煤層采動條件下斷層活化研究的現(xiàn)狀分析及展望

田雨桐，張平松，吳榮新，劉 暢

煤層采動條件下斷層活化研究的現(xiàn)狀分析及展望

田雨桐1,2，張平松1,2，吳榮新1,2，劉 暢2

(1. 安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗室，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

采動條件下斷層活化易于誘發(fā)沖擊地壓、底板突水等動力地質(zhì)災(zāi)害，如何對采場斷層活化引起的一系列動力地質(zhì)災(zāi)害開展超前防治預(yù)警，一直是煤礦安全開采面臨的科學(xué)技術(shù)難題。從數(shù)值模擬、相似物理模擬及現(xiàn)場測試三個方面，概述國內(nèi)外采場斷層活化方面的研究現(xiàn)狀；圍繞斷層活化的監(jiān)測預(yù)警方法，包括微震監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、視電阻率監(jiān)測技術(shù)、光纖監(jiān)測技術(shù)、注水試驗等，從方法原理、研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)等方面對現(xiàn)有的主要測試與評價方法進(jìn)行了總結(jié)；結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)斷層復(fù)雜區(qū)的煤炭資源開采，重點(diǎn)分析斷層活化誘發(fā)的幾類典型動力地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)制及其內(nèi)在聯(lián)系；當(dāng)前，對于采動誘發(fā)下的斷層活化多維多尺度全程精細(xì)化監(jiān)測技術(shù)等研究工作仍然不足，基于煤礦開采精準(zhǔn)化、智能化需求，指出斷層復(fù)雜區(qū)煤層開采研究應(yīng)向多場耦合、精細(xì)化模型構(gòu)建、多手段綜合探查、智能預(yù)警等方向發(fā)展。認(rèn)為通過進(jìn)一步開展斷層活化的基礎(chǔ)理論、精細(xì)化模擬、多維多場多尺度監(jiān)測預(yù)警的技術(shù)系統(tǒng)研究，可為煤礦智能化引領(lǐng)下的礦井地質(zhì)保障工作提供堅實(shí)基礎(chǔ)。

斷層弱面；采動條件；斷層活化；巖層監(jiān)測技術(shù)；深部開采

由于對煤礦地下采場地質(zhì)條件認(rèn)知不清，煤層采動過程中因特殊地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致的事故時有發(fā)生[1-2]。斷層作為煤礦生產(chǎn)中常見的地質(zhì)構(gòu)造類型之一，其存在造成了煤、巖層結(jié)構(gòu)的不連續(xù)及應(yīng)力、應(yīng)變、含水率等變化的不連續(xù)，受采動影響采場原有應(yīng)力應(yīng)變、溫度、裂隙發(fā)育和地下水分布等發(fā)生改變，斷層上盤和下盤沿斷層面發(fā)生相對滑移，從而引起斷層活化現(xiàn)象[3-4]。斷層活化伴隨著斷層帶附近形成端部應(yīng)力集中區(qū)，與煤層開采后支承壓力疊加，在上下盤之間形成應(yīng)力差、位移差，隨著次生裂隙產(chǎn)生，斷層面、破碎帶發(fā)生滑動，嚴(yán)重威脅礦井安全。

斷層活化常引起地質(zhì)斷裂帶區(qū)域發(fā)生礦井突水、沖擊地壓、頂板冒落、煤與瓦斯突出等礦山動力地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計：約80%的煤與瓦斯突出和礦井突水事故與斷層活化有關(guān)[5]。近年來，斷層活化誘導(dǎo)的礦井動力災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。根據(jù)國家煤礦安全網(wǎng)公布的煤礦事故分析報告得到以下事例：如，2019年6月9日，吉林龍家堡煤礦因采動放頂煤誘發(fā)斷層活化，導(dǎo)致較大沖擊地壓事故，造成9人死亡，12人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1 906.06萬元[6]；2019年10月25日，山西西故縣煤業(yè)某工作面因斷層破碎帶在采空區(qū)水壓力下松動垮塌，導(dǎo)致采空區(qū)水淹井事故[7]；同年10月26日，四川省石屏一礦某綜采工作面受斷層影響，導(dǎo)致較大頂板事故，造成6人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失721萬元[8]。此外，斷層活化造成采場上方巖土層變形加大，引起地表下沉、塌陷等現(xiàn)象，對地面建筑物、農(nóng)田也造成了極大威脅[9]。這些災(zāi)害發(fā)生的根本原因是煤層開采破壞了斷層附近巖體的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，因開采擾動引發(fā)的煤巖體失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)制在斷層復(fù)雜區(qū)尚未清晰。因此，探索煤層采動引起的斷層活化演化規(guī)律，對斷層型動力地質(zhì)災(zāi)害的防治尤為重要。

隨著開采深度的增加，斷層活化帶來的圍巖巖體應(yīng)力環(huán)境變化，對具有高地應(yīng)力、高滲透壓力、高地溫特點(diǎn)的深部礦區(qū)開采是一項嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[10]。采動作用與斷層活化的研究已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題?；诖耍髡吒攀隽藝鴥?nèi)外有關(guān)煤層采動條件下斷層活化特征及研究方法現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有的主要原位測試與評價方法，分析當(dāng)前斷層活化研究方面存在的不足，結(jié)合煤礦智能化發(fā)展的大背景，指出斷層復(fù)雜區(qū)煤層開采研究應(yīng)向多場耦合、精細(xì)化模型構(gòu)建、多手段綜合探查、智能預(yù)警等方向發(fā)展。通過進(jìn)一步開展采動誘發(fā)斷層活化相關(guān)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究，可為煤礦智能化引領(lǐng)下的礦井地質(zhì)保障工作提供堅實(shí)基礎(chǔ)。

1 采動區(qū)域斷層的變化特征

采動條件下斷層活化特征的研究，主要集中在斷層失穩(wěn)機(jī)理、斷層擾動力學(xué)變化特征、斷層活化致災(zāi)響應(yīng)特征等方面。

國外學(xué)者從斷層本身性質(zhì)、致災(zāi)機(jī)理、影響因素等角度出發(fā)，分析工作面采動時斷層區(qū)活化特征。W. F. Brace[11]通過對比斷層引發(fā)的突發(fā)地震現(xiàn)象和巖石摩擦滑動具備的黏滑特征，試圖將這種黏滑特征應(yīng)用到淺源地震的研究中，其工作是“斷層黏滑失穩(wěn)理論”的開端；W. R. Bailey等[12]從斷層本身的性質(zhì)出發(fā)，分析了英國煤田中斷層的活化機(jī)制；通過分析外部影響因素的變化，L. J. Donnelly等[13]分析了英國煤礦區(qū)長壁采動斷層活化與延遲沉陷地面運(yùn)動的關(guān)系，認(rèn)為此類斷層活化主要與地下水流動和礦井水回彈有關(guān)；J. Sjéberg等[14]分析了不同開采順序?qū)鄬踊瑒雍徒鼣鄬訋r體力學(xué)性質(zhì)的影響；A. Sainoki等[15]給出了斷層滑動的三種機(jī)制，認(rèn)為由“粗糙剪切機(jī)制”引發(fā)的斷層活化范圍，要大于“采場開采機(jī)制”引發(fā)的斷層活化范圍。

從20世紀(jì)60年代開始，我國學(xué)者嘗試運(yùn)用不同的學(xué)術(shù)理論對斷層活化運(yùn)動過程進(jìn)行研究。為探討不同情況下斷層的運(yùn)動機(jī)制，施澤進(jìn)等[16]將突變理論和尖點(diǎn)突變模型初步應(yīng)用到斷層活動機(jī)制的分析中；于廣明等[17]基于“分形理論”，總結(jié)出采動巖體受分形斷層面影響的沉陷特征；林遠(yuǎn)東等[18]基于“梯度塑性理論”，建立連續(xù)介質(zhì)應(yīng)變梯度模型以分析斷層帶變形破壞機(jī)制，提出“剪切帶—帶外彈性巖石系統(tǒng)”作為斷層活化的判據(jù)；張文忠[19]在“礦山壓力與巖層控制理論”的基礎(chǔ)上，建立了開采擾動條件下底板隱伏斷層突水的力學(xué)表達(dá)公式，為底板隱伏斷層突水的防治提供科學(xué)指導(dǎo)；王學(xué)濱等[20]采用“剪切應(yīng)變梯度塑性理論”和能量準(zhǔn)則研究斷層巖爆失穩(wěn)現(xiàn)象，得到了斷層帶-圍巖系統(tǒng)的失穩(wěn)判據(jù)，指出采動引起的斷層突變剪切失穩(wěn)是造成斷層沖擊地壓的根本原因。

煤層采動導(dǎo)致周圍煤巖體應(yīng)力重新分布，通過構(gòu)建力學(xué)解析模型可對斷層面穩(wěn)定性進(jìn)行分析。夏永學(xué)等[21]采用Anderson斷層模型，把應(yīng)力積累觀點(diǎn)應(yīng)用于斷層活化的地應(yīng)力判別基準(zhǔn)，指出開采區(qū)域發(fā)生斷層沖擊地壓的可能性與地應(yīng)力類型、采深和斷層摩擦因數(shù)有關(guān)；郭壽松[22]通過建立含斷層的煤層開采力學(xué)模型，將動壓條件下對斷層弱面造成的影響按距離分為近場擾動效應(yīng)與遠(yuǎn)場擾動效應(yīng)；于秋鴿等[23]分析了斷層帶滑移力學(xué)模型中不同影響因素下斷層活化的可能性，研究了采動過程中斷層面的應(yīng)力變化和斷層滑移趨勢，認(rèn)為斷層帶巖體的應(yīng)力變化是斷層滑移的主要影響因素；蔡武等[24]從斷層型沖擊礦壓的力學(xué)機(jī)制和誘發(fā)機(jī)理出發(fā)，將煤層采動引起斷層活化類型歸納為采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化(圖1b、圖1c)和礦震動載主導(dǎo)型斷層活化(圖1d)，圖1a為斷層煤柱與采動應(yīng)力距離較遠(yuǎn)互不干擾模型，提出了斷層沖擊礦壓是由斷層煤柱中高靜載與斷層活化產(chǎn)生的動載疊加而引發(fā)的，為斷層沖擊礦壓的防治提供了新思路。

圖1 煤層采動作用下的斷層活化概念模型[24]

根據(jù)采場斷層附近的巖體響應(yīng)特征，開采擾動改變了斷層周圍巖體原有應(yīng)力的大小和分布，而斷層的存在直接影響著煤巖層的應(yīng)力和能量分布[25]。不同開采方式、不同開采位置等外在開采條件對斷層的擾動效應(yīng)各異，斷層本身的幾何狀態(tài)、位置、巖體特征也影響著斷層及開采工作面的穩(wěn)定。

斷層活化理論及力學(xué)模型研究的優(yōu)勢在于可以脫離復(fù)雜的斷層賦存地質(zhì)條件和井下儀器設(shè)備的限制，但針對實(shí)際發(fā)生的工程災(zāi)害，僅單一的方法難以對復(fù)雜斷層活化機(jī)制進(jìn)行全面的認(rèn)識，需結(jié)合數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗和現(xiàn)場實(shí)測等方法，多角度綜合分析，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 斷層活化程度的研究方法

煤礦采動條件下斷層活化受區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造、水文條件、近斷層巖體巖性等多種因素綜合影響，目前對斷層活化程度的研究方法包括3個方面：數(shù)值模擬、相似物理模擬和現(xiàn)場測試。具體分述如下。

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)通過建立數(shù)學(xué)模型，在一定程度上對模型進(jìn)行預(yù)測和判別。建立賦存斷層的煤層開采數(shù)值模型，通過計算開采過程中相關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變、能量等變化量，定量分析開采擾動對斷層的影響。其中有限差分法、邊界元法和離散元法等數(shù)學(xué)計算方法應(yīng)用最為廣泛。

WANG Hongwei等[26]利用FLAC3D模擬不同水平應(yīng)力下斷層的滑移，分析斷層滑移過程中斷層表面的應(yīng)力分布及動態(tài)能量演化，提出水平應(yīng)力是煤層開采誘發(fā)斷層滑動的主要驅(qū)動力；朱廣安等[27]通過建立三維數(shù)值模型(圖2a)，計算比較了不同采深、斷層摩擦角、斷層位置以及回采方式對斷層滑移量的影響，圖2b為斷層最大剪切位移量與采深和斷層摩擦角線性關(guān)系；蔣金泉等[28]模擬比較了上下盤工作面分別向逆斷層推進(jìn)的過程，結(jié)果表明：與上盤工作面相比，下盤工作面的采動應(yīng)力受工作面與斷層距離的影響較大，其直接頂斷層帶更易活化；文獻(xiàn)[29-31]通過FLAC3D軟件研究了斷層落差、推進(jìn)方向、斷層與工作面距離對斷層及附近巖體的采動應(yīng)力變化及斷層滑移危險性的影響規(guī)律，模擬表明當(dāng)工作面距離斷層小于30 m時，斷層易活化。

圖2 數(shù)值模型及計算結(jié)果[27]

Ji H. G.等[32]圍繞離散元模擬分析斷層附近應(yīng)力的變化特征，把庫侖破裂應(yīng)力增量作為反映開采對斷層應(yīng)力環(huán)境的擾動綜合力學(xué)參數(shù)；張玉東等[33]應(yīng)用離散元軟件UDEC模擬3種斷層活化的導(dǎo)升帶地應(yīng)力變化，基于彈性力學(xué)理論和裂隙介質(zhì)水動力學(xué)，討論了不導(dǎo)水?dāng)鄬釉诓蓜訔l件下發(fā)生活化導(dǎo)水的條件；曹明輝等[34]通過模擬逆斷層下盤開采，提出在開采過程中，隨斷層煤柱寬度的減小，煤柱支承壓力峰值、彈性應(yīng)變能不斷增大，斷層發(fā)生活化的同時可能伴隨沖擊地壓災(zāi)害的危險。

但實(shí)際的斷層賦存環(huán)境和煤層開采地質(zhì)條件是極為復(fù)雜的，受模型類型、邊界條件確立和多場耦合等因素的制約，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)情況一致的模擬有一定的困難。

2.2 相似物理模擬

相似物理模擬試驗是通過布設(shè)相應(yīng)傳感器、監(jiān)測點(diǎn)等，獲取模型中煤層開采時斷層區(qū)域應(yīng)力場、應(yīng)變場、位移場以及能量場的變化量，分析采動作用下斷層活化機(jī)理、主控因素影響機(jī)制以及煤巖體應(yīng)力狀態(tài)的演化規(guī)律[35-36]。彭蘇萍等[37]運(yùn)用相似模擬試驗方法分析采動影響下斷層帶及周圍巖體變形破裂特征，得到斷層影響巖體內(nèi)支承壓力的大小；師本強(qiáng)等[38]從力學(xué)角度對斷層活化導(dǎo)水開展研究，分析間隔式開采工藝下工作面推進(jìn)距離的安全、合理范圍，研究表明斷層活化程度與斷層傾角呈正相關(guān)；李志華等[39]對斷層滑移失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬，在工作面與斷層距離不斷減小時，斷層面的正應(yīng)力下降、剪應(yīng)力上升，斷層活化過程中斷層滑移量大幅度增加；王濤等[40]通過設(shè)計過斷層的工作面相似模型(圖3)，從監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力、位移等角度分析采動時的斷層巖體響應(yīng)特征，表明最先出現(xiàn)破壞和滑移的是高應(yīng)力區(qū)，且斷層面上的滑移具有非均勻性。

圖3 相似模擬實(shí)驗?zāi)Ｐ图皯?yīng)力測點(diǎn)布置[40]

相似物理模擬試驗研究在一定程度上反映了采動作用下斷層活化的巖體應(yīng)力、形變、破壞規(guī)律，具備著試驗周期短、效果直觀、受環(huán)境條件影響小等優(yōu)點(diǎn)。但受模型尺寸、材料配比等因素的制約，相似指標(biāo)難以完全滿足，易引起結(jié)果的偏差。

2.3 現(xiàn)場測試

為探索在礦山開采活動影響下斷層的活化特征及規(guī)律，我國應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)場測試方法主要包括：微震監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、視電阻率監(jiān)測、光纖監(jiān)測技術(shù)以及注水試驗等。

2.3.1 微震監(jiān)測技術(shù)

微震監(jiān)測技術(shù)通過實(shí)時接收巖體向外釋放的彈性波信號，分析巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展、損傷和應(yīng)力變化趨勢，監(jiān)測開采過程中的巖體力學(xué)響應(yīng)特征[41]。郭曉強(qiáng)等[42]通過分析采動影響下斷層活化的微震活動規(guī)律，得到了各個階段的振動能量及圍巖破壞情況；朱斯陶等[43]根據(jù)工作面過斷層期間微震事件的平面投影圖及特征曲線，將斷層活化過程分為應(yīng)力顯現(xiàn)階段、蓄能階段和結(jié)構(gòu)活化階段３個階段(圖4)。

圖4 工作面過斷層期間微震事件特征曲線[43]

微震監(jiān)測結(jié)果精度較高，可以較準(zhǔn)確獲得斷層活化的滑移范圍、運(yùn)動趨勢、斷層的應(yīng)力變化等。但微震監(jiān)測技術(shù)受地形、外界環(huán)境等干擾因素較多，通過精準(zhǔn)拾取微地震源信號、優(yōu)化拾取信號的反演算法等，可提高微震監(jiān)測技術(shù)在采場斷層活化監(jiān)測上的測試精度。

2.3.2 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)是通過接收被測物體的聲發(fā)射信號來判斷其結(jié)構(gòu)完整性的檢測方法，具有實(shí)時、連續(xù)、無損監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。趙毅鑫等[44]采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測雙軸等壓加載條件下逆斷層下盤煤層開挖過程，分析組合巖石結(jié)構(gòu)試樣內(nèi)聲發(fā)射事件能量和空間分布特征，表明沿斷層面的煤層頂板巖層先于底板巖層受到采動影響；王宏偉等[45]通過統(tǒng)計、分析斷層區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射事件，將聲發(fā)射事件數(shù)突然增多的變化特征作為斷層活動的前兆信息；Qiu Liming等[46]將反映煤巖體能量變化的電磁輻射監(jiān)測技術(shù)與聲發(fā)射技術(shù)綜合利用，通過記錄構(gòu)造應(yīng)力作用下煤的斷裂尺度、變形破裂產(chǎn)生的信號(圖5)，能有效識別斷層和預(yù)警煤巖動力災(zāi)害，為采場斷層穩(wěn)定監(jiān)測提供新思路。

圖5 聲發(fā)射–電磁輻射強(qiáng)度監(jiān)測成果[46]

2.3.3 視電阻率監(jiān)測技術(shù)

視電阻率監(jiān)測是以異常體與圍巖間的電性差異為基礎(chǔ)，探查巖體視電阻率變化的一種技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于探查巖體破碎失穩(wěn)、頂板冒落、斷層活化情況以及隔水層完好性等領(lǐng)域[47-48]。吳新慶等[49]采用并行電法對煤層斷層活化情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)視電阻率變化特征分析斷層的穩(wěn)定性，判斷斷層導(dǎo)水特性。魯晶津[50]應(yīng)用全空間三維視電阻率反演成像技術(shù)，較準(zhǔn)確判斷出煤礦井下含/導(dǎo)水構(gòu)造異常位置、尺寸、立體展布范圍，并通過異常提取對其進(jìn)行更直觀的解釋。視電阻率監(jiān)測技術(shù)可以捕捉每個電極位置以及整個監(jiān)測空間內(nèi)的異常變化，并根據(jù)導(dǎo)電性的差別判斷斷層構(gòu)造的含水性，通過數(shù)據(jù)的實(shí)時處理和動態(tài)成像有效反映出井下斷層空間活化過程，具有分辨率高、對低阻異常反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。

2.3.4 光纖監(jiān)測技術(shù)

光纖監(jiān)測技術(shù)通過直接、連續(xù)、實(shí)時獲取光纖所處位置的物性參數(shù)變化值，再將應(yīng)變、溫度等與其建立相應(yīng)函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而應(yīng)用于煤巖體的應(yīng)變、溫度和位移等參量的監(jiān)測[51-52]。常用的光纖測試技術(shù)主要有光纖布拉格光柵(FBG)和分布式光纖(以BOTDR為主)。張平松等[53]采用分布式光纖傳感測試技術(shù)，對某工作面中FS2斷層布設(shè)鉆孔測試系統(tǒng)，獲得了測試區(qū)域巖體應(yīng)變時空演化規(guī)律(圖6)，表明分布式光纖在測試采動與斷層活化關(guān)系上具備可行性；張丁丁等[54]應(yīng)用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中斷層面的應(yīng)力狀態(tài)，分析得出“將斷層區(qū)域工作面優(yōu)先布置在上盤更有利于礦壓控制和安全高效開采”的結(jié)論。

圖6 分布式光纖測試埋設(shè)示意及實(shí)測結(jié)果[53]

光纖傳感技術(shù)有效捕捉采動過程中斷層及附近巖層的應(yīng)力變化特征，在斷層變形破壞程度相對小的情況下，能夠精準(zhǔn)定位，是斷層活化應(yīng)力變化監(jiān)測方法中的有效測試手段。該技術(shù)不適用于大變形、強(qiáng)變形、橫向剪切變形的斷層，且對于光纖與鉆孔的耦合性還需進(jìn)一步提高。

2.3.5 注水試驗

注水試驗是通過向鉆孔內(nèi)注水，分析其漏失量，得到巖體的破碎情況[55]。在20世紀(jì)80年代，煤炭科學(xué)研究總院西安研究院將斷層底板注水試驗應(yīng)用于淮南礦區(qū)新莊孜煤礦，觀測了煤層開采對斷層活化程度的影響和底板的破壞深度，獲得了分層開采工藝下隱伏斷層底板的破壞深度數(shù)據(jù)；王經(jīng)明等[56]通過注水實(shí)驗得到：開采擾動可增大斷層滲透性，埋深是影響煤層底板擾動時間的重要因素，注漿加固底板的最佳區(qū)段是超前擾動區(qū)；李建偉[57]采用注水試驗得到礦壓對底板斷層帶的破壞深度，補(bǔ)充了斷層底板破壞深度數(shù)據(jù)庫。在早期的斷層監(jiān)測中，注水試驗成本低且觀測數(shù)據(jù)較直觀，但是這一技術(shù)對地質(zhì)條件要求高，遇到裂隙發(fā)育或者富水較強(qiáng)地層、斷層時，測試結(jié)果受到嚴(yán)重影響，同時注水試驗需要在專用巷道中開展，施工量大，這種方法在斷層監(jiān)測中的應(yīng)用受到限制。

3 斷層活化與動力地質(zhì)災(zāi)害研究

通過不同研究方法揭示的采動后斷層應(yīng)力場、能量場演化特征及分布分析可以發(fā)現(xiàn)，動力地質(zhì)災(zāi)害不僅受斷層的力學(xué)性質(zhì)和幾何特征的影響，其主要是靜態(tài)地質(zhì)環(huán)境與開采擾動耦合作用的結(jié)果。斷層活化誘發(fā)的動力地質(zhì)災(zāi)害有礦井突水、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂板冒落等[58]。

3.1 礦井突水

斷層構(gòu)造是煤礦開采過程中誘發(fā)礦井突水的主要原因之一。實(shí)際揭露的大量地質(zhì)構(gòu)造表明，斷層區(qū)域的高孔隙度可作為地下水的導(dǎo)水通道和儲水空間，使煤層與含水層之間距離變短[59]。同時，斷層破碎帶的存在也降低了巖體的強(qiáng)度，在開采擾動下更易引起礦井突然涌水現(xiàn)象，甚至發(fā)生大規(guī)模水害事故。眾多學(xué)者圍繞著采動誘發(fā)斷層活化突水致災(zāi)機(jī)理，理論分析斷層活化的臨近條件、礦井突水的災(zāi)變機(jī)理、影響因素等，為預(yù)防礦井突水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。劉澤威等[60]通過突水案例劃分高位、中位、低位煤層底板隱伏斷層，提出不同類型隱伏斷層突水的特點(diǎn)及治理措施。

3.2 沖擊地壓

斷層活化是誘發(fā)斷層錯動型沖擊地壓的直接動因。潘一山等[61]根據(jù)我國沖擊地壓實(shí)例提出斷層錯動型沖擊地壓，解釋了采礦活動引發(fā)斷層錯動釋放的強(qiáng)大能量現(xiàn)象。呂進(jìn)國等[62]通過相似模擬實(shí)驗研究了沖擊前后斷層滑移與煤層應(yīng)力變化規(guī)律，揭示了臨近逆斷層典型沖擊地壓發(fā)生時的受力特征，將其分為構(gòu)造應(yīng)力模式、斷層活化模式與斷層失穩(wěn)滑動模式。當(dāng)斷層受到采動影響時，斷層周圍應(yīng)力集中，引起斷層處彈性勢能大量積聚，超過其所承受的最大值后，彈性勢能瞬間釋放產(chǎn)生巨大的沖擊力，造成了周圍煤巖體的破壞，具有影響范圍大、震級高、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，對斷層沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警防治仍是技術(shù)難題，應(yīng)綜合多手段、多參量提取斷層活化預(yù)兆信息，達(dá)到有效預(yù)警和防治的目的。

3.3 煤與瓦斯突出

斷層活化對煤與瓦斯突出具有顯著影響。斷層活化導(dǎo)致周圍的煤巖層發(fā)生擠壓、變形和破碎，破碎的巖層產(chǎn)生的巖石孔隙，這為瓦斯氣體的產(chǎn)生和游離提供了更大的空間[63]。尤其深部斷層賦存煤巖體開采，瓦斯?jié)舛鹊脑龈?，使得工作面?nèi)煤與瓦斯突出、爆炸等次生危害的危險性增加。竇林名等[64]提出動靜載疊加理論解釋煤巖瓦斯動力災(zāi)害，將煤巖瓦斯動力災(zāi)害分為高靜載、強(qiáng)動載和低臨界應(yīng)力三種類型；陳敏等[65]通過“鉆屑指標(biāo)法”預(yù)測煤與瓦斯突出危險程度，分析了斷層對瓦斯聚集、瓦斯含量預(yù)測指標(biāo)的影響，指出劃定斷層影響范圍是瓦斯地質(zhì)預(yù)警的重要工作。

3.4 頂板冒落

斷層破壞了頂板的完整性，煤層采動過程伴隨著圍巖應(yīng)力的重新分布，采動應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用引起頂板彈性勢能的增大，導(dǎo)致含斷層的頂板更易發(fā)生冒落事故。尤其當(dāng)小型斷層傾角較小不易檢測或未被充分重視時，采動作用下臨近工作面的破碎帶不斷加寬，冒頂危險程度增大。馬念杰等[66]基于近200起煤巷冒頂事故分析，通過研究了典型冒頂事故與圍巖體環(huán)境之間關(guān)系，指出蝶形塑性區(qū)碎裂圍巖體巷道頂板冒落型冒頂和松散圍巖體巷道頂板漏冒型冒頂與斷層區(qū)域采動以及斷層附近節(jié)理裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)；韋慶亮等[67]針對斷層破碎帶附近開采易發(fā)生冒頂事故現(xiàn)象進(jìn)行研究，提出快速修復(fù)斷層破碎頂板巷道修復(fù)技術(shù)和深淺分帶剛?cè)狁詈献{支護(hù)技術(shù)防治冒頂事故發(fā)生，取得良好的應(yīng)用效果。

4 存在問題與展望

4.1 存在問題

諸多學(xué)者圍繞煤層采動下斷層活化開展大量的理論、模擬、實(shí)測等工作，在活化機(jī)理、研究評價方法、監(jiān)測手段以及動力災(zāi)害響應(yīng)特征等方面取得了良好的進(jìn)展，但仍需要對相關(guān)關(guān)鍵性難題進(jìn)一步深入研究。

(1) 以往對斷層活化的研究大多關(guān)注于斷層區(qū)域在采動應(yīng)力作用下的應(yīng)力場變化，以此分析斷層活化規(guī)律、斷層附近巖體采動致災(zāi)機(jī)制，但斷層活化誘發(fā)煤礦動力災(zāi)害機(jī)理復(fù)雜，受多因素綜合影響，目前對于斷層在耦合作用下的滑移及裂隙擴(kuò)展機(jī)理還未完全掌握。不同礦井的地質(zhì)條件差別很大，難以形成統(tǒng)一的認(rèn)知。

(2) 大部分理論研究方法在研究時進(jìn)行了簡化，在分析采動應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力以及致災(zāi)因素的綜合影響等方面還不夠全面，需結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)一步驗證方法的可行性和可靠性。同時，不同地質(zhì)條件下斷層影響區(qū)煤層的開采模型還需要進(jìn)一步建立和完善。

(3) 受多種因素影響，現(xiàn)有的數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測集中在斷層活化后所引起的位移場以及應(yīng)力場的變化，難以對斷層所產(chǎn)生的非線性滑移過程進(jìn)行監(jiān)測，針對采動誘發(fā)下斷層活化的多維多尺度全程精細(xì)化監(jiān)測技術(shù)研究工作仍然不足。

(4) 對于受斷層影響的煤礦動力地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警與防治，當(dāng)前未取得重大突破。如何在開采時合理避免斷層動力地質(zhì)災(zāi)害，對斷層擾動區(qū)煤層開采提出合理有效的治理預(yù)防方案，仍作為相關(guān)學(xué)者亟待解決的科學(xué)技術(shù)難題。

4.2 發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，智能、大數(shù)據(jù)、云計算、5G等為斷層活化研究提供了新的手段，認(rèn)為采動條件下斷層多維、全程監(jiān)測是主要的發(fā)展趨勢。

(1) 在模擬方法和現(xiàn)場測試中，應(yīng)考慮斷層形成和活化過程中斷層附近應(yīng)力應(yīng)變場、滲流場、溫度場、裂隙場等多場耦合問題，進(jìn)一步加強(qiáng)斷層活化理論研究，多角度多參量綜合分析、評價斷層活化問題。

(2) 在數(shù)值模型、相似物理模型構(gòu)建過程中，應(yīng)加強(qiáng)對地下斷層賦存區(qū)域相關(guān)采動因素、參數(shù)的細(xì)化研究，盡可能多地對井下復(fù)雜斷層構(gòu)造及原巖應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測，建立規(guī)模大且精細(xì)的采動斷層響應(yīng)預(yù)測試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

(3) 在監(jiān)測手段上，通過多種手段、多種技術(shù)綜合探查，開展跨學(xué)科、跨專業(yè)的協(xié)作攻關(guān)，提高監(jiān)測技術(shù)的精度、抗干擾能力以及適應(yīng)性，對重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測、預(yù)報，是今后防止斷層活化引起災(zāi)害事故的研究方向。

(4) 由于煤礦開采深度日益增加，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、開采方法等多樣性與差異性顯現(xiàn)，斷層突水、沖擊地壓疊加影響效應(yīng)突出，大大增加了斷層誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，因此，還需利用5G、人工智能和礦井大數(shù)據(jù)等構(gòu)建智能監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)對斷層區(qū)域的監(jiān)測，為煤礦安全開采提供更多的技術(shù)保障。

隨著煤炭資源開采深部化，多種致災(zāi)因素疊加耦合現(xiàn)象突出，斷層復(fù)雜區(qū)的煤層開采將迎來更大的挑戰(zhàn)，因此，必須提高對斷層活化的精確預(yù)警與評價精度。通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料綜合分析，認(rèn)為煤層開采地質(zhì)條件是研究斷層活化的首要因素，綜合理論推導(dǎo)、模型實(shí)驗、現(xiàn)場測試等多元化方法，結(jié)合具體的地質(zhì)條件，選取微震監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、視電阻率監(jiān)測技術(shù)、光纖監(jiān)測技術(shù)等綜合監(jiān)測手段，加強(qiáng)全空間、多參數(shù)的數(shù)據(jù)感知和解譯，三維、動態(tài)重構(gòu)斷層空間地質(zhì)模型，進(jìn)一步提升對斷層活動的研究能力；同時需做好采場斷層活化引起的礦井突水、沖擊地壓、煤與瓦斯突出和冒頂?shù)纫幌盗袆恿Φ刭|(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和防治，為煤炭安全、高效、綠色、智能開采提供有效的技術(shù)保障。

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Research status and prospect of fault activation under coal mining conditions

TIAN Yutong1,2, ZHANG Pingsong1,2, WU Rongxin1,2, LIU Chang2

(1.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan232001, China)

Fault activation under mining conditions is easy to induce dynamic geological disasters such as rock burst and floor water inrush. How to carry out advanced prevention and early warning for a series of dynamic geological disasters caused by the activation of stope faults has always been a scientific and technical problem faced by coal mine safety mining. This paper summarizes the research status of stope fault activation at home and abroad from three aspects of numerical simulation, similar physical simulation and field test.Focusing on the monitoring and early warning methods of fault activation, including microseismic monitoring technology, acoustic emission technology, apparent resistivity monitoring technology, optical fiber sensing technology, water injection test, etc., the main existing testing and evaluation methods are summarized from the aspects of method principle, research status, technical characteristics and so on. Combined with the current coal mining in complex fault areas in China, the formation mechanism and internal relationship of several typical dynamic geological disasters induced by fault activation are analyzed. At present, the research on multi-dimensional and multi-scale whole process fine monitoring technology of fault activation induced by mining is still insufficient. Based on the requirements of precision and intelligence of coal mining, it is pointed out that the research on coal mining in complex fault area should develop in the direction of multi field coupling, fine model construction, multi means comprehensive exploration, intelligent early warning, etc. It is considered that further research on the basic theory of fault activation, fine simulation, multi-dimensional multi field multi-scale monitoring and early warning technology system can provide a solid foundation for the mine geological guarantee work under the guidance of intelligent coal mine.

fault weak plane; mining conditions; fault activation; rock monitoring technology; deep mining

TD325

A

1001-1986(2021)04-0060-11

2020-11-20；

2021-04-26

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題(2018YFC0807804)；國家自然科學(xué)基金項目(41877268)；安徽理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(2020CX2003)

田雨桐，1996年生，女，安徽宿州人，碩士研究生，研究方向為地球物理探測與信息技術(shù). E-mail：yttian113@163.com

張平松，1971年生，男，安徽六安人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為地質(zhì)工程與應(yīng)用地球物理勘探. E-mail：pszhang@sohu.com

田雨桐，張平松，吳榮新，等. 煤層采動條件下斷層活化研究的現(xiàn)狀分析及展望[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：60–70. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.008

TIAN Yutong，ZHANG Pingsong，WU Rongxin，et al. Research status and prospect of fault activation under coal mining conditions[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：60–70. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.008

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)