卸載條件下逆沖斷層滑移實驗研究

張寧博，單仁亮，趙善坤，李一哲，趙 陽，王 寅，秦 凱

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭科學研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

斷層是地下巖土體中普遍賦存的一種地質構造，當工程施工遇到斷層構造時，斷層的失穩(wěn)往往會導致動力災害，該災害在非煤礦山或隧道領域通常表現(xiàn)為滑移型巖爆[1]，而在煤礦領域則被稱為斷層型沖擊地壓[2]。斷層對于沖擊地壓的誘發(fā)作用至關重要，近幾年發(fā)生的龍鄆煤礦“10·20”、紅陽三礦“11·11”等沖擊地壓事故均與斷層的失穩(wěn)有著密切的關系。

基于以往研究和工程分析，筆者認為根據誘發(fā)原因，斷層沖擊地壓可細分為2種類型:一是斷層活化型，二是斷層煤柱失穩(wěn)型。前者是由斷層活化釋放能量并傳播至采掘圍巖，造成的圍巖失穩(wěn)[3]，后者是采掘活動使得工作面前方斷層煤柱不斷減小，造成煤柱承載能力降低而發(fā)生失穩(wěn)[4-5]。筆者通過實驗手段，僅針對第1種斷層活化型沖擊地壓的誘發(fā)過程展開研究。通過文獻調研，在礦山領域學者們針對采動誘發(fā)斷層失穩(wěn)問題，展開了大量研究。如李振雷等[4]認為斷層解鎖有上行和下行2種模式，小傾角易上行解鎖，大傾角易下行解鎖；蔡武等[6]認為動載擾動造成的斷層超低摩擦效應導致斷層活化，斷層活化激發(fā)動載荷及斷層煤柱高靜載疊加誘發(fā)了沖擊地壓；齊慶新等[7]試圖用黏滑解釋斷層沖擊地壓發(fā)生過程；張寧博等[8]對動靜載作用下斷層的動力學響應規(guī)律進行了分析，提出了斷層活化的多滑塊-彈簧模型，認為斷層活化是局部到整體的聯(lián)動失穩(wěn)；殷有泉等[9]認為斷層活化是一種位移極值點型失穩(wěn)，并伴有力的突降；李志華等[10]提出斷層活化有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)2種模式；趙毅鑫、王濤等[11-12]分析了斷層面庫侖應力的變化規(guī)律，認為工作面煤體失效是斷層活化的主要原因。另外，在地震領域，學者們對斷層穩(wěn)定性問題研究較多，研究成果對礦山領域中斷層誘發(fā)的災害具有很好的借鑒意義。其中在斷層穩(wěn)定性試驗方面，黃元敏等[13]研究了應力擾動對斷層滑動的影響，發(fā)現(xiàn)正應力擾動影響較剪應力大。馬瑾、郭彥雙等[14-16]研究了拐折斷層、平直斷層多物理場的演化規(guī)律及亞失穩(wěn)過程。

雖然上述文獻取得了豐富的成果，但筆者認為，與地震研究中斷層加載導致失穩(wěn)不同，采礦活動將引起斷層系統(tǒng)水平荷載的減小，即水平方向上為卸載過程，在實驗室條件下應采用單側卸載應力路徑進行模擬。因此，筆者基于采動逆沖斷層的受力特點，研究單側卸載條件下逆沖斷層活化過程中的多物理場變化規(guī)律，并對失穩(wěn)瞬態(tài)過程進行重點分析，探討逆沖斷層的失穩(wěn)機理。

1 實驗背景

河南義馬礦區(qū)下屬5座礦井為典型的斷層構造型沖擊地壓礦井。據不完全統(tǒng)計，受F16逆沖斷層構造控制，義馬礦區(qū)歷史開采過程中曾發(fā)生100多次沖擊地壓，且92.5%的沖擊地壓地點距離F16斷層小于1 km。F16逆沖斷層走向為近東西，傾向為南略偏東，斷層面上陡下緩，傾角為15°～75°，落差為50～500 m。斷層兩側地層從上至下依次為：侏羅系上統(tǒng)J3(主要為巨厚的雜色粗礫巖，厚度在400 m左右)、中侏羅統(tǒng)J2(東部以礫巖為主，西部以紫紅色粉砂巖、泥巖為主)和三疊系譚莊組T3(頂部以泥巖為主、中上部以石英砂巖為主、下部以泥巖、石英砂巖為主)。F16逆沖斷層剖面如圖1所示，其中，4802，4803，4804，4807為鉆孔編號。

圖1 F16斷層剖面

地應力是煤礦井下動力災害的根本作用力，對F16斷層運動有著重要的影響。義馬礦區(qū)地應力情況見表1[17]。由表1可知，對于800 m以淺區(qū)域，大部分測點(去掉8，10號異常測點)的最大水平主應力σH相對較高，最大值達到25.25 MPa，與垂直應力σH比值最大為1.32，可見800 m以淺區(qū)域水平應力對斷層活動的影響是不容忽視的、甚至是起主導作用的；對于800 m以深區(qū)域，所有測點水平應力均小于垂直應力，可見在深部區(qū)域垂直應力占據主導優(yōu)勢，水平應力對斷層活動的影響相對淺部有所減弱。

表1 義馬礦區(qū)地應力情況

F16斷層處于較高的水平構造應力環(huán)境，同時受到各礦井開采擾動的影響，2者的疊加作用使得F16斷層頻繁活化[18]。如圖2所示，在耿村井田地表、F16斷層線兩側分別布置28個測點，用以觀測地表沉降情況，圖2中綠線為斷層地表出露線，紅線為斷層井下推測走勢線，在28個測點中，21～37號測點位于斷層上盤，38～48號測點位于斷層下盤。地表沉降的觀測時間為2016-03-23—2020-04-01，圖3為27號測點地表沉降量的變化曲線，從圖3可以看出，隨著煤層開采，位于斷層上盤27號測點的沉降量并非呈單調增大的變化趨勢，該測點在下降過程中出現(xiàn)了多次“突跳”，例如在2017-01-11(13.15 mm)，2017-06-21(12.35 mm)，2018-11-22(16.80 mm)和2019-09-25(9.65 mm)曲線分別出現(xiàn)了4次“突跳”，即斷層活化。若上述斷層活化僅僅是由構造應力推覆作用引起，則活化的周期應至少為數(shù)10年，但現(xiàn)場監(jiān)測周期僅為4 a，因此推斷上述斷層滑移應為水平構造應力和開采卸荷效應共同作用的結果，且后者起主控作用。

圖2 地表測點與F16斷層相對位置

圖3 27號測點沉降量變化曲線

斷層活化是煤礦安全研究中應重點關注的一個問題，而斷層活化是否誘發(fā)井下災害卻是另外一個問題。2010-08-11，躍進煤礦25110工作面回采至距開切眼20 m時發(fā)生沖擊地壓事故，工作面運輸巷480.0～842.8 m段合計362.8 m受到沖擊，巷道嚴重損壞，底臌量為1.4～2.4 m，上幫鼓出量最大為2.02 m，此次事故發(fā)生時微震監(jiān)測能量高達9×107J，事故發(fā)生時的回采情況如圖4所示。而在事故發(fā)生前19和5 d，即2010-07-23和2010-08-06，微震系統(tǒng)分別在F16斷層附近監(jiān)測到2次大能量微震事件，其能量分別為4.3×107J和3.68×107J，與F16斷層的水平間距分別為54和15 m。2次事件的z坐標分別為-385和-228 m，根據F16斷層附近煤層z坐標為-460 m左右，推測震源應位于煤層上方的斷層處。因此，可以判定該事故前F16斷層處于活化狀態(tài)，其突然錯動應是導致“8·11”沖擊地壓事故的直接誘因。

3 實驗方案

基于第2節(jié)分析，逆沖斷層滑移對于煤礦動力災害形成至關重要，故有必要采用實驗室手段，研究逆沖斷層卸載條件下的滑移機理。

3.1 試 樣

斷層實驗采用的試樣巖性為砂巖。試樣為長方體，尺寸為300 mm×200 mm×50 mm，如圖5所示，沿對角線預切一條傾斜斷層，斷層傾角為32°，斷層線OO′長度為312 mm。試樣4個直角進行倒角處理，以避免承壓板相互推擠，處理后倒角斜長為49.5 mm。

試驗前，試樣斷層兩交界面須進行研磨處理，以保證其良好接觸。

3.2 加卸載方案

實驗采用的加載系統(tǒng)為中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室的平臥式雙軸電液伺服壓力試驗機，采樣頻率為10 kHz，實驗加卸載過程為：① 為調節(jié)斷層兩接觸面的適應性，分別進行一次加載測試實驗和一次卸載測試實驗，使得斷層面能夠很好地接觸，消除干擾因素，以保證正式實驗效果；② 根據逆沖斷層應力狀態(tài)，x向以112.5 kg/s速度加載至14 250 kg，同時y向以50 kg/s速度加載至6 333 kg，并保持穩(wěn)定，此時試樣x方向應力為9.31 MPa，y方向應力為6.21 MPa，2者比值為1.50；③ 保持y方向負荷不變，x方向以0.5 μm/s的速度進行單側卸載，直至斷層發(fā)生失穩(wěn)為止。

3.3 監(jiān)測方案

實驗所采用的監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)字散斑位移監(jiān)測系統(tǒng)、應變數(shù)據采集系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，如圖6所示。各系統(tǒng)監(jiān)測設備及方法如下：

數(shù)字散斑位移監(jiān)測系統(tǒng)。采用FastcanSA2-C3型高速攝像對實驗所用試樣的表面進行圖像采集，采樣頻率設置為1 000 Hz，圖片分辨率為2 048 Pixel×256 Pixel，采樣間隔為1 ms，觀測時窗為873.4 ms。同時利用C-600高亮度白光LED光源對試樣進行補光。高速攝像觸發(fā)采用與聲發(fā)射系統(tǒng)聯(lián)動控制，即當聲發(fā)射采集到斷層滑移信號時，自動觸發(fā)相機儲存照片，可存儲該信號達到探頭前后約8 s的所有圖像。

實驗前，需要對試樣的觀測面進行預處理，以布置散斑，散斑顆粒尺寸為4 Pixel。實際觀測范圍為斷層線兩側61.44 cm×7.68 cm區(qū)域，標定后試樣表面分辨率為30 μm/Pixel。對存儲的散斑圖像采用VIC-2D軟件進行數(shù)字圖像處理，以獲得斷層失穩(wěn)前后位移的瞬態(tài)演化過程。

應變數(shù)據采集系統(tǒng)：為不影響觀測，10組應變片貼于試樣背面，編號分別為S1～S10(圖5)，并沿斷層線等距布置，間距為31.2 mm。每組應變片包含3個應變片，1個與斷層線垂直(A片)，另外2個分布于其兩側(B片和C片)，并與中間應變片成45°夾角。其中A片按順序依次編號為S1-2,S2-2,…,S10-2，B片按順序依次編號為S1-1,S2-1,…,S10-1，C片按順序依次編號為S1-3,S2-3,…,S10-3。應變片的靈敏系數(shù)為2.08±1%，應變分辨精度為1.0×10-6，系統(tǒng)的應變采樣頻率為1 000 Hz。

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)：采用DS5-8B型全波形聲發(fā)射采集系統(tǒng)監(jiān)測實驗過程中斷層滑移信號。在試樣正面、斷層兩側，分別布置2個聲發(fā)射探頭(圖6)，實驗設置的采樣速率為500 kHz，采樣精度為16 bit，采樣點間隔為2 μs。

4 實驗結果與分析

4.1 單側卸載逆沖斷層失穩(wěn)的差應力“突跳”

根據實驗方案，為模擬煤層開采引起的卸載效應，在斷層初始應力平衡狀態(tài)下，實施x方向卸載，其中斷層下盤為主動盤，上盤為被動盤。為便于分析斷層的穩(wěn)定性，采用差應力(σx-σy)描述斷層所承受的外界載荷，得到斷層失穩(wěn)前后一段時間內(0～120 s)差應力(σx-σy)隨時間的變化曲線如圖7所示。斷層卸載過程中發(fā)生一次主應力軸的轉換，即由x向變?yōu)閥向。隨著差應力的減小，促使斷層相對滑移的y向驅動力相對增大，差應力減小速率，呈先增大后降低的變化趨勢：當主應力軸為x軸時，差應力以0.110 3 MPa/s的速率減?。划斨鲬S轉換為y軸時，差應力以0.114 5 MPa/s的速率減小；當卸載至44.3 s左右時，差應力減小速率逐漸放緩，并在85.4 s左右時差應力發(fā)生“突跳”，斷層發(fā)生失穩(wěn)。

圖7 差應力-時間曲線

從圖7失穩(wěn)階段的放大圖可知，斷層失穩(wěn)并不是一蹴而就，而是持續(xù)10 s左右，失穩(wěn)過程發(fā)生多次“突跳”，并逐漸衰減直至滑移停止。統(tǒng)計失穩(wěn)過程中A～G共6個波峰波谷的差應力及差應力“突跳”量，見表2。

表2 斷層失穩(wěn)瞬間的應力“突跳”

實驗中監(jiān)測到的這次失穩(wěn)共有3次“突增”、3次“突降”變化，即1次失穩(wěn)過程包含3次小的滑移，其中以第1次滑移“A—B—C”為主，差應力“突跳”量最大，達到0.36 MPa。第2次滑移過程“C—D—E”的差應力“突跳”量，比第1次降低了86%，為0.05 MPa。第3次滑移過程“E—F—G”差應力“突跳”量為0.05 MPa，與第2次相同，但該階段在差應力降低過程，即“F—G”段“突跳”值比第2次滑移的“D—E”段要小，為0.02 MPa。

4.2 逆沖斷層卸載失穩(wěn)的位移場時空演化特征

該實驗采用數(shù)字散斑位移監(jiān)測系統(tǒng)對斷層表面的位移場時空演化特征進行實時監(jiān)測，數(shù)字散斑系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，它可將每個像素作為虛擬監(jiān)測點，對該像素在實驗過程中的速度場、加速度場等進行記錄。為研究斷層上(近O點)、中、下(近O′點)3個不同區(qū)域在失穩(wěn)過程中的位移場變化規(guī)律，在斷層下盤選取3個典型測點進行監(jiān)測，如圖8所示。以圖8左下角為坐標原點，其中斷層下部測點坐標為x=21.785 cm，中部測點坐標為x=32.818 cm，上部測點坐標為x=40.529 cm，上、中、下3個測點間距分別為7.711 cm和11.033 cm。

圖8 斷層不同區(qū)域的位移測點布置

x方向的位移與斷層穩(wěn)定性密切相關，選取斷層失穩(wěn)前后1 500 ms內的圖像進行位移場分析，得到該時間段內3個不同區(qū)域x向位移的變化情況，如圖9所示。實驗中斷層失穩(wěn)時的x向位移大小為微米級別，即約幾十微米，而單個像素大小為30 μm。故由于精度限制，位移變化并不是連續(xù)的，而是點的震動曲線。由圖9可知，斷層在800～900 ms發(fā)生錯動，上、中、下3個測點依次滑移，同時斷層滑移前上、中、下3點的前兆響應及滑移釋放能量對3點x向位移的擾動效應具有顯著差異：下部測點滑移位移約為60 μm，中部和上部測點滑移位移為30～60 μm，下部測點滑移顯著大于中部和上部(該結論可根據剪應變曲線得到進一步驗證)。斷層失穩(wěn)前，對于測點活躍度(即單位時間內測點的震動頻次)，下部>中部>上部。斷層失穩(wěn)后，中部測點首先歸于平靜、震動消失，下部測點發(fā)生“二次滑移”然后歸于平靜，上部測點繼續(xù)保持震動。

圖9 斷層不同區(qū)域的x向位移變化

為研究斷層上盤、下盤位移場的分布特征，選取斷層中部3個監(jiān)測點，記錄斷層失穩(wěn)前后x向位移的變化情況，測點布置如圖10所示。上盤測點U距離斷層0.144 2 cm，下盤測點D距離斷層0.157 0 cm，同時為了研究斷層面附近剪切應變對x向位移的影響，選取遠離斷層面的下盤另一測點M進行對比分析，其與斷層距離為0.578 6 cm。

圖10 斷層中部測點布置

根據數(shù)字散斑系統(tǒng)記錄數(shù)據，得到斷層中部3個測點的x向位移變化曲線如圖11所示。由圖11可知，斷層上盤(測點U)主要受剪切應力的影響，使得斷層一直處于震動狀態(tài)，受斷層滑移影響較小；斷層下盤(測點D)在853 ms時發(fā)生滑移，能量得到釋放，滑移后震動立即停止；斷層下盤遠場(測點M)在760 ms左右時發(fā)生滑移，并持續(xù)震動了94 ms。

圖11 斷層中部區(qū)域的x向位移變化

4.3 逆沖斷層失穩(wěn)的變形場時空演化規(guī)律

根據粘貼在斷層下盤緊鄰斷層面的10組應變片的監(jiān)測數(shù)據，可得斷層滑移過程中斷層附近圍巖變形場的時空演化特性。

為便于分析斷層穩(wěn)定狀態(tài)，采用與斷層面垂直的法向應變和剪切應變進行分析，因此需要對測點測得的應變張量進行分解。根據文獻[19]，斷層上一點的平面應變張量可分解為垂直于斷層面的法向應變分量ε和平行斷層面的剪切應變分量γ。該實驗中應變片由A片、B片和C片組成(圖5)，其中A片與斷層垂直，B片、C片分置于A片的兩側，并與A片成45°夾角。因此有

(1)

式中，ε1和ε2為平面測點的最大主應變和最小主應變；φ為斷層法線與最大主應變之間的夾角；εA，εB，εC分別為應變片A，B和C測得的應變值。

根據式(1)可計算獲得各個測點附近斷層巖體的法向應變和剪切應變(其中監(jiān)測法向應變的應變片S1-2損壞，數(shù)據處理時不予考慮)，斷層卸載過程中各應變量變化情況如圖12(a)和13(a)所示。按照每個應變片在斷層線上分布位置(坐標起點為圖5中O′點)，計算各點應變增量，得到斷層失穩(wěn)前后一段時間內(83～93 s)的變形場演化情況如圖12(b)和13(b)所示，其中對于法向應變，張拉應變?yōu)檎瑝嚎s應變?yōu)樨?；對于剪切應變，右旋剪切為正，左旋剪切為負；比例?0×10-6為應變曲線上下變化的尺度。

圖12 斷層法向應變和應變增量變化曲線

由圖12(a)可知，S3-2，S7-2，S10-2三個應變片法向應變?yōu)檎?，即以張拉應變?yōu)橹鳎溆鄳兤ㄏ驊兙鶠樨撝?，即以壓縮應變?yōu)橹?。隨著x軸卸載，x軸在垂直于斷層方向上的應力分量逐漸減小，而y軸在垂直于斷層方向上的應力分量不變，使得斷層法向應力逐漸減小。因此總體上看，大部分應變片的法向應變均呈先減小后“突變波動”再穩(wěn)定的變化趨勢。其中在85 s左右，斷層發(fā)生滑移，斷層附近巖體彈性能量釋放，法向應變發(fā)生“突跳”，其中斷層下部近O′端S2-2應變片“突跳”變化量最大，為22.179×10-6，其次為中部測點S4-2，S5-2和S6-2，S3-2應變片在斷層失穩(wěn)瞬間的“突跳”變化不明顯；而斷層上部近O端應變片(包括S7-2～S10-2)的法向應變幾乎無“突跳”現(xiàn)象?？梢?，斷層錯動瞬間，下部和中部出現(xiàn)明顯的壓縮彈性能量釋放，“黏滑”現(xiàn)象顯著，而上部釋放能量較小，應變幾乎無變化。

按照每個應變片在斷層上的位置(以斷層O′點為坐標原點)，將斷層失穩(wěn)前后10 s(83～93 s)法向應變增量(相對于83 s應變值)繪制成圖12(b)，其中曲線應變值縱向變化尺度為20×10-6。從圖12(b)中可知，斷層失穩(wěn)前下部應變增量變化比上部大，多數(shù)應變片法向應變增量呈先增大后減小的變化趨勢，說明能量有一個先積聚后釋放的過程。其中S2-2應變片應變增量在斷層失穩(wěn)前增加幅度最大，為17.872×10-6，失穩(wěn)后下降幅度也最大。同時，S2-2，S3-2，S4-2應變片在斷層失穩(wěn)瞬間，應變增量是先突降后突增再逐漸降低，S10-2應變片為逐漸增大變化趨勢，其余應變片為先突降后逐漸降低。由此可知，斷層下部能量首先釋放然后迅速恢復，即一次黏滑過程，斷層其他部位受下部震源擾動影響，應變突降量值大幅降低，釋放能量也較少。

圖13為S1～S10剪切應變及其增量的變化曲線。根據圖13(a)可知，在斷層x向卸載過程中，斷層面剪切應變總體上呈逐漸減小、突變然后穩(wěn)定的變化趨勢，應變片初始剪切應變均為正值，即順時針方向、右旋剪切，而斷層的滑移方向為順時針，斷層應變場與斷層滑移方向一致。根據斷層線上各應變片剪切增量變化曲線13(b)可知，在斷層失穩(wěn)瞬間，S1，S2，S3和S10應變片剪應力增量變化趨勢為先突降、后突增再逐漸降低，而其余應變片剪應變增量變化趨勢為先突增后逐漸降低。由圖13(b)可知，斷層兩端剪應變變化最為顯著，最大變化量達36.993×10-6(S1)，且下部變化量顯著大于上部，而中部由于閉鎖效應，剪應變增量變化最小。因此，斷層下部為能量的主要積聚和釋放點，是斷層的主動失穩(wěn)部位(即震源)，而中部和上部主要受下部擾動后發(fā)生從動。

圖13 斷層剪切應變和應變增量變化曲線

將斷層失穩(wěn)瞬間的時間尺度進一步放大至30 ms內，即85.02～85.05 s，得到斷層不同位置應變片的法向應變增量和剪切應變增量的變化情況如圖14所示(其中S1-2應變片實驗過程中損壞、其監(jiān)測數(shù)據不予考慮)。由圖14可知，斷層滑移基本在85.030 s 時開始，在85.035 s結束，持續(xù)時間約為5 ms，滑移瞬間剪應變增量比法向應變增量變化顯著。法向應變增量變化較大區(qū)域主要為斷層下端，而斷層中部和上部相對較小，可以推測斷層下端解鎖效應要大一些；剪切應變增量在斷層上端和下端變化較大，中部區(qū)域明顯較小，可能是由于斷層兩端剪切滑移較顯著，失穩(wěn)過程對其應變場影響較大。

圖14 斷層失穩(wěn)瞬間的應變增量變化曲線(85.02～85.05 s)

4.4 逆沖斷層失穩(wěn)瞬態(tài)的滑移位移變化

當逆沖斷層在x方向逐步卸載時，斷層試樣y方向位移逐漸增加，并在斷層失穩(wěn)時發(fā)生突變。實驗開始時y方向初始位移值為-3 370 μm，根據斷層試樣傾角，可計算斷層的初始位移為-2 857.92 μm。將y向位移乘以斷層傾角的余弦，可計算得到逆沖斷層卸載過程中的斷層位移變化曲線如圖15所示。

由圖15可知，當卸載至85 s時，斷層發(fā)生錯動，錯動位移量達29.89 μm，對應于差應力-時間曲線(圖7)中的A—B階段；斷層在發(fā)生短暫的滑移后，穩(wěn)定了約3.5 s，然后發(fā)生了第2次滑移，即C—D階段，滑移位移量為8.15 μm；約1.5 s后，斷層發(fā)生第3次滑移(E—F段)，滑移量為8.15 μm。該現(xiàn)象與差應力“突跳”變化在時間上是對應的。經歷3次滑移，斷層位移由-2 852.23 μm連續(xù)“突跳”至-2 801.06 μm，總的變化量為51.17 μm。可見，斷層滑移瞬間由多次小滑移過程組成，并伴隨著能量的多次釋放，同時第1次滑移為主滑移，滑移位移最大，釋放能量也最多；后續(xù)兩次滑移可視為次滑移，類似于“余震”，滑移位移相對主滑移較小，能量也有所降低。

圖15 斷層失穩(wěn)瞬間的斷層位移變化情況

4.5 逆沖斷層失穩(wěn)瞬態(tài)的聲信號變化特征

斷層滑移前后將釋放地震波信號，即實驗室條件下的聲發(fā)射信號，捕捉并分析斷層失穩(wěn)過程中的聲信號特征，對于研究斷層失穩(wěn)機理、實現(xiàn)震前預警具有重要的意義。

采用DS128系列信號采集軟件對逆沖斷層卸載過程中的聲發(fā)射進行實時記錄，將85 s時斷層滑移瞬間的聲信息提取并放大得到斷層試樣主滑移過程(約3 ms)的聲發(fā)射波形如圖16所示。

圖16 斷層失穩(wěn)瞬間的聲發(fā)射波形(持續(xù)3 ms左右)

從圖16可以看出，斷層失穩(wěn)瞬間的震動過程可分為啟滑、主震、后震3個階段。① 啟滑階段：位于主震前，此時斷層由閉鎖狀態(tài)向解鎖狀態(tài)轉變，整體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，局部點剪應力已超過最大靜摩擦力并開始滑動，同時釋放微弱聲發(fā)射信號；② 主震階段：震源激發(fā)應力波由震源向四周傳播，并造成斷層整體失穩(wěn)，同時釋放絕大部分能量，且能量釋放過程并非一次性的，而是分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ事件逐步釋放，其中事件Ⅰ幅值為0.386 0 V，事件Ⅱ幅值為0.292 9 V，事件Ⅲ幅值為0.161 1 V；③ 后震階段：位于主震之后，釋放能量大幅降低，震動幅值基本位于0.033 V以下，此時斷層滑移基本停止，僅有殘余能量或應力波反射造成的質點震動。

5 討 論

對于卸載條件下逆沖斷層的失穩(wěn)致災問題，人們普遍關心的是逆沖斷層失穩(wěn)機理，通過了解逆沖斷層的失穩(wěn)過程及失穩(wěn)條件，進而提取失穩(wěn)前兆信息以實現(xiàn)斷層失穩(wěn)預警。

為探究逆沖斷層卸載失穩(wěn)過程，筆者將x向和y向載荷在斷層線上的分量求和得到剪切應力并作為縱軸，同時選取S4剪切應變作為橫軸，得到斷層剪應變-剪應力的變化曲線如圖17所示，曲線顯示時間周期為0～87.5 s。

圖17 斷層剪應變-剪應力變化曲線(0-85.7s)

根據圖17可知，隨著剪應力的增大，斷層剪應變逐漸增加并達到峰值，然后斷層瞬間失穩(wěn)、剪應變發(fā)生“突變”。通過將失穩(wěn)瞬間的“應變突變”部分放大，可以發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)瞬態(tài)應變變化分3個時期：a時期表現(xiàn)為應變驟降，此時應力幾乎無變化；b時期應變回彈，但回彈幅度僅為下降量的約1/3，剪應力略微增加；c時期應變幾乎不變，而應力逐漸減小。根據剪應變-剪應力曲線的斜率，即剪切模量倒數(shù)的變化趨勢，可將斷層的失穩(wěn)過程分為4個階段：Ⅰ階段，隨著剪應力增大，剪應變線性增加；Ⅱ階段，隨著剪應力增大，剪應變增加速率呈非線性變化；Ⅲ階段，隨著剪應力增大，剪應變增加速率降低，即進入塑性階段；Ⅳ階段，斷層失穩(wěn)、剪應變突變。

根據文獻[14]提出的斷層失穩(wěn)狀態(tài)變化過程，筆者認為卸載逆沖斷層失穩(wěn)過程與加載斷層失穩(wěn)過程類似，可分為4個階段如圖18所示。隨著剪應力增大，斷層剪應變逐漸增加，并且增加速率由快變慢，斷層系統(tǒng)由線性穩(wěn)態(tài)向非線性穩(wěn)態(tài)轉變，即圖18中O1A1段→A1B1段；當斷層面剪切應力接近其極限強度時，斷層進入亞失穩(wěn)階段，即B1C1段，此時剪應變增大速率進一步降低，斷層系統(tǒng)極不穩(wěn)定，使得該階段持續(xù)時間很短；剪應力稍一增加，斷層即進入失穩(wěn)階段，即C1D1段，此時剪應變發(fā)生突降，積聚在斷層兩側巖體內的剪切彈性能量大量釋放，并伴隨著劇烈聲響。同時圖16中的斷層啟滑應屬于該階段初期。

圖18 斷層失穩(wěn)過程

本實驗模擬了斷層在雙向預載后單方向卸載的情況，所得規(guī)律及認識對于x方向卸載或y方向卸載均是適用的。下面基于實驗結果，分析實際工程中F16斷層的滑移情況。根據地質資料，F(xiàn)16斷層系統(tǒng)剖面及受力情況如圖19所示。受2-3號煤層開采影響，F(xiàn)16斷層不同位置的受力、滑移情況具有明顯差異，例如煤層上方的斷層淺部A1點，由于煤層開挖，上覆巖層在自重應力作用下垮斷、彎曲、下沉，使得A1點的垂直應力σy減小，即y方向為卸載方向，而水平應力σx不變或略微減小，從而造成淺部斷層剪切力偶為逆時針方向，導致F16斷層發(fā)生逆時針滑移；對于深部區(qū)域B1點，垂直應力σy不變，而由于開采的卸荷效應水平應力σx大幅減小，使得深部斷層剪切力偶為順時針，造成F16斷層發(fā)生順時針錯動。

圖19 采動條件下F16斷層受力情況

基于本實驗研究成果，筆者認為以后研究重點應為斷層亞失穩(wěn)階段的規(guī)律、提取該階段的典型特征即斷層失穩(wěn)前兆特征；同時應進一步將失穩(wěn)瞬間的時間尺度放大，研究各單元的聯(lián)鎖失穩(wěn)過程和斷層震源激發(fā)應力波對周圍巖體的擾動響應問題。

6 結 論

(1)逆沖斷層卸載失穩(wěn)過程并非僅一次滑移，而是表現(xiàn)為差應力、滑移位移的多次“突跳”，且以第1次“突跳”量最大，此時斷層下部滑移量大于中部、上部。

(2)卸載條件下斷層巖體的法向應變和剪切應變均呈先減小后“突降-波動”再穩(wěn)定的變化趨勢，斷層下部的法向應變“突跳”變化量較大，兩端的剪切應變“突跳”變化量較大。

(3)卸載條件下逆沖斷層滑移可分為線性穩(wěn)態(tài)、非線性穩(wěn)態(tài)、亞失穩(wěn)及失穩(wěn)4個階段，斷層失穩(wěn)過程包括啟滑、主震、后震3個階段，失穩(wěn)瞬間剪應變呈突降—回彈—穩(wěn)定變化，造成F16斷層淺部區(qū)域逆時針滑移、深部區(qū)域順時針錯動。