深部开采逆断层对冲击地压的诱导机制.pdf

第4 3卷第 2期 2 0 1 8 年 2月 煤 炭 学 报 J OURN AL O F C HI N A CO AL S OC I E T Y Vo 1 ． 4 3 No ． 2 Fe b． 2 01 8 吕进国， 王涛 ， 丁维波， 等． 深部开采逆断层对冲击地压的诱导机制[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 8 ， 4 3 2 4 0 5 4 1 6 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 7 ． 1 2 1 1 L i 3 J i n g u o ， WA N G T a o ， D I N G We i b o ， e t a 1 ． I n d u c t i o n m e c h a n i s ms o f c o a l b u m p s c a u s e d b y t h r u s t f a u l t s d u ri n g d e e p m i n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 8 ， 4 3 2 4 0 5 4 1 6 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C O S ． 2 0 1 7 ． 1 2 1 1 深部 开采逆 断层对 冲击地压 的诱导机 制 吕 进国 ， 王 涛 ， 丁维 波 4 ， 潘一山 ， 南 存 全 4 1 ． 辽宁工程技术大学 力学与工程学院， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ； 2 ． 中国矿业大学 北京煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 4 ． 辽宁工程技术大学 矿业学院， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ； 5 ． 辽宁大学 环境学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 3 6 摘要 基于逆断层形成机制 ， 理论分析 了逆断层周 围的地应力环境， 并以义马 F 1 6逆 冲断层 为工 程背景 ， 建立了其 圆弧形态断层 面的简化力学模型， 得到了临近断层带两盘一定范围的应力分布特 征 ； 通过相似模拟 实验观测 了断层活化～ 失稳阶段对．Y - 作面冲击的物理过程 ， 研 究了冲击前后 断层 滑移与煤层应力变化规律 ； 应用三维精细化数值模拟技术并结合现场 实践 ， 分析 了临近 F 1 6逆冲断 层典型冲击地压案例 ， 揭示其发生的受力特征 。综上研究表明 当上覆 坚硬岩层阻挡软弱煤岩体沿 断层面向上逆冲滑动时， 临近断层带的坚硬煤岩体会产生应力集中， 并在断层两盘一定范围内出现 应力升 高； 临近断层 回采过程 中煤体所受的超前支承压 力、 断层支承压力、 两盘失稳滑落对煤体冲 击以及 断层 突然失稳破坏所产生的高能应力波会随着工作面与断层距 离不 同而产生不同的作用效 果， 按其一种或几种 的叠加作 用效果将逆断层诱发的冲击地压分为构造应力模式、 断层活化模式与 断层失稳滑动模式。从逆断层带地应力环境、 采动影响 下临近断层煤体 受力特征与采动影响下断 层活化一 失稳 滑动对工作 面动载冲击效应方面， 系统地揭示 了逆断层对冲击地压 的诱导机制， 为逆 断层诱发的冲击地压预警与防治提供参考。 关键词 冲击地压 ； 逆断层 ； 失稳滑动 ； 断层支承压力 ； 叠加作用 中图分类号 T D 3 2 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 8 0 2 - 0 4 0 5 - 1 2 I nd uc t i o n me c ha n i s m s o f c o a l bu mps c a us e d b y t hr us t f a u l t s d ur i ng d e e p mi ning L 7 J i n g u o ， WA N G T a o ， D I N G We i b o ， P A N Y i s h a n ， N A N C u n q u a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， F u x i n 1 2 3 0 0 0， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y of C o a l R e s o u r c e s a nd s Mi n i n g， C h i n a U n iv e r s i t y o fMi n i n g＆T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e i i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 ． S c h o o l o fC i v i l a n dR e s o u r c e E n g i nee r i n g ， U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g， B e ltin g 1 0 0 0 8 3 ， C h in a； 4 ． C o l l e g e ofMi n i n g a n d En g i n e e r i n g， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i ve i t y ， F u x i n 1 2 3 0 0 0 ， C h i n a ； 5 ． C o l l e g e o fE n v i r o n m e n - t a l S c i e n c e s ， L i a o n i n g U n i ver s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 3 6 ， C h i na Abs t r a c t Ba s e d o n t he f o r ma t i o n me c h a n i s m o f thr u s t f a u l t s， t h e c ru s t a l s t r e s s e n v i r o n me n t a r o u nd t h ru s t f a u l t s wa s t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d． Ta k i n g t he F1 6 t h r u s t f a u l t s o f Yi ma c o a l fie l d a s a n e n g i n e e rin g b a c k g r o u n d， a s i mp l i fie d me c h a n i c a l mo d e l o f t h r u s t f a u l t s w i t h c a mb e r e d f a u l t s p l a n e wa s b u i l t ， a n d t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e ri s t i c s i n a e e r t a i n r a n g e n e a r t wo s i d e s o f t h r u s t f a u l t s we r e o b t a i n e d． Th e ph y s i c al v a r i a t i o n pr o c e s s o f c o a l f a c e i mp a c t e d b y t h ru s t f a u l t s w h i c h we r e a t t h e s t a g e o f a c t i v a t i o n i n s t a b i l i t y a n d t h e c h a n g e l a w s o f f a u l t s s l i p a n d c o a l s e a m s t r e s s b e f o r e a n d a f t e r t he i mpa c t ． Th e t y p i c a l c o a l b u mps c a s e s o f t h e F1 6 t h ru s t f a u l t s o f Yi ma c o a l fie l d we r e a n a l y z e d a n d i t s s t r e s s c h ara c t e ris t i c s we r e r e v e a l e d b y t h e t e c h n i q u e t ha t c o mb i n e d 3 d i me n s i o n a 1 r e fi ne d n u me r i c al s i mu l a t i o n wi t h fie l d 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 9 0 3 修回 日期 2 0 1 7 - 1 1 0 3 责任编辑 常明然 基金项目 国家自 然科学基金资助项 目 5 1 5 0 4 1 2 8 ； 中国博士后科学基金资助项 目 2 0 1 6 M 6 0 0 2 1 3 ； 煤炭资源与安全开采国家重点实验室开 放课题资助项 目 S K L C R S M I 4 K F B 1 0 作者简介 吕 进国 1 9 8 4 ～ ， 男 ， 辽宁阜新人 ， 讲师 ， 博士。E - m a i l g l v j i n g u o 2 0 0 5 1 6 3 ． c o n 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 p r a c t i c e． Re s u l t s o f t h o s e r e s e a r c h e s a r e a s f o l l o we d wh e n t h e u pwa r d t h r u s t s l i p a c t i o n o f s o ft c o a l r o c k ma s s wa s o b ． s t ru c t e d b y ha r d o v e r l y i n g s t r a t a， t h e ha r d c o a l r o c k ma s s wi l l e x p e r i e n c e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n， a n d a n a c t i o n o f s t r e s s i n c r e a s e wi l l o c c u r i n a c e r t a i n r a n g e n e a r t wo s i d e s o f f a u l t s ． S t r e s s e s b o r n b y c o a l b e a m n e a r f a u l t s d u ri n g a c t u a l mi n i n g ， i n c l u d i n g a d v a n c e d a b u t me n t p r e s s u r e， f a u l t s a b u t me n t p r e s s u r e， i mp a c t s t r e s s o f d e s t a b i l i z a t i o n s l i d e o f t wo s i d e s a n d h i g h e n e r g y s t r e s s w a v e c a u s e d b y a b rup t d e s t a b i l i z i n g d e s t ruc t i o n o f f a u l t s ， t a k e v a r i e d e f f e c t s a c c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t d i s t a n c e b e t we e n wo r k f a c e a n d t h ru s t f a u l t s ．Ac c o r d i ng t o t h e d i f f e r e n t e f f e c t s c a u s e d b y o n e s t r e s s o r t h e S U p e r p o s i t i o n o f mo r e s t r e s s s o u r c e s ， c o a l b u mp s i n d u c e d b y t h rus t f a u l t s w e r e c l a s s i fi e d a s t e c t o n i c s t r e s s fi e l d mo d e ， f a u l t s a c t i v a t i o n mo d e a n d f a u l t s d e s t a b i l i z i ng s l i p mo de ． T he i nd u c t i o n me c h a ni s ms o f c o a l b u mp s i n d u c e d b y t hrus t f a u l t s we r e s y s t e ma t i c a l l y r e v e a l e d f r o m t h e a s p e c t s i n c l u d i n g c r u s t a l s t r e s s e n v i r o n me n t i n t h e a r e a o f t h r u s t f a u l t s ， c o a l b e a m s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f a r e a s n e a r t o t h ru s t f a ul t s u nd e r mi n i n g a f f e c t i o n， d y n a mi c a l i mp a c t e f f e c t o f wo r k f a c e u n d e r mi n i n g a f f e c t i o n c a u s e d b y t h e s l i p o f f a u l t s a t t h e s t a g e o f a c t i v a t i o n i n s t a b i l i t y ． T h e r e s u l t s o f t h i s r e s e a r c h c a n pr o v i de r e f e r e nc e s f o r t h e pr e - wa r n i n g a n d c o n t r o l o f c o a l b ump s c a us e d b y t h ru s t f a u l t s ． K e y wor ds c o a l b u mps ； t h r us t f a u l t s ； d e s t a b i l i z i n g s l i p； f a u l t s a b u t me n t p r e s s u r e； s u p e r po s i t i o n 国内外生产实践表 明 J ， 当采掘工作面接近断 层构造带时， 冲击地压的发生几率大大增加， 发生的 频度和强度很高 ， 破坏性极 强， 甚至可引起地表塌 陷 和引发局部地震。如， 阜新孙家湾煤矿“ 2 1 4 ” 特大 事故 ， 直接原因是断层构 造诱发 了冲击地压 ， 导致瓦 斯异常涌出而发生瓦斯爆炸， 造成 2 1 4人死亡 。义马 千秋煤矿“ 1 1 3 ” 特大事故 ， 造成 7 5人被困， 1 0人遇 难 ， 贯穿整个矿区的F 1 6 逆冲大断层是引发此次特大 事故的重要因素 。 可见 ， 断层作为一种普遍存在的地质构造， 诱 发的煤 岩动 力灾害将 会影 响煤 炭 的安 全 回采 。为 此 ， 国内外学者对断层 构造影响下 的冲击 地压灾害 作了大量研究。潘一山等⋯把断层冲击地压认为 是 由断层带介 质与上 下盘所 组成 的围岩系统 在采 掘过程 中变形失稳 的问题 ， 提 出了断层冲击地压发 生的判别准则 ， 并 通过试 验进 行 了验证 ； 齐 庆新和 窦林名 认为从发生冲击地压的煤岩体结构特征 及冲击地压显现特点来看 ， 冲击地压 过程实质就是 煤岩体受 力 过 程 的 瞬间 滑动 失 稳过 程 ， 即黏 滑 过 程 ， 特别是 发生 在断层 、 煤 层变 薄带 附近 的冲击 地 压 ， 更表现为黏滑过程， 并通过“ 煤一 砂” 岩试样在一 定 的加载条件下 ， 验证 了结构特征 在冲击地压发 生 过程 中的作用 ； 姜福 兴等 研究 了断层活化 与微震 活动 的时空关系 ， 认为 断层 可以分为增压 型与减压 型， 增压型断层可增加冲击地压发生的几率 ； 李志 华等 以济三矿为背景 ， 分别进行 了工作 面沿断层 上盘与下盘开采 的相似模拟试验 ， 分析 了超前 支承 压力、 顶板下沉量等因素， 并结合数值模拟阐述 了 采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理。 综上研究仅是将断层作为一种简单的断裂结构， 事实上断层种类 的不 同决定了地层运动过程 原始受 力的不同， 这将决定什么样的断层或者什么条件下的 断层容易诱发冲击地压一般来说， 根据断层的受力 特点 ， 逆断层更易诱发煤岩动力灾害。为此 ， 本文采 用理论分析 、 相似模拟实验 、 数值模 拟结合现场实 际 等多种手段 ， 试 图从逆断层构造 的原岩应力环境 、 采 动影响下临近逆 断层煤体受力情 况以及断层活化 一 失稳滑动阶段对采场 冲击效应等方面系统地揭示 出 逆断层对 冲击地压 的诱导机制 ， 这将为断层构造诱发 的冲击地压监测预警与防治提供借鉴 I 4 。 1 逆 断层周 围原岩 应力环境 1 ． 1 逆断层力学成因 逆断层在水平挤压应力 or。 与岩层 自重应力 19 “ 作用下 ， 将形成 2组共轭剪 切断裂带 ， 如 图 1 a 所 示。由于作用力 o - 与 o r 在传递过程中逐渐损失减 小 ， 因此反作用力 与 小于 o r 与 ， 在这里可将 与 称为主动力 ， 显然受主动力作用下的剪切破 裂面会更加发育 ， 另一组则较差 。此时 ， 在剪切面上 的正应力 o r 与剪应力 满足式 1 和 2 。 华 C O S 2 1 ■ 十 _ L l ‘2s i n 2 一 oC o t a n o 3 式中， 7 - 。 为剪切破裂面滑动 时的临界剪应力 ；C 。为 破裂面黏聚力 ， 。 为破裂面内摩擦角。 在高水平挤压应力 or 持续作用下 即主动力作 用 ， 主动力一侧煤 岩层 即将沿剪切破裂面滑动启 动 时 ， 应满足式 3 。当 r ≥7 1 0时 ， 该侧煤岩层会发生 剪切逆向滑动 ， 从而形成上盘 ， 这里把上盘称为主动 盘 ， 下盘称为被动盘。可见 ， 两盘的位移 主要是上盘 第 2期 吕进幽等 深邮开采逆断层对冲击地压的诱导机制 4 0 7 a f 破裂 淞 b 彤战衲 图 1 逆断层成因示意 F i g ． 1 Me c h a n i ‘a l a n a l y s i s o f r e v e l ’s e f a u h c a u s e s 运动的结果 。 由于上盘_ l 升过程 中的剪应力需通 过断层构造带进 行传递 ， 会造成一定的损失 ， 因此 ， 断 层下缸的受力强度 及其影响范围要小于上盘 ， 与其对 应的伴生 理也不如上盘发育。这将 为数值模拟的 边界条f t - D i i 载提f J t S ． 论基础 。 『 埙 j 盘沿断层 任 玎 相对运动过程中 ， 在断层面上的剪 应 力作用下， 断层两盘会形成与断层面平行的同向断 裂而以及与断层 面小 角度相交的节理 等伴生构造 。 与此同时 ， 临近断层而的两盘煤岩体在剪应力作用下 发牛弯曲， 逐渐形成牵引褶铍 ， 翼部弯曲程度逐渐增 高 ， 通常上盛 呈现背斜 ， 下盘呈 现 向斜 ， 如 图 1 b 和 所示 。若弯 曲程度较 高， 坚硬煤岩层会积聚 大 的弹性应变能 ； 在牵引褶曲过程中， 还会伴生 出 煤层的厚薄突变带 ， 该地带很可能存在较高的应力集 中情况 ， 这些小尺度的地质构造将为冲击地压的发生 提供 l『有利条件。 1 ． 2断层两盘力学环境 在以往 的研究中， 断层 面经常被简化为平直面， 但实践证明 ， 同一条断层在 不同位置揭露 ， 断层面倾 角与走向在窄间中呈现出较大的变化， 即断层产状具 有空间曲面特征 ， 类似于山体滑坡 出现的上陡下缓的 弧形。通常来讲 ， 一般在浅部断层倾角相对较 陡， 近 似平卣面； 在深部较缓 ， 近似弧 而。那么断层面的空 间几何形态就会影响原岩应力的分布， 造成116 i 近断层 两盘一定范尉内产生应力集中现象。 本文以义马矿区 F I 6逆冲断层为 程背景 ， 详细 分析断层两髓的原岩应力分布特征。 1 应力环境分析 义马矿区煤层的 t - 覆岩层普遍存在巨厚砾岩， 由 于 厚砾岩相对位于地层浅部 ， 且刚度大 、 强度高， 抵 抗变形 I j 破坏的能力蛆， 断距较小； 深部软弱煤岩层 刚度小 、 强度弱 ， 断距较大 。因此 ， F I 6断层面总体呈 现出浅陡深缓 fl ,J J L 何形态。 由于浅部断层倾角陡， 位于此位置的巨厚砾岩断 距较小或者存在锁 固段 】 ， 相对而言两盘更 容易充 分接触而闭锁 ， 形成相对稳定的梁结构 ， 不易发生逆 冲滑动。然而位于深部的断层倾角较缓， 断距较大， 在高水平的应力作用下， 上盘的软弱煤岩层更易于沿 着断层面发生逆冲滑动。但 七覆砾岩层容易形成稳 定状态 ， 难以发生逆 冲滑动， 这将 限制断层倾角较缓 处的软弱煤岩层沿断裂面发￡ E 逆冲滑动， 因此在断层 面缓倾角与陡倾角之间会存在一个临界角 ， 在此临界 角下方的软弱煤岩层将会发生塑性 流动。在持续强 大推力的挤压下 ， 由于断层陡倾角区的坚硬岩层阻碍 了软弱煤岩体的逆 冲向上运动， 起到阻碍作用的区域 坚硬煤岩体会产生高度的应力集中， 该应力可通过断 层构造带传递到下盘的煤岩体 中， 造成临近断层两盘 煤岩体在一定范围内出现应力升高， 当临近断层附近 应力升高区域采掘作业时， 易于发生冲击地压灾害， 2 力学模型构建 依据上述的理论 ， 提 出如下假设 ， 并构建 F I 6逆 冲断层 的简化力学模型， 如图2所示。 冲 域、 - b 微元体 力学分H 图 2简化力学模 型 F i g ． 2 S i mp l i fi e d me t h a l i i c s mo d e l ① 将义马 F 1 6 逆冲断层面简化成圆弧形态， q 为 上覆岩层的载荷集度 ， 7 为垂直断层走 向的水平方 向 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 的构造应力； ② 微元 A B C D由巨厚砾岩下方与断层 面上方的软弱煤岩体组成， 视为均质、 各向同向的弹 性体； ③上覆巨厚砾岩难以沿断裂面发生逆冲滑动， 微元A B C D沿巨厚砾岩底板和断层面发生了逆冲剪 切滑动 ， 在滑动过程 中， 由于坚硬顶板与断层形成了 空间限制， 微元体会产生垂直方向的压缩变形， 即会 产生附加垂直应力； ④ 以0 为原点， 建立直角坐标系 x o y ， 轴平行于水平应力方向， 过 点并与 轴相垂 直的方向做 Y轴； ⑤ 圆弧的圆心为 0 ， 半径为 尺 ， 在 断层面上任意一点 c与圆心 0 连接所成半径与水平 面的夹角为 ， E为断层面与 巨厚砾岩层底板 交点 ， 半径 o 。 E与水平 面所成夹角为 ％ ， 上盘 巨厚 砾岩层 倾角为 。 ； ⑥ 微元的水平位移 与其距原点 0的水 平距离的关 系为线性 函数H 引， 设 0 P的水平位移为 。 ，E点不发生位移 。 根据 E点位移的边界条件可得 1 1 , k x 4 根据几何关系可知 C O S O L 。 -- C O S ， 再根据 P点的水平位移为 u 。 ， 此时 o “rr ／ 2 ， 可得 k f 5 R cos 0 将式 4 代人式 1 ， 再对 求导， 可得水平应变 为 d ／ Z n ⋯ s 一d x R cos O 0 如 图2 b 所示 ， 微元 C D面移动到 c D 的水平 位移记为 “ ∞， 则 II C D C O S o ／ 0一C O S O ／ ／ L 一 ， COS OL 0 式 中， 0 ≤ ≤ 2 ， 0 ≤ 0 - r r ／ 2 。 设线段 O F长为 A R ， 根据几何关系， 则 C D面竖 向位移 V C D与 C D的长度分别为 V C Du c JD c o t t a n 8 I C D l R s i n 一A RY D 9 式中， A为 常数且 0≤A≤s i n ， 0 ri o r ／ 2 ， Y D为线 段 A E上一点纵向坐标 。 又根据 A E的线性 函数关系可知 Y 一t a n 3 o xY E 1 0 Y ER s i n O l 0一A R 1 1 通过式 1 0 与 1 1 可得 Y DR t a n 0 C O S 一C O S o R s i n o L oA 1 2 将式 1 2 代入式 9 ， 计算 出 C D长度 ， 根据 C D 面 Y 方向平均线应变为 U C D ／／ l c D I可得 0 c o t O ／ t a n卢 o C O S oC O S R c o s O ／ o [ s i n o ／ 一s i n 0t a n 3 o C O S O ／ 0一C O S O ／ ] 1 3 将式 6 ， 1 3 代人式 1 4 与 1 5 ， 可得到水平 构造应力 以及由其作用下所产生的附加垂直应力 E 1 1一 [ 1一／z ] 1 4 ， s x L 一 占 j 1 5 式中， E为煤岩体平均弹性模量， 为煤岩体平均泊 松比。 式 1 4 与式 1 5 计 算 出的是 水平构 造应力 与 构造应力作用下所 产生的附加垂直应力 ， 实 际垂直 应力 应等 于该处 的 自重应力 加上 附加垂 直 应力 o r 。 o r 1 6 该计算并不能反映出应力的真实值 ， 但可揭示出 断层周围应力分布的一种趋势特征。为便于理解， 将 式 1 4 和 1 5 数值化， 即煤岩体 弹性模量 E取 3 G P a ， 泊松 比 取 0 ． 2 5 ， 取 1 m， ％ 取 7 ／ 8 ， 取 3 ， R取 2 0 0 m。 如图3 所示， 上盘水平构造应力及其产生的附加 垂直应力随着 圆弧角度 的减小 而增大 ， 即随断层 倾角的增大而增大 ， 但水平构造应力增幅较小 ， 附加 垂直应力增 幅较大 ； 圆弧角越小 ， 即断层倾角越大 ， 水 平构造应力与附加垂直应力增加 的速度越快。且在 断层 圆弧角度 O ／ 最小处 ， 也就是厚而 坚硬岩层和 断 层面相交位置， 构造应力与附加应力达到最大。可 见， 水平构造应力与附加垂直应力受断层面的几何形 态影 响显著 ， 在断层周 围高于其他区域应力值。 对 室 图3 断层带应力特征 F i g ． 3 S t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s n e a r t h e f a u l t 2期 H进 等 深部开采逆断层对冲 地压的诱导机制 本文采用数值模拟作 为参考 ， 下 盘煤 层埋深约 5 2 0 1 1 1 ， 模型尺寸 长 宽 离 2 5 5 1 1 1 X 1 O 0 re x 9 4 i n ， 断 层丽为 弧形态。采用摩 尔库伦模 型， 模型底 面 固 定 ， 宣侧 限制 方 向化移 ， 前后两面限制 Y方 向位 移 ， 仃侧 面施加 1 7 ． 1 4 MP a水平应 力， 模 型顶部沿 。 向下施加 1 0 ． 0 l MP a 乖 应力。 l叟 【 J 4所示 ， 水平心 力与垂直应力集 中区 升高 共有 2处， 一处临近软弱煤岩层的 上覆 硬岩层 且化 断层附近 ， 且达到应力峰值 ， 这 理论计算 出 的 力峰值位置一致 ； 另一 处位于断层倾 角较缓 区 域 ， 陔 域集 中程度较小 ， 这是 由于底板属于坚硬岩 层 罔 3 a 升高区的垂 “应 力为 自重J 力 按下盘 煤层的埋深计算 的 1～ 3倍 ， 图 3 1 升高 的水平 应力为边界加载的 1～1 ． 1 倍 ， 与垂直应力对比， 增加 幅度较小 ， 也符合理论汁算模型。 9 2 9 5 O-0 0 姜 5 o 0 喜 1 0．0 1 5 ． 0 1 8 3 b 水、 、 J 4 断 附近应力分布规律 F i g ．4 I a w ‘ f1 s t r s t l i s t l’ i l mt i o n n e a 1 ．t h e flmh 2 断层活化 失稳对工作面冲击效应 2 ． 1 实 验方 案 实验 台尺 寸 K宽 X 高 l 8 0 0 1 1 1 1 1 1 1 6 0 Irl l l l l X l 3 0 0 I I 1 1 1 ， 几何相似比 1 O 0 ， 容重相似 比为 1 ． 6， 时问 桐似比为 1 0 。断层倾J 1 1 6 0 。 ， 落差 2 n l ， 模拟一 [ 作面向 断层方向逐步叫采过程 铺设完成后的模型上 ， 问 隔一定 离布置散斑点 ， 从断层带开始向两侧布设 。 实验采用高速相机配合电脑进行实H 4 I I 像采集 ， 图像 采集频率 1 5 f p s ， 保存速度 4 f I 】 s 。应力测量采用 电阻 应变式压力盒， 主要布置在开挖一侧的煤层底板和断 层带部位 。在模型中沿煤层底板方 每隔一定距离 埋没 1 个 力盒， 沿着断层 面倾斜力‘ 每隔一定距离 布置 2个压力盒 ， 2个压力 盒组成 1个测点 ， 分别为 A、 B与 C 个测点 ， 用来计 算出断层 而的正应力 } _j 剪应力。其中一个沿断层面倾斜方 向 置 ， 另 个沿 水平放置 ， 2个压力盒尽 町能地靠近。在断层带 附近 设有 5个散斑点作为断层滑移观测点 ， 在示意图中仪 作简化标出 1个， 实验模型如图 5所尔 谯 加 载 敞斑 点 固定端 吲定端 。 赞 c j 2 号 l 号i o 粤6 可7 粤 压 万盒 ＼ 6 _o L 矧5实验模 型刀 总 Fi g ． 5 S -l mma t i c d i a g t a n l o f s i I n i l a r mo d e l 2 ． 2 断 层活 化一 失稳对 工作 面冲 击物 理过 程 根据相似 比， 模拟开采进尺 5 I I I ， 斤切眼至断层 位置 共 需 开 采 2 4步 ， 即 歼 切 眼 刮 断 层 距 离 为 l 2 0 m 。如 6所示 ， 从_丌切眼刮 作而推进 4 5 m 时 ， ． 上覆岩层位移和煤层应力变化小 【jj j 显。当T作【 f 【 『 推进到5 0 n ， 此时距离断层 7 0 I I I ， 采 区j I 片直接顶 开始出现离层 ， 随后短时间内顶板迅速垮 落； 随着 作面继续推进 ， 垮落范围不扩 大， 采 区后方呈佶 J 期 性垮落 ， 但 断层没有 明显 滑动位移 ； I ， 推进到 7 5～ 8 0 i n ， 距断层约 4 0 1 1 时 ， 出现 r大范 的顶板垮落现 象， 断层带产生 了微小滑移 ； 当距断层约 2 0 m时， 断 层上盘发生了明 滑动 ， 并加速向采 区方向下滑 ， 随后上盘的 覆岩层整体失稳 ， 剧烈 『 j - ．陕速压缩煤 体 ， 煤体发生破坏突然向采空一侧 7 l { I ⋯ ， 同时伴 随声 响， 实验 台出现较大震动。断层的活化失稳过程非常 短暂 ， 仅持续约 2 s 。此过程能够较好 的描述 出断层 活化失稳对采煤 J 作面所产生的冲击脱象 。 f b 7 5 m c网采8 O m 图 6卡 目 似模拟实验 i g ． 6 S i mi l a r s i l l l 1．I l a l i o n e x pe r i me nl ∞ 8 O 0 O O 0 7 0 5 2 2 2 4 ＆●■● 4 1 0 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 2 ． 3 冲击前后断层滑移与煤层应力变化规律 从 图 7 ， 8可知 ， 工作面距离断层较远时 ， 断层两 盘的滑移量呈线性增加趋势， 但增加量很小； 当工作 面距断层 2 0 m左右时 ， 断层滑移量迅速增加 ， 是之前 滑动累计量 的 1 6倍 ， 说明断层发生 了突然的失 稳破 坏 ， 导致上覆岩层失稳滑落 ， 从而造成对煤体的冲击 。 ／ 一 垮 落 ／ 蔓 I滑 落 ，，／ 。 垮 落 ＼ 范 围 ＼ ／断 范 嗣 ／蕲 层 一一一一一￡ 三 E a 直接项初次垮落 b 上覆岩层大范围垮落 c 断层活化 d 断层失稳 图 7 开采后 断层 覆岩演化过程 F i g ． 7 Fa u l t s t r a t a e v o l u t i o n pr o ce s s a