失穩(wěn)滑動的產(chǎn)生條件、特定條件下的滑動類型、位移演化規(guī)律以及滑動過程所伴隨的聲發(fā)射特征；通過實驗數(shù)據(jù)的分析和提煉，得到斷層活化誘發(fā)型沖擊地壓發(fā)生機理。3）斷層巖石滑移變形的理論模型研究根據(jù)煤巖組合結構失穩(wěn)滑動實驗獲得的煤巖變形破壞特征，建立以流變模型組合

35、元件為基礎的描述斷層失穩(wěn)滑動變形特征的力學模型，描述煤巖結構的失穩(wěn)滑動過程；在廣義開爾文體模型的基礎上，通過引入非線性損傷和非線性硬化函數(shù)來實現(xiàn)衰減滑動和加速滑動的模擬，克服廣義開爾文體只能夠模擬穩(wěn)定滑動過程，不能模擬衰減滑動和加速滑動階段的缺陷。4）斷層活化與煤巖沖擊失穩(wěn)規(guī)律的采動效應研究根據(jù)理論研究獲得的斷層巖石滑移變形的數(shù)學模型，建立相應的力學模型和本構關系，將其寫入到數(shù)值計算軟件中，利用新建立的本構模型進行數(shù)值計算；模擬工作面從斷層上盤和下盤向斷層方向逐步回采的過程，研究斷層接觸面上法向應力和剪切應力的時空演化規(guī)律，斷層上下盤的運動規(guī)律和工作面煤體支承壓力分布特征；分析采動影響下斷層的

36、活化規(guī)律、斷層活化導致的工作面礦壓特征和失穩(wěn)規(guī)律以及開采方式對斷層活化規(guī)律的影響。擬解決的關鍵問題1）采動影響下斷層應力狀態(tài)的演化規(guī)律研究采動影響下斷層應力狀態(tài)的演化規(guī)律，同時結合數(shù)值計算研究不同開采方式、不同斷層形式下斷層應力狀態(tài)的采動效應，得到開采擾動引起斷層活化的機理。2）斷層活化誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)機理通過模型實驗研究斷層滑移瞬態(tài)過程中工作面煤體應力的動態(tài)演化規(guī)律，研究斷層滑移與工作面煤體沖擊失穩(wěn)的作用關系，獲得斷層活化與工作面煤體應力狀態(tài)以及工作面煤體沖擊失穩(wěn)間的作用機制。研究方法與技術路線圍繞采動誘發(fā)斷層活化以及斷層活化導致煤層沖擊失穩(wěn)的機理，通過以下幾個方面開展斷層沖擊地壓機理的研究

37、，技術路線如圖2所示。基礎資料搜集、實驗樣品制備圖2技術路線圖首先通過相似模擬實驗，研究煤層開采時斷層滑移面上的正壓力、剪切力的變化規(guī)律，以及工作面煤體對斷層活化過程的響應。實驗考察開采活動造成斷層帶附近應力的變化規(guī)律，分析采動引起斷層活化的原因；同時，在模型實驗中運用動態(tài)應力監(jiān)測斷層滑動的瞬間，工作面支承壓力、斷層帶應力和位移場三者之間的聯(lián)動變化規(guī)律，分析斷層活化時工作面煤體的應力響應和沖擊失穩(wěn)規(guī)律。將相似模型實驗獲得的規(guī)律，轉化為煤巖結構失穩(wěn)滑動實驗的邊界條件，研究不同巖性接觸面的滑動特性，包括煤巖組合樣本失穩(wěn)滑動的產(chǎn)生條件、特定條件下的滑動類型、位移演化規(guī)律以及滑動過程所伴隨的聲發(fā)射特征

38、，得到接觸面失穩(wěn)滑動的判據(jù)，全面認識結構失穩(wěn)型沖擊地壓現(xiàn)象和機理。圍繞煤巖結構失穩(wěn)滑動實驗所得到的煤巖滑動變形規(guī)律，建立描述斷層巖石變形的粘彈性模型，模擬斷層失穩(wěn)滑動過程的變形和應力特征。將模型轉換為數(shù)值計算中的本構關系，開展煤巖結構失穩(wěn)滑動的數(shù)值模擬研究。將斷層面失穩(wěn)滑動的判據(jù)應用到數(shù)值計算中，進行工作面過斷層的數(shù)值模擬，研究不同開采方式、不同工作面條件下的斷層應力和位移演化規(guī)律，以及開采過程中工作面煤壁的響應情況，分析開采引起斷層活化的機理和斷層活化使得工作面煤巖失穩(wěn)的機理。實驗方案斷層活化誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)的相似模型實驗(1)實驗模型實驗采用中國礦業(yè)大學(北京)采礦實驗室的實驗臺，設計實驗

39、幾何相似比100,容重相似比為1.6,時間相似比為10。實驗模型如圖3所示，模擬工作面分別沿斷層上盤和下盤向斷層方向逐步推進的回采過程。圖3實驗模型及應力測點布置實驗重點研究開采活動影響下的斷層活化規(guī)律，選定與開采活動關系密切的巖層作為實驗相關研究對象，根據(jù)實測和現(xiàn)場地質(zhì)資料確定頂、底板各巖層物理力學性質(zhì)參數(shù)。(2)監(jiān)測方法應力測量采用電阻應變式壓力盒，主要布置在開挖一側的煤層底板和斷層帶部位。斷層兩側的壓力盒兩個為一組，可以確定斷層上的正應力和剪應力，壓力盒的布置形式如圖4所示。a)斷層帶應力測點布置b)斷層應力計算模型圖4斷層帶上應力測點布置形式位移場監(jiān)測采用基于工業(yè)相機搭建的數(shù)字散斑觀測

40、系統(tǒng)，首先在實驗模型表面布設散斑測點，通過圖像采集器記錄回采過程模型圖像信息，通過后期的圖像處理，得到不同回采階段采場覆巖的運動規(guī)律。(3)實驗過程及注意事項在計算各分層用料總量的基礎上，按照模型中斷層兩盤比例劃分每分層上、下盤的分別用料量，首先鋪設斷層的下盤，完成后進行斷層面的處理，最后鋪設斷層上盤，模型鋪設過程中根據(jù)預先設定位置埋設應力傳感器。模型實驗要點：材料配比，相似材料的選擇要合適，能達到斷層滑動和煤層沖擊的要求;模型鋪設要分次攤鋪搗實，每次攤鋪的厚度要控制在3cm以下；斷層布設，整個模型的鋪設分2次進行，先分層制作斷層下盤，整個模型的下盤做好后，處理斷層面，做到平整光滑，鋪撒細沙或

41、云母，最后再分層制作斷層上盤；電阻應變式壓力盒靈敏度要高，配套的應變采集系統(tǒng)要能捕捉到斷層滑動瞬間斷層帶和工作面應力的變化；實驗正式開始前，首先調(diào)試各監(jiān)測系統(tǒng)，在開采準備工作一并就緒后，正式進行實驗。每開采一刀煤層，將模型靜置2分鐘，然后進行下一刀的開采，監(jiān)測系統(tǒng)采用實時連續(xù)采集。煤巖結構失穩(wěn)滑動規(guī)律的實驗研究(1)實驗裝置及樣品制備采用雙面剪切摩擦實驗法進行煤巖組合結構的失穩(wěn)滑動實驗，實驗機選用巖石雙軸實驗機，實驗機在豎直方向和水平方向具有獨立油缸和加載機構，能滿足兩個正交方向的獨立加載，實驗樣本選用典型沖擊地壓礦井的煤及頂、底板，樣本尺寸及實驗裝置如圖5所示：a)雙軸加載實驗機b)實驗樣本

42、結構圖5實驗樣本及加載裝置實驗樣品選自典型沖擊地壓礦井忻州窯礦，樣本巖性包括泥巖、粉砂巖、細砂巖、粗砂巖和煤。根據(jù)樣品的單軸試驗強度確定加載范圍，初步確定每種樣品的4個加載等級，每個應力水平進行3次相同實驗。(2)數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)實驗及數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)示意圖如圖6所示。試樣前表面布設散斑測點用于滑動位移場監(jiān)測，試樣后表面布設2個聲發(fā)射探頭，用于收集試樣摩擦滑動過程的聲發(fā)射特征參數(shù)，實驗前對系統(tǒng)進行計時校準，保證各監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時間的嚴格一致。1試12軸向加載端3剪切加載端4聲發(fā)射探頭5圖像采集相機6計算機7光源圖6實驗加載及位移觀測系統(tǒng)示意圖聲發(fā)射儀選用SWAES全波形多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，由傳感器

43、、前置放大器、采集卡、計算機等系統(tǒng)組成。傳感器頻率范圍50400kHz,諧振頻率150kHz,靈敏度峰值-65dB,前置放大器增益40dB,帶寬為10kHz2MHz,采集卡最高采樣頻率為20MHz0（3）實驗過程實驗前，首先對各巖性樣本進行了單軸壓縮實驗，測得其單軸抗壓強度指標。實驗時采用固定軸向荷載，逐步增大側向荷載使試樣組合結構產(chǎn)生滑動摩擦的實驗方案。實驗加載步驟：首先施加軸向應力，緩慢加載至設計值，采用負荷控制模式，使實驗機保持軸向應力設計值不變；然后采用位移控制模式加載剪切應力，觀察實驗中出現(xiàn)的摩擦滑動特征，當樣本組合結構產(chǎn)生破壞、試樣出現(xiàn)多次失穩(wěn)滑動、剪切位移達到實驗機加載行程極限等

44、任一條件達到時即判斷實驗結束。斷層巖石滑移變形的理論模型根據(jù)斷層活化過程的位移錯動規(guī)律，斷層失穩(wěn)滑動過程是由變形積累階段和突然錯動階段構成，變形積累階段的滑動曲線如圖7所示，a）為失穩(wěn)滑動前的變形曲線，b）為斷層滑動變形的簡化模型，斷層的滑動變形特征與煤巖材料的蠕變具有相似性，將斷層滑動過程分為三個階段：I為斷層減速滑動階段，即不穩(wěn)定滑動階段（AB段），II為斷層穩(wěn)態(tài)滑動階段，即穩(wěn)定滑動階段（BC段）；III為加速滑動階段（CE段）。但不能模擬斷層減速滑動階廣義開爾文模型可以模擬穩(wěn)定滑動的變形特征，段和加速滑動階段。1.0a）失穩(wěn)滑動前的變形b）滑動變形的簡化模型圖7滑動變形與時間的關系本項目

45、計劃通過假定巖石加速滑動過程中損傷的演化是應力水平與時間的指數(shù)函數(shù)形式，同時該損傷演化方程可以作為一個非線性硬化函數(shù)去模擬巖石滑動的衰減階段；將非線性硬化函數(shù)引入到廣義Kelvin模型中，同時在加速滑動階段又考慮非線性損傷，使得改進后的廣義Kelvin模型模擬巖石滑動的全程曲線，對于斷層失穩(wěn)滑動特征，在模型中增加一摩擦元件，用它來模擬斷層活化的突然滑動現(xiàn)象。斷層活化與煤巖沖擊失穩(wěn)規(guī)律采動效應的數(shù)值模擬（1）數(shù)值計算模型將斷層面失穩(wěn)滑動的判據(jù)應用到數(shù)值計算中，進行工作面過斷層的數(shù)值模擬，研究不同開采方式、不同工作面條件下的斷層應力和位移演化規(guī)律，以及開采過程中工作面煤壁的響應情況，分析開采引起斷

46、層活化的機理和斷層活化使得工作面煤巖失穩(wěn)的機理。彈簧滑塊模型（如圖8所示）物理意義明確，能夠模擬接近實際的物理摩擦特點，建立斷層的彈簧滑塊模型，在斷層上下盤間設置斷層弱化帶，并賦予其彈簧滑塊模型屬性。a）彈簧滑塊模型b）數(shù)值計算模型圖8數(shù)值計算模型（2）數(shù)值計算方案結合物理模擬實驗，建立與之相似的數(shù)值計算模型，圍繞斷層沖擊地壓的個基本問題：開采引起斷層活化及斷層活化導致煤巖沖擊失穩(wěn)，開展工作面過斷層前后斷層活化規(guī)律的數(shù)值計算研究，重點考察以下幾個方面的內(nèi)容：（1）斷層帶應力規(guī)律，包括斷層帶上的應力值、主應力方向、正應力、剪應力、摩擦力、有效應力及剩余抗剪強度等應力參數(shù)，還包括應變能密度等派生參

47、數(shù)，斷層面上的能量分布。（2）斷層帶滑移規(guī)律，包括斷層帶上測點的滑動位移，滑動速度；（3）工作面超前支承壓力影響范圍、應力峰值，煤體彈性能積聚與釋放特征；（4）回采過程中頂板的運動規(guī)律，包括頂板位移量，移動速度；（5）工作面煤體向外擴張量，向鄰空側的位移速度?？尚行苑治鲅芯克悸返目尚行裕横槍鄬踊罨T發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)機理以及相應的防治手段研究所涉及的核心科學問題，圍繞采動影響下的斷層活化規(guī)律、斷層活化誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)機理、以及煤巖接觸面結構失穩(wěn)判據(jù)等三個關鍵科學問題，運用煤巖學、工程地質(zhì)學、巖石力學等多學科及其交叉前沿理論，建立采動影響下斷層活化進而誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)機理的理論體系，促進斷層沖擊地

48、壓機理研究和防治手段優(yōu)化、減少斷層類動力災害損失等工程技術手段的科學應用和技術完善。項目研究思路清晰，目標明確，研究內(nèi)容具體，重點突出，可操作性強。研究方法的可行性：本申請課題采用理論建模、數(shù)值模擬、實驗研究和工程分析相結合的研究方法，形成采動影響與斷層活化規(guī)律、斷層活化與煤巖沖擊失穩(wěn)之間的作用機制的相關研究體系。采用數(shù)字散斑、動態(tài)應變測試、FLAC二次開發(fā)等先進原理和實驗手段，以及多學科交叉與融合方法，進行采動影響下斷層活化并誘發(fā)煤巖沖擊失穩(wěn)及相應模型構建的應用基礎研究，具有可行性。實驗條件的可行性：申請人所在單位擁有煤炭資源與安全開采國家重點實驗室、深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室、北

49、京市巖石混凝土破壞力學重點實驗室，擁有國際一流的研究設備和手段，為本項目取得突破性進展提供了實驗基礎。研究基礎的可行性：申請人長期從事煤礦工程災害的地質(zhì)構造條件、煤巖體力學特性、致災機理等方面的基礎理論與工程應用研究。申請人主持的中央高校基本科研業(yè)務費資助項目“褶皺構造對沖擊地壓的作用機制及特征”完成了構造條件下煤層開采沖擊失穩(wěn)機理研究的實驗臺設計及基于數(shù)字散斑相關方法的觀測平臺的搭建，為本申請課題研究奠定了基礎。研究計劃及預期進展研究計劃2013年03月2013年04月：1）進一步收集、整理資料，完善并細化研究方案；2）現(xiàn)場調(diào)研并歸納總結構造條件下的沖擊地壓發(fā)生特征；3）制備實驗樣本，配制實

50、驗材料；4）調(diào)試模型試驗臺，優(yōu)化數(shù)字散斑、動態(tài)應變測試系統(tǒng)；2013年05月2013年07月：1）依托過斷層工作面回采原型并依據(jù)相似理論建立相似材料實驗模型，對工作面沿斷層上盤開采過程進行模擬；2）觀測斷層活化和工作面煤體沖擊失穩(wěn)的物理過程，獲得采動影響下斷層應力和滑動位移的演化特征以及斷層滑移瞬態(tài)過程中煤體應力的動態(tài)響應規(guī)律；3）分析斷層活化機理和工作面煤巖沖擊失穩(wěn)機理；2013年08月2013年11月：1）利用雙面剪切實驗模型，運用數(shù)字相機和聲發(fā)射記錄儀搭建聲光監(jiān)測系統(tǒng)，對多種巖性的煤巖組合結構進行摩擦滑動實驗；2）分析煤巖組合樣本失穩(wěn)滑動的產(chǎn)生條件、特定條件下的滑動類型、位移演化規(guī)律以及滑動過程所伴隨的聲發(fā)射特征；3）通過實驗數(shù)據(jù)的