断层带活化与冲击地压Word下载.docx

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2011年千秋煤矿掘进巷道发生了“11.3”特大冲击地压事故，巷道发生严重的挤压垮冒，将正在该巷作业的矿工封堵或掩埋其中，最终仍造成10人遇难，64人受伤，近400m巷道严重损毁，而贯穿整个矿区的F16逆冲断层以及工作面的数个小断层是引发此次冲击地压的重要地质构造因素，事故调查组认定事故直接原因为开采活动导致上覆砾岩层诱发下伏F16逆断层活化引发[5]。

因此，由断层活化诱发冲击地压问题的研究是十分必要和迫切的。

地质构造的形成过程存在着复杂的应力场演化，复杂的构造应力状态增加了断层相关问题研究的难度，对于断层方面的研究，地震学家们对各种形式的断层模型做了相关研究，也取得了一系列研究成果，但这些仅限于断层在地震学上的意义，并不涉及开采扰动或采场覆岩运动等对断层结构的影响以及开采扰动、断层活化、工作面冲击这三者之间的作用联系，对断层冲击地压发生机理的认识不足。

鉴于此，本研究着眼于开采扰动、断层活化、煤岩冲击失稳这三个看似独立实际却存在联系的过程，通过相似模型实验、煤岩组合结构实验等手段，研究开采扰动引起断层活化进而诱发冲击地压的过程，旨在揭示采动影响下断层活化的机理以及断层活化与煤岩冲击失稳之间的作用联系，研究成果服务于诸如义马矿区这类断层控制下的冲击地压的防范和治理。

3.2国内外研究现状

3.2.1冲击地压机理研究

关于冲击地压机理方面的研究大致可以分为四类：

一是从研究煤岩体材料的物理力学性质出发，分析煤岩体失稳破坏特点以及诱使其失稳的条件，同时利用混沌、分叉等非线性理论来研究冲击失稳过程[6-7]；

二是从研究动力失稳区域所处的地质构造以及煤岩结构出发，分析地质弱面和煤岩体结构形式与煤岩冲击失稳之间的相互关系[8-10]；

三是工程扰动以及采动影响与冲击地压之间的关系研究[11-13]；

四是研究煤体细观结构参数及有机组分分布等因素与煤体冲击倾向性的内在关系[14-16]。

（1）传统的冲击地压理论

冲击地压发生机理方面的理论研究方面，国内外学者提出了一系列重要理论[17-25]，早期具有代表性的有强度理论、能量理论、刚度理论和冲击倾向性理论等，后有学者在上述理论的基础上发展和完善，主要有“三准则”理论、变形系统失衡理论、“三因素”理论、突变理论、分形理论等[26-31]。

强度理论认为冲击地压的发生与否取决于煤岩体应力和其强度的大小关系，当煤体应力大于其极限强度时，煤岩体破坏，从而发生了冲击地压。

强度理论能较好地解释冲击地压多发生在应力集中地方的现象，但也存在一定的局限性，因为并不是当煤岩体应力大于强度时就一定会发生冲击地压，说明强度理论对于冲击地压发生条件的判据不够充分。

刚度理论[32]将受压煤体和围岩视作一个受载系统，当受载结构的刚度大于围岩加载系统的刚度时才可能发生冲击地压。

刚度理论没有考虑引起冲击地压发生的外部因素，只是给出了冲击地压发生的必要条件，而非充分条件。

能量理论是根据冲击地压发生时的现象提出的，冲击地压发生时产生震动、破坏和煤岩体的抛出等现象，其实质都是能量释放的表现形式，据此提出围岩系统破坏时，释放的能量大于消耗的能量，多余的能量转化成煤岩体的动能和矿体的震动，这就是冲击地压的能量理论，局限性体现在没有给出打破能量平衡的条件，特别是围岩能量的释放条件。

冲击倾向性理论认为煤岩力学性质存在一个临界值，只有超过此临界值时才具有冲击危险，即具有冲击倾向性，该理论给出了发生冲击地压的煤岩力学属性条件，但未考虑冲击地压发生的外在因素，即触发冲击地压的外部条件。

（2）断层冲击地压的黏滑失稳理论

由冲击地压发生的统计规律可知，冲击地压常发生在断层带附近、褶皱构造区、煤层倾角变化带等区域，冲击地压的发生与这类区域的煤岩结构具有密切关系，这些区域通常存在大量层状结构，煤层受压产生的剪胀作用使得煤体内产生较大的拉应力，当开采引起的扰动作用于受准静载作用的煤体时，煤岩与上下层岩体之间产生相对滑动，煤岩呈块状或整体状突出，这就是煤岩结构因失稳滑动而发生的冲击地压。

在冲击地压问题尤其是断层活化诱发冲击地压发生机理问题的研究中，有学者引入了粘滑失稳理论[33,34]，认为此类冲击地压是由于扰动作用使得不连续面间的粘滑摩擦转变为滑动摩擦从而发生动力失稳的现象。

图1断层诱发冲击地压示意图

摩擦现象存在着稳定滑动和非稳定滑动两种不同的滑动类型，也称为稳滑和黏滑，稳滑是在滑动过程中接触面剪应力基本稳定，没有剧烈变化，而黏滑与之相反，剪应力在滑动过程中迅速增大或减小，滑动速度时大时小甚至停-滑间断进行。

断层诱发型冲击地压问题的实质是煤岩结构失稳问题，煤岩结构失稳滑动的表现形式和破坏特征与黏滑现象极为相似，表现为煤层沿顶底板的瞬时突出，而顶底板不垮落或破坏。

煤岩体是一种非均质、各向异性的非线性材料，存在层理、节理、片理、断裂等不连续地质界面，将煤岩体分割成众多的结构块体，地质界面与结构块体共同构成了煤岩结构体，在煤岩破坏的现场调查中证实，煤岩体的主要破坏形式是结构块体沿结构面的剪切滑动破坏。

对于引入粘滑理论的煤岩动力失稳机理的研究，学者们表现出了浓厚的研究兴趣[35-39]。

图1为断层活化诱发（结构失稳型）冲击地压的黏滑失稳机理示意图。

3.2.2采动影响下的断层活化规律

关于冲击地压采动效应方面的研究，陈国祥等[12]研究了扰动在不同加载水平及频率影响下，巷道帮部围岩的应力和塑性区的动态响应，分析了巷道内帮易发生冲击地压的现象。

康立军，齐庆新[40-43]等针对回采巷道受力状态，在围岩稳定性等方面进行了相关研究。

姜耀东等[11]分析了炮采震动诱发冲击地压的根本原因，认为震动波使围岩内产生裂纹并促使煤层和顶底板间摩擦滑动。

相似模型实验研究方面，彭苏萍[44]通过两组不开采方式下的高角度断层模型分析了顶板岩体的变形和矿压分布规律，观察到了采动影响下的断层活化以及活化引起的断层岩体破裂、煤体支承压力增大等现象。

刘德乾[45]利用离心模型实验法，针对煤岩体的应力和变形特征进行了实验研究，通过研究开采过程中煤柱和顶底板应力的传递规律以及构造因素产生的影响，认为断层结构面的存在改变了顶板变形和受力的连续性，断层两侧顶板的受力状态明显不同，并沿结构面形成应力集中带。

李志华[46]对济三矿进行了采动诱发冲击地压的物理模拟实验，对工作面沿断层上盘和下盘开采情况分别作了模拟，分析了超前支承压力、顶板下沉量等因素，并采用了微震监测断层滑移过程的震动信号。

左建平[47]通过二维相似模拟实验，研究了采动影响下断层活动的位移规律，证实了采动引起断层活化的现象，采空区距离断层15~40m时断层开始活化，并用数字散斑相关方法尝试了位移场分析。

潘一山[48-50]利用断层冲击地压模拟实验装置，和配制的松脂相似模拟材料，针对开采对冲击地压的影响，从正压力降低和剪应力增加的角度，进行了两种情况下的模拟实验，证明了开采引起断层冲击地压的可能性。

孟召平等[52]通过对正断层附近煤岩细观结构、力学性质的实验，研究了正断层对煤的物理力学性质的影响，发现断层带附近煤岩体破碎，距离断层越近煤岩体中的裂隙发育程度越强，力学强度指标越低。

王来贵等[53]用岩体的振动和断层的刚体错动来描述断层冲击地压的发生过程，认为断层冲击地压是沿某个强度相对最弱面上发生，是沿断层刚体滑动和振动的组合运动。

对于断层方面的研究，地震学家们对各种形式的断层模型，诸如平直断层、拐折断层、雁列断层以及其他断层组合形式都做了相关研究，取得了一系列成果，但这些仅限于断层结构在地震学上的意义，并不涉及开采扰动或采场覆岩运动等对断层结构的影响。

近些年有学者开始关注这一问题，并对采动影响与断层活动之间的关系做了一些研究工作，但对于开采扰动是如何引起断层活化这一问题仍然没有给出很好的解释，对于采场覆岩运动与断层应力场演化的研究不够系统和深入；

缺乏对开采活动引起断层带上法向应力、切向应力状态变化的具体分析，对开采活动是如何引起断层活化，断层活化又如何影响工作面煤体应力状态的作用机制不清。

3.2.3断层活化过程的研究

关于断层活化错动的摩擦实验研究方面，针对断层上正应力的变化对断层的失稳滑动存在较大影响，有学者研究了断层正应力扰动时断层的黏滑规律。

崔永权等[54]通过对45°

预切面花岗岩标本的摩擦实验，发现正应力恒定条件下，黏滑间隔随正应力增加而增加，应力降与正应力呈正比关系，当正应力存在正弦波形式的扰动时，正应力对断层黏滑的影响显著，应力降大小和粘滑间隔的离散度明显提高。

马胜利等[55]基于均匀和非均匀断层的摩擦滑动实验，分析了黏滑失稳的成核过程，认为断层上的弱化段加剧了黏滑成核过程的滑动弱化现象；

断层闭锁期，剪应力的增加引起横向弹性膨胀，失稳滑动时弹性膨胀的回跳引起断层面上正应力的增加，从而改变了滑动面的应力状态，断层重新闭锁；

同时研究了走滑断层断层带的断层阶区对断层滑动行为的影响[56]，研究表明阶区的微破裂对断层滑动失稳具有指示作用。

李忠华[57]应用突变理论对围岩-断层模型进行分析，给出了断层冲击地压震级与断层厚度、断层软化指数、剪切模量的定性关系。

蔡戴恩[58]用双面剪切法研究了断层带上应变分布的空间规律，得到震源可能原地重复，也可能沿断层带迁移的结论。

刘力强等[59]基于双向摩擦法并利用数字散斑测量技术、应变观测和声发射定位技术研究了断层三维扩展过程，并将断层裂纹的扩展过程可分为3个基本阶段，论文提供了一种监测断层活动规律的思路。

宋义敏等[2]采用双轴加载方式对花岗岩进行双向摩擦实验，并采用高速相机对断层失稳瞬态过程进行记录，观测了断层位移演化的时空特征，以此分析了断层冲击地压的发生规律。

马瑾等[60]用红外热像仪和测温仪观测了雁列断层失稳错动前后的温度和热辐射亮温的变化，发现断层失稳前热场存在先降后升的变化模式。

宋卫华等[61]通过小型双剪摩擦实验确定砂岩的滑动准则，并用有限元发模拟了断层影响下的构造应力场，认为构造应力是矿区地震的主要成因，主断裂对其他次级断裂及构造应力区起主导和控制作用，是冲击地压等动力现象的重要动力来源。

矿山开采中，开采引起断层两盘的相对运动，工作面煤体和顶底板间的相对运动，也都存在着摩擦滑动现象，断层活化诱发型冲击地压是由于扰动作用使得不连续面间的粘滑摩擦转变为滑动摩擦从而发生动力失稳的现象。

对于引入粘滑理论的煤岩动力失稳机理的研究学者们虽表现出了浓厚的研究兴趣，并进行了煤岩试样的摩擦滑动实验，从加载过程的应力演化角度分析了煤岩失稳滑动规律，受实验条件的限制，所能施加的监测手段相对有限，对于失稳滑动前、后试样变形特征和结构面错动位移规律并未涉及，煤层及相关岩石摩擦问题的深入研究对于分析结构失稳型冲击地压机理具有重要意义。

3.3项目的创新之处

3.3.1手段与方法的创新

1）断层活化诱发煤岩冲击失稳的相似模型实验

设计过断层工作面回采的相似模型实验，采用数字散斑相关方法监测位移场，应用动态应变测量技术监测断层活化瞬间煤岩应力的响应规律，从而得到采场覆岩运动规律、回采过程断层应力演化以及煤岩冲击失稳时的应力演化特征。

2）煤岩组合结构失稳滑动实验

设计煤岩组合结构的双面剪切摩擦实验，模拟断层活化和煤岩冲击失稳过程，采用数字散斑相关方法分析失稳滑动过程位移演化规律，克服了以往煤岩摩擦