煤礦開采動(dòng)靜載疊加誘發(fā)斷層沖擊地壓機(jī)理

蔡武 ，竇林名 ，司光耀 ，胡亞偉

a State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

b Department of Earth Science and Engineering, Royal School of Mines, Imperial College London, London SW7 2AZ, UK

c School of Minerals and Energy Resources Engineering, University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia

1. 引言

斷層沖擊地壓是井田范圍內(nèi)由于煤層采掘活動(dòng)引起斷層的突然相對(duì)錯(cuò)動(dòng)而猛烈釋放能量的現(xiàn)象[1]，其中，斷層錯(cuò)動(dòng)（亦稱“活化”）是斷層沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵。例如，2011年11月3日19時(shí)18分，河南義馬千秋煤礦F16逆沖斷層活化誘發(fā)的重大沖擊地壓事故，監(jiān)測(cè)能量為3.5×108J，造成10人死亡、75人被困[2]；2014年3月27日11時(shí)18分，千秋煤礦再次發(fā)生的一起較大沖擊地壓事故，監(jiān)測(cè)能量為1.1×107J，造成6人死亡、13 人受傷，斷層活化被認(rèn)為是此次事故的主要誘因[3]；此外，義馬躍進(jìn)煤礦25110工作面采掘臨近F16逆沖斷層時(shí)發(fā)生多起較為嚴(yán)重的沖擊地壓[4,5]。因此，如果能事先清楚煤層采掘擾動(dòng)引起斷層活化的力學(xué)機(jī)制及其誘沖機(jī)理，那么就可提前較準(zhǔn)確地采用理論與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合預(yù)測(cè)斷層沖擊地壓的發(fā)生，并采取合理的防治及應(yīng)急避讓措施保障礦工人身安全。

針對(duì)斷層活化及其誘沖機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者緊緊圍繞“開采活動(dòng)如何引起斷層活化，斷層活化又如何影響工作面圍巖應(yīng)力狀態(tài)”兩大關(guān)鍵問題，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究等手段，獲得了大量研究成果。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與理論研究表明[6]，工作面臨近斷層開采時(shí)沖擊地壓危險(xiǎn)上升；齊慶新等[7]提出的沖擊地壓黏滑失穩(wěn)機(jī)理指出，煤巖層的層間薄軟層、斷層弱面等結(jié)構(gòu)的存在，是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的主要結(jié)構(gòu)因素；潘一山等[1]提出的擾動(dòng)響應(yīng)判別準(zhǔn)則認(rèn)為，斷層切應(yīng)力增大或正應(yīng)力減小是斷層活化的主要原因；李志華[8]提出的黏滑-黏彈脆性體突變理論認(rèn)為，斷層活化分為動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種力學(xué)機(jī)制；李振雷等[5]提出的斷層煤柱型沖擊地壓機(jī)理認(rèn)為，斷層煤柱型沖擊分為斷層活化型、煤柱破壞型和耦合失穩(wěn)型三種，并計(jì)算得出砌體梁結(jié)構(gòu)作用下的斷層煤柱將承受高靜載[9]。

相似、數(shù)值模擬研究方面，左建平等[10]在相似模型實(shí)驗(yàn)中利用經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)采動(dòng)影響下斷層活動(dòng)的水平位移證實(shí)了斷層發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)?？着蟮萚11]、紀(jì)洪廣等[12]、李志華[8]研究不同采掘布置方式對(duì)斷層活化的影響表明，工作面平行于斷層走向開采的擾動(dòng)影響要小于垂直于斷層走向開采；工作面在斷層下盤開采時(shí)采動(dòng)對(duì)斷層活化的影響更大。蔣金泉等[13]研究了硬厚覆巖正斷層附近的采動(dòng)應(yīng)力演化特征，結(jié)果表明，斷層切割作用起到了應(yīng)力阻隔效應(yīng)，使得斷層帶的頂板處于低應(yīng)力狀態(tài)、底板處于應(yīng)力集中狀態(tài)。張寧博[14]、李騰等[15]研究采動(dòng)影響下斷層附近的礦壓規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著工作面距斷層距離的減小，工作面支承壓力的峰值位置向前轉(zhuǎn)移，斷層容易活化，通過斷層后，支承壓力減小，并逐漸恢復(fù)至正常狀態(tài)。姜耀東等[16]、朱廣安等[17]研究開采擾動(dòng)下斷層應(yīng)力演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，開采臨近斷層時(shí)，其正應(yīng)力和剪應(yīng)力急劇增加，斷層活化的可能性增加，反過來斷層活化對(duì)工作面附近煤體產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)的沖擊和加卸載作用，最終導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。羅浩等[18]研究義馬F16逆沖斷層對(duì)沖擊地壓的影響規(guī)律表明，斷層活化前，煤層開采引起覆巖運(yùn)動(dòng)形成高應(yīng)力集中區(qū)；斷層活化時(shí)，覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、斷層應(yīng)力場(chǎng)變化與斷層活化動(dòng)載耦合作用導(dǎo)致災(zāi)變。Ⅰslam和Shinjo [19]采用邊界元法模擬孟加拉Barapukuria煤礦開采引起斷層活化的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，開采擾動(dòng)作用下斷層及其附近圍巖的變形及應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生顯著變化，且在斷層端部出現(xiàn)高應(yīng)力集中。Sainoki和Mitri [20,21]基于三維快速拉格朗日分析程序（FLAC-3D）模擬研究了應(yīng)力波、斷層面粗糙度等因素對(duì)斷層活化的影響。

斷層活化實(shí)驗(yàn)研究方面，Brace和Byerlee [22]首次提出了地震黏滑說，認(rèn)為斷層正應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度后，斷層失穩(wěn)不再是穩(wěn)定滑動(dòng)形式，而是一種伴隨應(yīng)力降的失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)。宋義敏等[23]采用雙軸加載方式進(jìn)行的直剪摩擦實(shí)驗(yàn)表明，斷層沖擊地壓的發(fā)生需要滿足一定的側(cè)向應(yīng)力條件。崔永權(quán)等[24]研究側(cè)向應(yīng)力波對(duì)斷層活化的影響發(fā)現(xiàn)，側(cè)向應(yīng)力的小幅度擾動(dòng)能引起“低摩擦”現(xiàn)象出現(xiàn)，并產(chǎn)生大幅度的應(yīng)力降。

綜上所述，斷層活化不管是在理論研究、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，還是實(shí)驗(yàn)研究等方面均已被證實(shí)。斷層附近應(yīng)力分布的數(shù)值模擬及相似模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很好地揭示了采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)作用下的斷層活化誘沖機(jī)理。然而，上述斷層沖擊地壓理論主要以采動(dòng)應(yīng)力影響為主，很少考慮動(dòng)載擾動(dòng)的影響。同時(shí)斷層活化的摩擦實(shí)驗(yàn)大部分也都是針對(duì)地震機(jī)理展開研究，忽略了地下工程巷道、煤層等采掘過程中真實(shí)的采動(dòng)應(yīng)力加卸載及礦震動(dòng)載效應(yīng)。因此，仍需進(jìn)一步研究考慮真實(shí)采動(dòng)應(yīng)力路徑和礦震動(dòng)載擾動(dòng)作用下的斷層活化力學(xué)機(jī)制及其誘沖機(jī)理，這是解決斷層沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治這一前沿科學(xué)問題的理論基礎(chǔ)，具有極其重要的作用。

鑒于此，本文首先在調(diào)研總結(jié)煤層采掘活動(dòng)與斷層賦存狀態(tài)關(guān)系的基礎(chǔ)上，將煤層采掘擾動(dòng)作用下斷層活化類型歸結(jié)為采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型和礦震動(dòng)載主導(dǎo)型兩種；然后，采用理論與數(shù)值仿真計(jì)算研究了兩種斷層活化類型的力學(xué)機(jī)制及其動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，并探討了斷層沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治方法及策略；最后，結(jié)合數(shù)值模擬、相似模型實(shí)驗(yàn)以及微震監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了該機(jī)理的合理性。

2. 斷層活化力學(xué)機(jī)制及其誘沖機(jī)理

2.1. 斷層活化概念模型

斷層作為煤層采掘過程中普遍存在的一種地質(zhì)構(gòu)造，其獨(dú)特不連續(xù)結(jié)構(gòu)控制著煤巖的變形、破壞與力學(xué)性質(zhì)，該結(jié)構(gòu)與煤層采掘活動(dòng)之間的相互作用是斷層活化的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研總結(jié)，煤層采掘活動(dòng)引起斷層活化可歸納為如圖1所示的四種概念模型。

（1）模型A：采掘活動(dòng)遠(yuǎn)離斷層。斷層煤柱靜載應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力互不影響，此時(shí)斷層活化的可能性較小，不過由于斷層在漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)中往往處于一種臨界穩(wěn)定狀態(tài)，不排除開采活動(dòng)引起的遠(yuǎn)場(chǎng)礦震動(dòng)載觸發(fā)斷層的局部變形和瞬間錯(cuò)動(dòng)。

（2）模型B：垂直斷層走向臨近掘進(jìn)或回采。斷層煤柱靜載應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力疊加形成高靜載，同時(shí)采動(dòng)應(yīng)力呈水平采空側(cè)卸載和豎直方向加載的特性[25]，將必然引起斷層應(yīng)力場(chǎng)的局部調(diào)整而解鎖活化，稱之為采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化。

（3）模型C：垂直斷層走向遠(yuǎn)離掘進(jìn)或回采。斷層煤柱足夠?qū)挄r(shí)，采動(dòng)應(yīng)力與斷層煤柱靜載應(yīng)力互不影響，與模型A類似；反之，隨著工作面的開采，上覆頂板巖層彎曲下沉，斷層煤柱上的采動(dòng)應(yīng)力呈水平采空側(cè)完全卸載和豎直方向加載的特性，并與斷層煤柱靜載應(yīng)力疊加形成高靜載，此時(shí)容易引起斷層應(yīng)力場(chǎng)的局部調(diào)整而解鎖活化，加之頂板初次破斷時(shí)產(chǎn)生的礦震動(dòng)載，更易引起斷層活化，稱之為采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化。

（4）模型D：平行斷層走向掘進(jìn)或回采。斷層煤柱足夠?qū)挄r(shí)，采動(dòng)應(yīng)力與斷層煤柱靜載應(yīng)力互不影響，可與模型A等價(jià)；反之，采動(dòng)應(yīng)力與斷層煤柱靜載應(yīng)力疊加形成高靜載，此時(shí)采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)有限，尤其是在掘進(jìn)期間幾乎固定不變，不再改變斷層應(yīng)力場(chǎng)，因此需要借助如煤巖、頂板破裂產(chǎn)生的礦震動(dòng)載才能引起斷層活化，稱之為礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化。

2.2. 斷層活化力學(xué)機(jī)制

以斷層為研究對(duì)象，取一微小單元建立力學(xué)分析模型，如圖2（a）所示。因此，斷層面上的正應(yīng)力（σyy）和切應(yīng)力（σxy）可表述為：

式中，σ1和σ3為最大、最小主應(yīng)力，兩者可以互換，分別表示正、逆斷層；δ為斷層傾角。

根據(jù)庫(kù)侖摩擦定律[26]，任一弱面極限剪切強(qiáng)度為：

式中，c為斷層黏結(jié)力；φf為斷層摩擦角；p為孔隙壓力。令τf=σxy，可得斷層活化的判別準(zhǔn)則：

當(dāng)δ= 90°或δ→φf，σ1-σ3→ ∞，即：

令?[(σ1-σ3)slip]/?δ =0，得：

圖1. 煤層采掘擾動(dòng)作用下的斷層活化概念模型。（a）模型A：采掘活動(dòng)遠(yuǎn)離斷層—斷層靜載應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力互不影響；（b）模型B：垂直斷層走向臨近掘進(jìn)或回采—采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化；（c）模型C：垂直斷層走向遠(yuǎn)離掘進(jìn)或回采—采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化；（d）模型D：平行斷層走向掘進(jìn)或回采—礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化。

由此可得出斷層活化的最小臨界值為：

由式（7）可知，斷層活化的最小臨界值(σ1-σ3)slip-min與斷層黏結(jié)力c、最小主應(yīng)力σ3以及斷層摩擦角φf（一般σ3＞p）呈正相關(guān)，而與孔隙壓力p呈負(fù)相關(guān)，即c、σ3、φf越大，p越小，斷層越不容易活化。斷層活化臨界值曲線(σ1-σ3)slip在斷層傾角滿足δ= 45° +φf/2的位置達(dá)到最小，當(dāng)斷層傾角越接近于45° +φf/2時(shí)，斷層越容易活化。

為了進(jìn)一步研究σ1和σ3的擾動(dòng)作用對(duì)斷層活化失穩(wěn)的影響，設(shè)計(jì)了如下數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)：

式中，a1為應(yīng)力加載速度，MPa·s-1；a3為圍壓應(yīng)力，MPa；t為加載時(shí)間；b1、b3分別為σ1和σ3方向輸入的動(dòng)載應(yīng)力波幅值，MPa；ω1、ω3分別為σ1和σ3方向輸入的動(dòng)載應(yīng)力波角速度，rad·s-1；t10、t30分別為σ1和σ3方向開始輸入應(yīng)力波擾動(dòng)的時(shí)間，s；σdrop為斷層活化失穩(wěn)時(shí)釋放的應(yīng)力降，并假設(shè)只作用于σ1方向；tanφσ為動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)。研究結(jié)果表明[27]，tanφσ與斷層面摩擦系數(shù)tanφf密切相關(guān)，其中，tanφf由摩擦面狀況、接觸時(shí)間、滑動(dòng)距離等決定，而tanφσ由加載方式?jīng)Q定。

如圖2（a）所示的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)過程，圖中左上角為斷面試樣雙軸實(shí)驗(yàn)加載示意圖，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分為3個(gè)階段：第1階段，在σ3方向保持壓力常數(shù)5 MPa，σ1方向施加一應(yīng)力加載速度0.1 MPa·s-1；第2階段，在σ3方向壓力保持不變的情況下，于700 s時(shí)刻在σ1方向疊加一正弦應(yīng)力波10sin (0.1t)；第3階段，在上述加載條件不變的情況下，于1000 s時(shí)刻在σ3方向疊加一正弦應(yīng)力波擾動(dòng)10sin (0.1t)。

模擬仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，第1階段的常規(guī)帶圍壓準(zhǔn)靜態(tài)加載作用下，斷層活化產(chǎn)生周期性應(yīng)力降，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)黏滑失穩(wěn)；相比之下，采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化對(duì)應(yīng)的加卸載和瞬間卸載作用條件下的力學(xué)行為出現(xiàn)顯著差異，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)、甚至瞬間失穩(wěn)，如圖2（b）、（c）所示；第2階段在σ1方向上附加一周期性擾動(dòng)，此時(shí)黏滑應(yīng)力降略有增加，但仍然保持準(zhǔn)周期性的擾動(dòng)失穩(wěn)，tanφσ曲線出現(xiàn)輕微擾動(dòng)，稱之為輕微擾動(dòng)失穩(wěn)階段；第3階段在σ3方向上疊加同一周期性擾動(dòng)，這一階段tanφσ曲線出現(xiàn)多次突然上升和下降，同時(shí)黏滑應(yīng)力降急劇增大，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)失穩(wěn)特性，并且局部的突變失穩(wěn)均發(fā)生在σ3方向應(yīng)力波擾動(dòng)的波谷附近，該階段σ3方向的擾動(dòng)達(dá)到最大拉伸狀態(tài)，斷層法向正應(yīng)力較小，甚至出現(xiàn)負(fù)值拉應(yīng)力，即斷面相對(duì)壓緊程度消失，出現(xiàn)超低摩擦現(xiàn)象，此時(shí)斷層面上微小的剪應(yīng)力便可引起斷層的活化。由此可見，動(dòng)載擾動(dòng)（第2階段和第3階段）對(duì)斷層穩(wěn)定性的影響比準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力加載（第1階段）明顯；其中，動(dòng)載擾動(dòng)影響中，σ3方向的動(dòng)載擾動(dòng)（第3階段）又要比σ1方向的動(dòng)載擾動(dòng)（第2階段）更為顯著。

綜上所述，斷層法向上的動(dòng)載擾動(dòng)雖然很小，但可以改變斷層的受力狀態(tài)及其活動(dòng)進(jìn)程，尤其是降低斷層摩擦強(qiáng)度、甚至產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)，不僅更容易引起斷層活化，而且可能觸發(fā)比預(yù)期應(yīng)力降更大的錯(cuò)動(dòng)。因此，動(dòng)載擾動(dòng)作用下的斷層超低摩擦效應(yīng)是礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)。

2.3. 斷層沖擊地壓機(jī)理

根據(jù)圖1所示的斷層活化模型，建立如圖3所示的斷層附近頂板-煤層-底板沖擊載體系統(tǒng)模型。隨著煤層采掘活動(dòng)臨近斷層，斷層與工作面之間的煤層作為斷層煤柱將承受高靜載應(yīng)力[9]，其受載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由圖中右邊曲線描述；將頂板與底板視為一完整圍巖，且其剛度與強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤層，其受載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由圖中左邊的曲線表述[28]。

準(zhǔn)靜載（σs）作用下，處于峰后階段（DE）的煤層，當(dāng)其產(chǎn)生應(yīng)變?cè)隽喀う?時(shí)，對(duì)應(yīng)頂板-底板圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽喀う?為：

式中，k1為圍巖的峰前加載剛度；k2為煤層的峰后卸載剛度。因此，頂板-煤層-底板整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的總應(yīng)變?cè)隽喀う艦椋?/p>

其中，煤層應(yīng)變?cè)隽颗c系統(tǒng)整體應(yīng)變?cè)隽康谋戎禐椋?/p>

圖2. 加卸載動(dòng)靜組合作用下斷層活化仿真實(shí)驗(yàn)。（a）帶圍壓加載動(dòng)靜組合作用下斷層活化仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（b）加卸載作用下斷層活化仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（c）瞬間卸載作用下斷層活化仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3. 斷層活化誘沖機(jī)理模型。

當(dāng)k1+k2= 0時(shí)，對(duì)應(yīng)圖3中的S1點(diǎn)，此時(shí)Δε2/Δε→ ∞，沖擊過程啟動(dòng)，伴隨著煤體沖擊破壞過程的逐漸變緩，頂板-煤層-底板系統(tǒng)逐漸達(dá)到新的平衡，對(duì)應(yīng)圖3中的S點(diǎn)，沖擊過程結(jié)束，該過程表征了沖擊過程的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間[29]。根據(jù)能量守恒原理，系統(tǒng)整個(gè)沖擊過程的能量形式包括：圍巖彈性能釋放U1、圍巖釋放能量的消耗部分U2和頂板-煤層-底板系統(tǒng)整體釋放的剩余彈性能U3。σa和σb分別表示沖擊發(fā)生前后的初始應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

當(dāng)斷層附近的頂板-煤層-底板沖擊載體系統(tǒng)疊加斷層活化動(dòng)載（σd）時(shí)，相比于準(zhǔn)靜載作用下的沖擊能量釋放U3，其能量釋放將增加U4，如圖3所示，此時(shí)等價(jià)于圍巖剛度從k1降低至k1′，同時(shí)沖擊啟動(dòng)位置（滿足k1+k2= 0）從S1提前至S2。更重要的是，對(duì)于震動(dòng)動(dòng)載（seismic-dynamic stress），如微震，尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)震源，其作用模式相當(dāng)于循環(huán)加卸載，由于煤巖材料的非均質(zhì)性本質(zhì)，微震動(dòng)載引起的每次加卸載將使煤體產(chǎn)生永久變形，此時(shí)當(dāng)動(dòng)載作用時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，對(duì)于應(yīng)力狀態(tài)處于S2′的煤體在疊加動(dòng)載作用下，可啟動(dòng)類似準(zhǔn)靜載作用下位于S2應(yīng)力狀態(tài)下的沖擊條件；對(duì)于沖擊動(dòng)載（impact-dynamic stress），如工作面附近斷層滑移、頂板破斷等產(chǎn)生的瞬間動(dòng)載，其作用模式相當(dāng)于施加一瞬間應(yīng)力增量Δσ，當(dāng)面積S123＞S3D4時(shí)，對(duì)于應(yīng)力狀態(tài)處于峰前1處的煤體在疊加動(dòng)載作用下，可啟動(dòng)類似準(zhǔn)靜載作用下位于峰后4處應(yīng)力狀態(tài)下的沖擊條件[30]。

綜上所述，斷層沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理可概括為由斷層煤柱高靜載與斷層活化動(dòng)載疊加誘發(fā)，其中斷層煤柱高靜載是斷層、頂板結(jié)構(gòu)雙重作用導(dǎo)致，斷層活化動(dòng)載由采動(dòng)應(yīng)力靜載為主的局部解鎖和礦震動(dòng)載為主的超低摩擦效應(yīng)組成。

3. 驗(yàn)證與討論

3.1. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1.1. 采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化驗(yàn)證

圖4. 斷面實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。（a）粗糙面設(shè)計(jì)；（b）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。

為了驗(yàn)證采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化模型，開展了靜載作用下的斷面試樣物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。首先，從煤礦井下采集頂板砂巖試塊，并在實(shí)驗(yàn)室加工成Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣；然后，按照方案設(shè)計(jì)加工成23.7°的斷面傾角。實(shí)驗(yàn)前，在試樣上下斷面同時(shí)采用雙面膠粘取不同尺度大小的沙粒模擬不同斷面粗糙度，最終將兩斷塊合在一起實(shí)現(xiàn)不同粗糙度的斷面試樣，如圖4所示。

本次實(shí)驗(yàn)由壓力加載、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和數(shù)字照相量測(cè)采集三大系統(tǒng)組成，如圖5所示。其中壓力加載系統(tǒng)采用的是美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的MTS-C64.106電液伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)加載采用位移控制，加載速率為0.18 mm·min-1；聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的PCⅠ-2卡多通道聲發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中采用8個(gè)Nano 30傳感器（響應(yīng)頻率100～400 kHz）進(jìn)行信號(hào)采集，其空間布置如圖5所示（上下兩端各均勻布置三個(gè)傳感器，中間對(duì)立布置兩個(gè)傳感器），聲發(fā)射事件定位采用三維定位計(jì)算，采樣頻率為2 MHz、前置放大增益設(shè)置為40 dB；數(shù)字照相量測(cè)采集系統(tǒng)采用佳能TD數(shù)碼相機(jī)，實(shí)驗(yàn)中采用實(shí)時(shí)攝像方式獲取數(shù)字圖像。實(shí)驗(yàn)全程自動(dòng)采集應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射信號(hào)和數(shù)字圖像。

如圖6所示為斷面試樣加載初期應(yīng)力與聲發(fā)射撞擊數(shù)隨應(yīng)變的變化曲線。由圖可知，斷面滑移過程中產(chǎn)生了明顯的黏滑現(xiàn)象，并呈現(xiàn)出無震滑移（aseismic-slip）特征。該現(xiàn)象表明，砂粒型斷層泥不易積聚剪切應(yīng)變能，或者容易耗散彈性能。這類黏滑可能會(huì)隨著斷面粗糙微凸體的連鎖而暫停，此時(shí)剪切應(yīng)變能逐漸積累，直到達(dá)到臨界值釋放，從而不可避免地引起較高聲發(fā)射強(qiáng)度現(xiàn)象的產(chǎn)生。在黏滑發(fā)生前的初始階段，應(yīng)力變化擾動(dòng)很小，但聲發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)較高。這是因?yàn)樵撾A段除了產(chǎn)生少量小的斷層黏滑外，在砂粒相互作用中還存在剪切滑移和破壞。

圖5. 采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置。

本次實(shí)驗(yàn)采用佳能TD數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)攝像獲取數(shù)字圖像，后期處理采用PhotoⅠnfor軟件[31]進(jìn)行分析。選取斷面滑移較為明顯（未達(dá)到破壞）的某一時(shí)刻圖像與實(shí)驗(yàn)加載之前的圖像做比較，最終獲得觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格的變形形態(tài)，進(jìn)一步獲得如圖7所示的各參數(shù)計(jì)算結(jié)果。由圖可知，隨著位移的加載，MTS壓力機(jī)底座向上平移，在此情況下，斷面試樣下盤可視為主動(dòng)盤，上盤視為被動(dòng)盤。位移矢量圖[圖7（a）]明顯指示出，下盤向上移動(dòng)，遇到斷面后產(chǎn)生向右移動(dòng)的趨勢(shì)，上盤在下盤的擠壓作用下產(chǎn)生沿?cái)嗝嫦蜃蠡频内厔?shì)，最終兩盤之間產(chǎn)生明顯的剪切滑移。位移云圖[圖7（b）]顯示，作為主動(dòng)盤的下盤產(chǎn)生的位移明顯大于上盤。由最大剪應(yīng)變?cè)茍D[圖7（c）]和y方向應(yīng)變?cè)茍D[圖7（d）]可知，斷面上明顯形成一條剪切帶，且剪切帶上的應(yīng)變數(shù)值呈非均勻分布，并存在多處明顯的應(yīng)變集中區(qū)，這主要是由于斷面用沙的非均質(zhì)性使得斷面所受摩擦力呈非均勻分布。

如圖8（a）所示為斷面滑移過程中的受力示意圖，從圖中可以看出，斷面滑移過程中任意質(zhì)點(diǎn)處均受到方向相反的切應(yīng)力σxy和摩擦應(yīng)力τf；由于斷面粗糙度呈非均勻性，即斷面靜摩擦系數(shù)（μs= tanφf）也呈非均勻分布，根據(jù)庫(kù)侖摩擦定律可得出斷面上的最大靜摩擦力τf-max=μs·σyy + c。同時(shí)摩擦力τf滿足：

式中，μd為動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖6. 斷層黏滑過程中應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射撞擊數(shù)之間的關(guān)系。

圖7. 數(shù)字照相量測(cè)處理結(jié)果（圖中尺寸單位為像素）。（a）位移矢量；（b）位移；（c）最大剪切應(yīng)變；（d）y方向應(yīng)變。

如圖8（b）所示為斷面試樣加載到某一時(shí)刻（σ1為一定值）時(shí)非均勻粗糙斷面上各應(yīng)力分布示意圖，由圖可知，斷面局部存在多處閉鎖和解鎖區(qū)域，此時(shí)一旦斷面上局部最大應(yīng)力差大于斷面圍巖的抗拉強(qiáng)度，即滿足max{Δτ=σxy - τf} ≥σt[如圖8（b）中所示的AAˊCˊC劈裂點(diǎn)]，圍巖便產(chǎn)生拉破壞[圖8（c）]。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，圖8（c）所示的應(yīng)力狀態(tài)及其賦存的端部豎直拉裂紋可視為Ⅰ型裂紋擴(kuò)展，因此，按照最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則，裂紋將進(jìn)一步沿著豎直拉裂紋尖端擴(kuò)展，最終形成垂直于斷面的宏觀破壞裂紋，其劈裂位置與圖7（c）中所示的局部應(yīng)變集中位置對(duì)應(yīng)一致。

為了進(jìn)一步研究斷面滑移過程中的剪切帶和等效劈裂破壞特征，將聲發(fā)射活動(dòng)分為峰前和峰后階段，并對(duì)其空間分布進(jìn)行分析，如圖9所示。由圖可知，整個(gè)加載期間，聲發(fā)射事件主要沿?cái)嗝娣植?，且分布不均勻，與如圖7（c）所示的斷面剪切帶吻合較好。此外，還觀測(cè)到垂直于斷面的另一個(gè)聲發(fā)射事件空間集中區(qū)，該集中區(qū)開始出現(xiàn)于峰前階段[圖9（a）]，并在峰后階段 [圖9（b）]進(jìn)一步擴(kuò)展，與圖9（c）顯示的等效劈裂破壞裂紋吻合較好。

綜上所述，斷層活化引起的無震（aseismic）或有震（seismic）事件可以直接由斷面自身滑移產(chǎn)生或間接由斷面圍巖產(chǎn)生的等效劈裂（適應(yīng)主斷面滑移位移變化）引起。其中，斷面滑移過程中產(chǎn)生等效劈裂破壞的力學(xué)機(jī)制主要由摩擦應(yīng)力和斷面圍巖的抗拉強(qiáng)度控制，具體由摩擦系數(shù)（或粗糙度）、斷面傾角及其圍巖抗拉強(qiáng)度控制，詳細(xì)可從如下4個(gè)方面進(jìn)行討論：

（1）當(dāng)斷面粗糙度及斷面傾角一定時(shí)，斷面圍巖強(qiáng)度越大，圍巖越不容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，極端情況下（應(yīng)力差Δτ遠(yuǎn)小于圍巖的抗拉強(qiáng)度），當(dāng)斷面產(chǎn)生解鎖滑移時(shí)，斷面-圍巖系統(tǒng)釋放的能量以解鎖滑移釋放的能量為主；反之，圍巖容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，斷面-圍巖系統(tǒng)釋放的能量以圍巖產(chǎn)生拉破壞釋放的能量為主。

圖8. 斷面試樣等效劈裂破壞力學(xué)機(jī)制分析。（a）斷面試樣加載受力分析；（b）非均勻粗糙斷面受力分析；（c）劈裂點(diǎn)斷裂力學(xué)分析。

圖9. 斷面滑移過程中等效劈裂破壞與聲發(fā)射分布特征。（a）、（b）分別為峰前和峰后AE事件的空間密度分布；（c）等效劈裂破壞試樣。

（2）當(dāng)斷面圍巖強(qiáng)度及斷面傾角一定時(shí)，斷面粗糙度越大，圍巖越容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，極端情況下斷面永久閉鎖，直至產(chǎn)生等效劈裂破壞；反之，容易產(chǎn)生解鎖滑移。

（3）當(dāng)斷面粗糙度及斷面圍巖強(qiáng)度一定時(shí)，斷面傾角越大，圍巖越不容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，極端情況下，斷面解鎖滑移，圍巖不發(fā)生破壞，斷面-圍巖系統(tǒng)極其不穩(wěn)定；反之?dāng)嗝骈]鎖，最終產(chǎn)生等效劈裂破壞。

（4）當(dāng)斷面粗糙度和圍巖強(qiáng)度較大、斷面傾角較小時(shí)，斷面-圍巖系統(tǒng)既不容易產(chǎn)生解鎖滑移也很難產(chǎn)生等效劈裂破壞，這種情況下，斷面-圍巖系統(tǒng)極易積聚彈性能，系統(tǒng)一旦解鎖或劈裂破壞，釋放的能量將是毀滅性的，極易引起災(zāi)難性事故。因此，通過降低斷層附近圍巖的強(qiáng)度可在一定程度上破壞斷面-圍巖系統(tǒng)積聚能量的條件，從而達(dá)到預(yù)防動(dòng)力災(zāi)害的目的，如預(yù)防沖擊地壓。

3.1.2. 礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化驗(yàn)證

以圖1（d）所示的礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化模型為研究對(duì)象，基于自主研發(fā)的沖擊力可控式?jīng)_擊地壓物理相似模擬平臺(tái)，開展動(dòng)載作用下的斷層活化相似模擬實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)主要由靜載加載系統(tǒng)、動(dòng)載加載系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應(yīng)力與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，如圖 10所示，動(dòng)載由一個(gè)20 kg的擺錘突然釋放撞擊滑塊裝置施加，其中，滑塊裝置由一個(gè)外套和一個(gè)內(nèi)滑塊桿以及一個(gè)放置在巷道壁上的沖擊板組成，詳細(xì)介紹可參見作者已發(fā)表文獻(xiàn)[32]；靜載由實(shí)驗(yàn)裝置頂梁上預(yù)先安置的液壓裝置產(chǎn)生；聲發(fā)射采用8通道PCⅠ-2聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，模型正背面對(duì)應(yīng)各布置4個(gè)探頭（響應(yīng)頻率為1～100 kHz），如圖11所示，采樣頻率設(shè)置為1 MHz，其中，聲發(fā)射探頭標(biāo)示處括號(hào)中的編號(hào)（如S1）表示模型背面對(duì)應(yīng)位置布置的探頭編號(hào)；應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用兩組應(yīng)力盒，并分別置于煤層和頂板位置，每組由兩個(gè)應(yīng)力盒組成，分別置于斷層面及其附近的巖層層面，動(dòng)載過程的應(yīng)力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器進(jìn)行采集。具體模型參數(shù)與實(shí)驗(yàn)過程見文獻(xiàn)[33]。

如圖12所示為動(dòng)載作用下的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果，由圖可知，此次動(dòng)載作用不僅使巷道圍巖產(chǎn)生了少量微破裂事件，同時(shí)還誘發(fā)了斷層活化事件。進(jìn)一步由圖13可知，動(dòng)載擾動(dòng)作用下，斷層面上的切應(yīng)力增加，正應(yīng)力減小，其中，切應(yīng)力增加幅度較小，正應(yīng)力急劇降低，甚至由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，表明動(dòng)載作用主要通過改變斷層正應(yīng)力狀態(tài)使斷層面承受瞬間的張拉作用，此時(shí)斷層兩盤巖層間的相對(duì)壓緊程度消失，斷層面的摩擦強(qiáng)度達(dá)到超低，最終產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)，斷層極易活化。因此，動(dòng)載擾動(dòng)可改變斷層應(yīng)力狀態(tài)，尤其是顯著降低斷層正應(yīng)力數(shù)值甚至改變其作用方向，使得斷層上下盤巖層間相對(duì)壓緊程度降低，甚至由最初的壓應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，從而使得斷層在某一時(shí)刻出現(xiàn)摩擦“消失”現(xiàn)象，進(jìn)而容易產(chǎn)生礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化誘沖事件，其中，動(dòng)載擾動(dòng)作用產(chǎn)生的斷層超低摩擦效應(yīng)是礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)。

圖10. 礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置。

圖11. 動(dòng)載作用下斷層活化相似模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.2. 數(shù)值模擬與微震監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

河南義馬躍進(jìn)煤礦25110工作面采深1000 m左右，為25采區(qū)東翼第一個(gè)綜放工作面，平均采高11 m，主采2號(hào)煤層。該煤層平均厚度為11.5 m，平均傾角為12°，煤層上方依次為18 m泥巖直接頂、1.5 m厚1-2煤、4 m泥巖和190 m巨厚砂礫巖老頂；下方依次為4 m泥巖直接底和26 m砂巖老底。井下四鄰關(guān)系（圖14）：東為23采區(qū)下山保護(hù)煤柱，南為25區(qū)下部未采煤層，東南部接近F16逆沖斷層，西為25采區(qū)下山保護(hù)煤柱，北為大采空的25采區(qū)。其中，25110上巷（軌道平巷）布置于25090工作面采空區(qū)下方煤層中，下巷（運(yùn)輸平巷）接近F16逆沖斷層，并與F16斷層的最小平面距離約66 m，工作面中部被3條小斷層切割。F16斷層上盤巖層在逆沖推覆作用下以斷層面為支點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，最后呈現(xiàn)出直立（或倒轉(zhuǎn)）形態(tài)，其斷面幾何形狀呈犁式，淺部?jī)A角75°，深部?jī)A角15°～35°，落差50～450 m，水平錯(cuò)距120～1080 m。截至2011年，25010、25030、25050、25070和25090工作面均已開采完畢，并在研究區(qū)域相關(guān)位置開展了地應(yīng)力測(cè)試，其測(cè)點(diǎn)及結(jié)果如圖14所示：垂直應(yīng)力σ1= 25.28 MPa，N82°W水平應(yīng)力σ2= 17.92 MPa，以及N8°E水平應(yīng)力σ3= 10.31 MPa。

圖12. 實(shí)驗(yàn)過程及其聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖13. 動(dòng)載作用下的斷層活化力學(xué)響應(yīng)。

為了監(jiān)測(cè)躍進(jìn)煤礦采掘期間的微震事件，現(xiàn)場(chǎng)安裝了加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括安裝在采區(qū)上山和大巷的11個(gè)固定臺(tái)站（實(shí)心三角形），以及安裝在工作面兩巷的4個(gè)臨時(shí)臺(tái)站（實(shí)心正方形），其中，臨時(shí)臺(tái)站可隨著工作面的回采推進(jìn)向前移動(dòng)。如圖14所示為25110工作面掘進(jìn)期間105J能量以上的微震事件分布。由圖可知，微震事件主要分布在皮帶巷一側(cè)，且大部分微震事件集中沿?cái)鄬用娣植蓟虼怪庇跀鄬用嫔媳P聚集，這與如圖9所示的斷層圍巖等效劈裂破壞位置的聲發(fā)射事件分布一致。因此，斷層滑移產(chǎn)生的微震事件可發(fā)生在斷層面位置或斷層圍巖破裂位置。

采用FLAC-3D數(shù)值軟件對(duì)義馬躍進(jìn)煤礦適當(dāng)簡(jiǎn)化后的25大采區(qū)模型進(jìn)行模擬，詳細(xì)模型參數(shù)見表1。如圖15所示的數(shù)值計(jì)算模型，其尺寸為1365 m × 1050 m × 350 m（長(zhǎng)×寬×高），共267 936個(gè)單元。對(duì)于重點(diǎn)研究區(qū)域（煤層巷道開挖區(qū)域）的單元采取細(xì)化處理。

表1 數(shù)值模型中斷層和地層物理力學(xué)參數(shù)

圖14. 躍進(jìn)煤礦采掘工程平面圖、地質(zhì)剖面圖、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布置以及25110工作面掘進(jìn)期間105 J能量以上微震事件分布。地質(zhì)剖面圖：T3為上三疊紀(jì)，J1為早侏羅紀(jì)，J2為中侏羅紀(jì)，J3為晚侏羅紀(jì)，K為白堊紀(jì)；微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布置：實(shí)心正方形表示臨時(shí)臺(tái)站，可隨著工作面的回采推進(jìn)向前移動(dòng)，實(shí)心三角形表示固定臺(tái)站。

本文斷層模型采用接觸面單元進(jìn)行模擬。由于實(shí)際斷層面物理力學(xué)性質(zhì)很難真實(shí)測(cè)量，因此在模擬中通常采用在合理取值范圍內(nèi)進(jìn)行試算以達(dá)到與實(shí)際地應(yīng)力條件相匹配的方法來確定，取值見表1：接觸面黏結(jié)力= 2.0 MPa，接觸面摩擦角= 30°，法向剛度（kn）= 剪切剛度（ks）= 9.0×1011Pa·m-1。其中，kn和ks預(yù)估取值為相鄰最堅(jiān)硬位置等效剛度的10倍以上：

式中，K和G分別為體積模量和剪切模量；Δzmin為接觸面法線方向上單元的最小寬度。

圖15. 躍進(jìn)煤礦25采區(qū)數(shù)值模型。

Anderson斷裂機(jī)制表明[34]，逆斷層的最小主應(yīng)力（σ3）方向?yàn)榇怪狈较?，最大主?yīng)力（σ1）和中間主應(yīng)力（σ2）方向?yàn)樗椒较?，受力形式如圖15所示。因此，模型應(yīng)力條件除了需要匹配后期現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力條件之外，還應(yīng)考慮初始模型的邊界條件：底部固定，最大水平主應(yīng)力σ1= 29 MPa，中間水平主應(yīng)力σ2= 24 MPa，最小主應(yīng)力σ3= 20.5 MPa，與此同時(shí)，σ1和σ2在垂直方向上按0.025 MPa的應(yīng)力梯度值增加。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開采順序，依次開采25010、25030、25050、25070、25090工作面。在此過程中，采空區(qū)的模擬通過賦值空模型null實(shí)現(xiàn)，頂板冒落采用弱化體積模量、剪切模量、黏結(jié)力和抗拉強(qiáng)度至初始值的0.2倍實(shí)現(xiàn)，采空區(qū)壓實(shí)采用強(qiáng)化上述參數(shù)至初始值的5倍實(shí)現(xiàn)。如圖16所示為25110工作面回采前應(yīng)力及斷層面?zhèn)葔合禂?shù)λ分布，圖中λ= SXX/SZZ。由圖可知，25010、25030、25050、25070、25090工作面開采完后現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試位置處的數(shù)值模擬結(jié)果（SZZ = 25.0 MPa，SYY = 17.5 MPa和SXX = 11.0 MPa）與實(shí)際測(cè)量結(jié)果（σ1= 25.28 MPa，σ2= 17.92 MPa和σ3= 10.31 MPa）基本一致，因此，可驗(yàn)證數(shù)值模型有效。

由于煤層大面積采空后引起上覆巖層彎曲下沉，所有應(yīng)力分量（SZZ、SXX和SYY）在斷層煤柱區(qū)域（25110工作面計(jì)劃開采區(qū)域）出現(xiàn)了應(yīng)力集中。然而，SXX在斷層頂部區(qū)域出現(xiàn)了下降，甚至由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致斷層面?zhèn)认驊?yīng)力系數(shù)降低[圖16（d）]，此時(shí)容易引起斷層活化。

綜上所示，煤層采空造成上覆頂板的彎曲下沉，與斷層耦合作用形成斷層煤柱集中應(yīng)力；斷層附近工作面采掘擾動(dòng)引起的局部應(yīng)力場(chǎng)變化導(dǎo)致斷層面?zhèn)葔合禂?shù)（λ）減小，進(jìn)而造成采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層解鎖活化。其中，斷層煤柱上的集中應(yīng)力是靜載，斷層活化是動(dòng)載，兩者疊加構(gòu)成了斷層沖擊地壓的主要機(jī)理。

3.3. 斷層沖擊地壓監(jiān)測(cè)與防治策略

由上述斷層沖擊地壓的動(dòng)靜載疊加機(jī)理可知，斷層沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治也應(yīng)主要從如何監(jiān)測(cè)表征（圖 17）和控制弱化（圖18）斷層煤柱高靜載與斷層活化動(dòng)載兩方面著手。

斷層煤柱高靜載監(jiān)測(cè)方面：可采用鉆屑[35]、鉆孔應(yīng)力[36]、電磁輻射[37]、聲發(fā)射[38]、位移等常規(guī)監(jiān)測(cè)方法直接獲取斷層煤柱區(qū)的應(yīng)力分布信息；采用微震[39-41]及其震動(dòng)波速度層析成像[42]監(jiān)測(cè)獲知斷層煤柱區(qū)域的微破裂分布及其應(yīng)力分布情況；采用支架工作阻力[43]監(jiān)測(cè)推斷頂板活動(dòng)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，間接獲取斷層、頂板結(jié)構(gòu)雙重作用下的斷層煤柱應(yīng)力情況。

圖16. 25110工作面回采前應(yīng)力及斷層面?zhèn)葔合禂?shù)分布。（a）垂直應(yīng)力SZZ；（b）x方向水平應(yīng)力SXX；（c）y方向水平應(yīng)力SYY；（d）側(cè)壓系數(shù)λ = SXX/SZZ。

斷層活化動(dòng)載監(jiān)測(cè)方面：主要采用微震監(jiān)測(cè)與頂板離層監(jiān)測(cè)獲取斷層活化信息。

圖17. 斷層沖擊地壓監(jiān)測(cè)體系。

圖18. 斷層沖擊地壓防治策略。

斷層煤柱高靜載防治方面：可采用煤層注水、爆破、大直徑鉆孔等常規(guī)卸壓方法[44-46]弱化斷層煤柱區(qū)域煤體，降低斷層煤柱應(yīng)力；采用頂板爆破、水力致裂等方法[47]改變頂板結(jié)構(gòu)，通過弱化斷層與頂板結(jié)構(gòu)的雙重作用降低斷層煤柱靜載應(yīng)力；采用工作面斜交過斷層的方法，避免斷層煤柱寬度整體性減小而引起的突然失穩(wěn)。

斷層活化動(dòng)載防治方面：采用深孔爆破、注水等方法直接減小斷層面黏結(jié)力c、摩擦角φf以及增大斷層區(qū)域孔隙壓力p，從而弱化斷層活化動(dòng)載的強(qiáng)度；控制工作面推進(jìn)速度，避免最小主應(yīng)力σ3的急劇降低而造成斷層的突變失穩(wěn)，同時(shí)可減小開采活動(dòng)產(chǎn)生的礦震動(dòng)載對(duì)斷層活化的影響。

值得強(qiáng)調(diào)的是，雖然這些防治策略是基于概念模型與理論分析提出，但是當(dāng)中有關(guān)采取爆破弱化斷層應(yīng)力和降低斷層煤柱集中應(yīng)力的防治策略分別在朝陽(yáng)煤礦[17]和躍進(jìn)煤礦[5]獲得了成功應(yīng)用。

4. 結(jié)論

通過調(diào)研總結(jié)煤層采掘活動(dòng)與斷層賦存狀態(tài)之間的概念模型，提出了采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型與礦震動(dòng)載主導(dǎo)型兩種斷層活化類型的力學(xué)機(jī)制及其動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，并探討了斷層沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治方法及策略，最后結(jié)合數(shù)值模擬、相似材料模型實(shí)驗(yàn)以及微震監(jiān)測(cè)給予了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

（1）提出了煤層采掘擾動(dòng)作用下采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型與礦震動(dòng)載主導(dǎo)型兩種斷層活化力學(xué)機(jī)制。斷層活化主要與斷層面黏結(jié)力、斷層摩擦角、斷層傾角、最小主應(yīng)力、孔隙壓力有關(guān)，且開采擾動(dòng)引起的水平采空側(cè)卸載和豎直方向加載，即側(cè)壓系數(shù)降低，是采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)；動(dòng)載擾動(dòng)作用產(chǎn)生的斷層超低摩擦效應(yīng)是礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)。

（2）提出了斷層沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理是由斷層煤柱高靜載與斷層活化動(dòng)載疊加誘發(fā)，其中斷層煤柱高靜載是斷層、頂板結(jié)構(gòu)雙重作用導(dǎo)致，斷層活化動(dòng)載是由采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型局部解鎖活化和礦震動(dòng)載主導(dǎo)型超低摩擦效應(yīng)組成。同時(shí)，從如何監(jiān)測(cè)表征和控制弱化斷層煤柱高靜載和斷層活化動(dòng)載兩方面著手，探討了斷層沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治方法及策略。

（3）采動(dòng)應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化的數(shù)值模擬驗(yàn)證表明，煤層采空引起頂板彎曲下沉，與斷層耦合作用形成斷層煤柱集中應(yīng)力；頂板下沉引起斷層上端水平應(yīng)力減小，甚至變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致斷層面?zhèn)葔合禂?shù)減?。粩?shù)值模擬結(jié)果揭示的斷層煤柱應(yīng)力集中區(qū)和低側(cè)壓系數(shù)區(qū)與微震的主要集中分布區(qū)對(duì)應(yīng)一致。

（4）礦震動(dòng)載主導(dǎo)型斷層活化的相似材料模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，動(dòng)載擾動(dòng)可改變斷層應(yīng)力狀態(tài)，尤其是顯著降低斷層正應(yīng)力數(shù)值甚至改變其作用方向，使得斷層上下盤巖層間相對(duì)壓緊程度降低，甚至由最初的壓應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，從而使得斷層在某一時(shí)刻出現(xiàn)摩擦“消失”現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)。

致謝

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金（51604270、51874292和51804303）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2017QNA26）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20180643）、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目（SKLCRSM15X04）以及中國(guó)博士后國(guó)際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目（20170060）資助，特此感謝。

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