王宏偉，王 晴，石瑞明，姜耀東,2，田 政

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

沖擊地壓作為典型的動力災(zāi)害，由于其頻繁發(fā)生的危害性、極短前兆的突發(fā)性、機(jī)理研究和預(yù)測防治的復(fù)雜性等特點，給煤炭資源安全高效開采帶來巨大的挑戰(zhàn)，同時也是國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注的熱點課題。

在眾多誘發(fā)沖擊地壓的因素中，斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造賦存環(huán)境是沖擊地壓等動力災(zāi)害的重要誘因。斷層失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓是由于斷層構(gòu)造等不連續(xù)面的存在，在開采擾動下出現(xiàn)突然的相對滑動和能量的瞬間釋放，從而導(dǎo)致礦井劇烈振動和破壞的動力現(xiàn)象的發(fā)生。與其他典型的沖擊地壓類型相比，斷層失穩(wěn)誘發(fā)的沖擊地壓所影響的范圍更加廣泛，災(zāi)害發(fā)生時所釋放的能量強(qiáng)度更大、震級更高。

近年來，沖擊地壓等典型動力災(zāi)害事故在煤礦開采中頻繁發(fā)生。例如，2018-10-20山東能源集團(tuán)龍鄆煤業(yè)有限公司發(fā)生嚴(yán)重的沖擊地壓事故，由于受采掘、施工擾動和斷層滑動等影響導(dǎo)致地應(yīng)力更加集中從而誘發(fā)動力災(zāi)害，造成數(shù)名人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失；2019-06-09吉林煤業(yè)集團(tuán)龍家堡礦業(yè)有限責(zé)任公司的沖擊地壓事故，該事故的直接原因是高水平構(gòu)造應(yīng)力、采掘活動影響和斷層活化等多因素共同導(dǎo)致，造成巷道嚴(yán)重破壞和人員傷亡；2019-08-02開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司井田內(nèi)斷層和褶皺構(gòu)造附近發(fā)生了井下沖擊地壓事故，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了巨大損失；此外，2020-02-22山東新巨龍能源有限責(zé)任公司在開采工作面與斷層構(gòu)造形成的強(qiáng)沖擊危險區(qū)域發(fā)生了較大沖擊地壓事故等。事故分析報告顯示，上述沖擊地壓事故的發(fā)生多與斷層等地質(zhì)構(gòu)造賦存狀態(tài)影響相關(guān)，事故高發(fā)區(qū)域地應(yīng)力集中明顯。因此，研究斷層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的特征和機(jī)理對沖擊地壓的預(yù)測和防治至關(guān)重要。

關(guān)于斷層構(gòu)造和沖擊地壓的相關(guān)性，國內(nèi)外學(xué)者從各個角度研究了沖擊地壓機(jī)理，并提出一系列經(jīng)典理論，為斷層構(gòu)造失穩(wěn)誘沖機(jī)理研究奠定了理論基礎(chǔ)。MICHALSHI最早提出了在臨近斷層開采時更容易誘發(fā)沖擊地壓的觀點，OHNAKA給出了斷層滑移動態(tài)摩擦定律假說；RICE等則認(rèn)為沖擊地壓的發(fā)生主要是因為斷層面的摩擦和剪切作用，并分析了斷層滑移過程中溫度場變化特征；于廣明，謝和平等將分形理論應(yīng)用于斷層活化研究，分析了斷層面分型界面效應(yīng)與巖體破壞的關(guān)系；考慮斷層構(gòu)造的影響，王學(xué)濱、林遠(yuǎn)東等應(yīng)用應(yīng)變梯度塑性理論得到了斷層帶與圍巖失穩(wěn)的判據(jù)及解釋，并推導(dǎo)了斷層滑移錯動位移理論公式；宋振騏在“實用礦山壓力控制”理論的基礎(chǔ)上，建立了過斷層開采的控制力學(xué)模型以及相關(guān)控制準(zhǔn)則；紀(jì)洪廣等將庫侖應(yīng)力的概念引入開采擾動下斷層滑移失穩(wěn)分析中；HOFMANN等應(yīng)用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，研究了開采擾動下斷層滑移失穩(wěn)時滑移帶的黏聚力變化情況等。

此外，部分學(xué)者從斷層面滑移趨勢入手研究了斷層活化機(jī)理。SAINOKI和MITRI等通過推導(dǎo)出新的滑移減弱距離準(zhǔn)則對斷層滑移的摩擦阻力進(jìn)行了標(biāo)定，考慮斷層傾角、落差、斷層面粗糙度等因素的影響，揭示了逆沖斷層擠壓型地質(zhì)構(gòu)造誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理；TAGHIPOUR等采用數(shù)值模擬手段研究了斷層的滑移趨勢，分析了斷層活化時不同部位的應(yīng)力積累和塑性應(yīng)變的發(fā)展情況；WEI等發(fā)現(xiàn)斷層面上不同位置的滑移趨勢大不相同，分析了動摩擦和臨界滑移距離對斷層結(jié)構(gòu)線性滑動弱化的影響。

為進(jìn)一步揭示開采擾動影響下斷層失穩(wěn)的誘沖機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者對斷層的賦存狀態(tài)，以及斷層影響區(qū)域位移場、應(yīng)力場和能量場等多物理場的演化特征也進(jìn)行了大量研究。目前，對于斷層面位移場的研究手段主要依靠相似模擬試驗和數(shù)字散斑監(jiān)測技術(shù)。張寧博、趙善坤等分析了逆沖斷層在單側(cè)卸載條件下失穩(wěn)瞬間位移場的變化規(guī)律，探討了斷層滑移失穩(wěn)機(jī)理；張科學(xué)、何滿潮等研究了在采動影響下斷層活化過程中斷層附近圍巖的變形情況，并總結(jié)出斷層滑移失穩(wěn)誘發(fā)巷道沖擊地壓的機(jī)理；宋義敏等通過直剪摩擦滑動試驗分析了斷層滑移失穩(wěn)過程中位移場的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)位移場具有時間間隔滑動特征和空間差異性特征。王宏偉等通過相似模擬試驗給出了斷層面上相對位移的時空演化特征，認(rèn)為上覆巖層的存在對斷層結(jié)構(gòu)位移具有重要的影響。

開采擾動影響下，應(yīng)力場的分布與演化特征以及能量場積聚與釋放在斷層結(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)過程中起著決定性作用。呂進(jìn)國等認(rèn)為高水平構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力等多應(yīng)力場的耦合疊加作用為斷層滑移失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓提供了動力力源條件；蔡武、竇林名等提出開采擾動引起的水平采空側(cè)卸載和豎直方向加載是導(dǎo)致斷層滑移的力學(xué)本質(zhì)；羅浩等采用數(shù)值模擬方法與物理相似試驗，得出了圍巖應(yīng)力場在開采擾動和斷層構(gòu)造影響下的變化規(guī)律；王宏偉等通過建立理論力學(xué)模型研究了斷層面上應(yīng)力場和能量場的時空演化特征，給出斷層滑移判別力學(xué)依據(jù)；朱廣安等研究了斷層面上應(yīng)力場的變化情況，并給出了斷層活化可能危險性判別的應(yīng)力條件；蔣金泉等分析了在巨厚堅硬巖層與逆斷層耦合作用下采動應(yīng)力的演化規(guī)律與斷層活化特征；王濤等通過對開采條件下斷層應(yīng)力變化特征的研究，發(fā)現(xiàn)開采擾動是導(dǎo)致斷層滑移失穩(wěn)的重要因素之一；譚云亮等發(fā)現(xiàn)深部開采活動引起斷層發(fā)生滑移失穩(wěn)時會釋放大量能量，同時煤巖應(yīng)力瞬間增大，并且認(rèn)為深部動力災(zāi)害的監(jiān)測應(yīng)當(dāng)以能量判據(jù)為主；姜福興等采用微地震監(jiān)測手段分析了斷層構(gòu)造在滑移失穩(wěn)過程中能量變化特征，總結(jié)出構(gòu)造控制型沖擊地壓的分類依據(jù)。

綜上所述，煤礦沖擊地壓的發(fā)生與斷層構(gòu)造賦存條件密切相關(guān)，開采擾動下斷層構(gòu)造的失穩(wěn)過程可以從圍巖位移場、應(yīng)力場和能量場的動態(tài)演化過程中獲得前兆規(guī)律，是研究沖擊地壓精準(zhǔn)預(yù)測和高效防控的前提。筆者總結(jié)了在承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0801401)、國家自然科學(xué)基金(41872205)和北京市自然科學(xué)基金(8202041)等課題期間的研究成果，從斷層構(gòu)造成因、地質(zhì)賦存狀態(tài)和高水平原巖應(yīng)力環(huán)境等角度介紹了沖擊地壓發(fā)生時斷層構(gòu)造的地質(zhì)賦存環(huán)境等特征，建立了考慮工作面開采時的斷層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和厚層頂板賦存的物理模型，推導(dǎo)了斷層面上下盤相對滑動位移的逐點積分計算方法，提出了可表征斷層滑動摩擦與能量釋放相關(guān)性的斷層結(jié)構(gòu)勢能的概念，分析了開采擾動下斷層構(gòu)造位移場、應(yīng)力場和能量場的動態(tài)演化特征，系統(tǒng)闡述了斷層構(gòu)造失穩(wěn)的發(fā)生特點和誘發(fā)沖擊地壓的力學(xué)機(jī)理。筆者的研究結(jié)果期望能為我國煤礦沖擊地壓的預(yù)測與防治提供理論支撐。

1 斷層構(gòu)造失穩(wěn)誘沖的關(guān)鍵科學(xué)問題

1.1 開采擾動下斷層滑移失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理

由于巖體受到地殼運動的強(qiáng)烈擠壓作用，使得在斷層等地質(zhì)構(gòu)造成型期間積聚了大量的彈性應(yīng)變能，是其誘發(fā)煤礦沖擊地壓的主要動力環(huán)境。在現(xiàn)場監(jiān)測中，盡管可以利用鉆孔應(yīng)力、地質(zhì)雷達(dá)探測、微震監(jiān)測和電磁輻射監(jiān)測等技術(shù)手段獲得工作面開采過程中斷層結(jié)構(gòu)附近及上覆巖層的位移場、應(yīng)力場和能量場的宏觀變化特征。然而，目前能夠表征斷層面多物理場時空演化特征的力學(xué)機(jī)理解釋尚未清晰，無法準(zhǔn)確獲知斷層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的多物理場動態(tài)演化特征和前兆信息。

筆者建立了考慮工作面開采時的斷層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和厚層頂板賦存的物理模型，推導(dǎo)了斷層面上下盤相對滑動位移計算的逐點積分方法，提出了表征斷層滑動摩擦與能量釋放相關(guān)性的斷層結(jié)構(gòu)勢能的概念，分析了開采擾動下斷層構(gòu)造位移場、應(yīng)力場和能量場的動態(tài)演化特征，總結(jié)出斷層滑移失穩(wěn)動態(tài)過程中摩擦狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界位置和應(yīng)力條件，系統(tǒng)闡述了斷層構(gòu)造失穩(wěn)的發(fā)生特點和誘發(fā)沖擊地壓的力學(xué)機(jī)理。

1.2 斷層構(gòu)造失穩(wěn)誘沖的多物理場前兆特征

采動條件下斷層構(gòu)造及其影響區(qū)域的應(yīng)力重分布動態(tài)演化過程十分復(fù)雜，斷層面的靜態(tài)滑移、整體劇烈滑動以及斷層結(jié)構(gòu)位移場的動態(tài)演化過程，是研究斷層失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的重要前兆信息，而該過程勢必伴隨斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的動態(tài)響應(yīng)。同時，由于受到來自側(cè)向壓力和上覆巖層下沉壓力的共同作用，斷層滑動是斷層面摩擦效應(yīng)的體現(xiàn)。在斷層未滑動之前，斷層面由于未達(dá)到最大滑動靜摩擦，其斷層區(qū)域圍巖彈性應(yīng)變能處于長期積聚而未釋放的狀態(tài)，斷層失穩(wěn)后的能量釋放也是當(dāng)前微震事件數(shù)、聲發(fā)射事件數(shù)和電磁輻射強(qiáng)度值監(jiān)測的重要目標(biāo)，也可為沖擊地壓事故的發(fā)生做出預(yù)測。

筆者在研究開采擾動下斷層滑移失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理基礎(chǔ)上，研究斷層附近上覆巖層運移與斷層滑動破壞的相互作用，分析斷層側(cè)壓系數(shù)對斷層面應(yīng)力場的影響，給出斷層滑動危險性判別條件，著重分析斷層面位移場緩急突變、應(yīng)力場正剪分化以及能量場激增滯后的動態(tài)演化特征，分析斷層結(jié)構(gòu)及影響區(qū)域多物理場異常演化現(xiàn)象與斷層滑移失穩(wěn)誘沖機(jī)理之間的聯(lián)系，從而獲得能夠預(yù)測斷層滑移失穩(wěn)的前兆特征。

2 斷層構(gòu)造的地質(zhì)特征及誘沖模式

斷層構(gòu)造的成型過程、地質(zhì)賦存狀態(tài)，是斷層影響區(qū)域高水平原巖應(yīng)力環(huán)境的主要原因，了解斷層構(gòu)造的地質(zhì)特征有助于探究其失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理。

2.1 斷層構(gòu)造的成因及地質(zhì)賦存狀態(tài)

經(jīng)過長期的地殼運動和強(qiáng)烈的擠壓作用，巖層中較為薄弱的位置發(fā)生斷裂并與相鄰巖體產(chǎn)生相對運動，從而形成斷層構(gòu)造。根據(jù)斷層構(gòu)造形成時所受到的應(yīng)力狀態(tài)以及巖石物理性質(zhì)的差異，可將其分為正斷層、逆斷層和平移斷層。斷層構(gòu)造成型后沿其走向上不同位置的巖體變形能力和能量積聚程度大不相同，在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下主斷層兩側(cè)巖體上衍生出大量的節(jié)理和次生斷裂面，并與主斷層面形成具有一定寬度的斷層帶影響區(qū)域。然而，斷層等地質(zhì)構(gòu)造由于其深部賦存的特點，在地層中并不容易被發(fā)現(xiàn)。目前，國內(nèi)外主要應(yīng)用地球物理探測技術(shù)對煤層賦存條件和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘探。比較常見的探測方法有地震法和電磁法，例如，彭蘇萍等將三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用于淮南煤礦，并證明可以有效地探測小斷層、陷落柱、地質(zhì)異常體和活動斷層等地質(zhì)構(gòu)造，成為煤礦高效安全生產(chǎn)的重要技術(shù)手段之一。王揚州等將瞬變電磁法應(yīng)用到礦井中的全空間范圍，實現(xiàn)井下采空區(qū)多角度立體探測技術(shù)。因此，預(yù)先探測煤層的賦存環(huán)境和斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)，有助于探究采動影響下斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造附近多物理場的時空演化特征，為深入探索斷層滑移的力學(xué)機(jī)制提供了技術(shù)前提條件。

斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造在我國各地區(qū)煤田中普遍存在。筆者以河南義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司義馬礦區(qū)、北京昊華能源股份有限公司京西礦區(qū)、黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司雞西礦區(qū)以及開灤(集團(tuán))唐山礦業(yè)分公司唐山煤礦作為工程案例，分析斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的成因及其賦存地質(zhì)環(huán)境特征。

圖1為河南義馬礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造。義馬礦區(qū)地處褶皺-逆沖斷層的構(gòu)造區(qū)域范圍內(nèi)，形成具有大量走向、傾向、斜交的斷層和褶曲等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，煤層出現(xiàn)嚴(yán)重的分叉與合并現(xiàn)象。義馬礦區(qū)從西向東依次分布著楊村煤礦、耿村煤礦、千秋煤礦、躍進(jìn)煤礦和常村煤礦，向南以F陜石—義馬逆斷層為界線(圖2)。據(jù)現(xiàn)場資料統(tǒng)計，千秋煤礦和躍進(jìn)煤礦中多個工作面的多次沖擊地壓事故均與F逆沖斷層有直接關(guān)系。

圖1 義馬礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

圖2 義馬礦區(qū)各煤礦地理位置及2006—2015年各煤礦沖擊地壓發(fā)生頻率

由于地殼運動過程中比較軟弱的煤層受擠壓應(yīng)力作用易發(fā)生斷裂和相對滑動，且在巨厚礫巖層的共同作用下形成壓扭性逆沖斷層F。斷層走向近東西，傾向南，略偏東，淺部傾角75°，深部傾角15°～35°，逆沖面上陡下緩，落差50～500 m，水平錯距120～1 080 m，北接千秋煤礦，向東延入躍進(jìn)煤礦。根據(jù)圖3可知，F(xiàn)斷層緊鄰多個采煤工作面，其存在不僅切斷了巖層的連續(xù)性，還伴有應(yīng)力集中和能量積聚現(xiàn)象，增大了開采的難度。因此，斷層構(gòu)造的存在被認(rèn)為是該礦區(qū)沖擊地壓發(fā)生的主要誘因。

圖3 義馬礦區(qū)千秋煤礦21221工作面采掘平面示意

位于北京西部地區(qū)的北京昊華能源股份有限公司的京西礦區(qū)是我國另一典型的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造賦存區(qū)域。由于受燕山和喜馬拉雅山多次造山運動、構(gòu)造運動以及侵蝕作用的劇烈影響，在強(qiáng)擠壓力作用下形成地層倒轉(zhuǎn)型褶皺和大中型逆沖斷層相當(dāng)發(fā)育，如圖4所示。水平構(gòu)造力使得礦區(qū)內(nèi)形成多個向斜和背斜構(gòu)造從而造成地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致褶皺軸部及兩翼形成了多種次級褶曲構(gòu)造，同時伴有大量逆沖斷層的產(chǎn)生。以大安山煤礦的大寒嶺背斜和向斜為例，其中背斜傾角范圍為10°～90°，向斜傾角范圍為50°～90°，斷層的最大落差為150 m，最大傾角為77°。圖5給出了京西礦區(qū)大安山和木城澗煤礦的構(gòu)造剖面示意。逆沖斷層的存在導(dǎo)致煤層和覆巖厚度以及煤層傾角急劇變化，在長期的地質(zhì)演變過程中斷層和褶皺等構(gòu)造中蘊(yùn)藏著巨大的變形能，開采擾動條件下極易誘發(fā)沖擊地壓等惡性動力災(zāi)害事故。

圖4 京西礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造示意

圖5 京西礦區(qū)大安山煤礦和木城澗煤礦構(gòu)造剖面示意

黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司的雞西礦區(qū)和開灤(集團(tuán))唐山礦業(yè)分公司的唐山煤礦的煤炭資源同樣賦存著復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域。圖6為雞西礦區(qū)中部礦井開拓示意。由于長期受南北向壓力和左行扭力的作用，雞西礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)南北2條單斜構(gòu)造拗陷和中部恒山基地隆起的現(xiàn)象，從而構(gòu)成了兩拗夾一隆的構(gòu)造格局。井田整體上為一單斜構(gòu)造，煤層傾角為8°～45°，呈現(xiàn)淺部陡深部緩的總體趨勢。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，以北東向和北西向的2組斜交正斷層為主，東西方向和南北方向的斷層系統(tǒng)為次，主、次級斷層互相交接或切割，使井田呈現(xiàn)類似棋盤格式構(gòu)造，導(dǎo)致煤層走向和傾角變化極大，增加了巷道的布置難度。

圖6 雞西礦區(qū)中部礦井開拓示意

開灤(集團(tuán))唐山礦業(yè)分公司的唐山煤礦位于河北省唐山市，主要構(gòu)造為平行于地層走向的斷層，如圖7所示。由于受近似東西向的擠壓作用，井田西部賦存著復(fù)雜的褶皺構(gòu)造和多條縱向斷層，并伴隨著大量的中心斷層的衍生，數(shù)條壓扭性斷裂在深部合為陡河大斷裂。由于斷裂區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力相對較大，從而成為唐山地區(qū)的主要的發(fā)震構(gòu)造。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，井田向斜軸部是發(fā)生沖擊地壓的高危險區(qū)，且煤巖沖擊失穩(wěn)與斷層構(gòu)造密切相關(guān)。

圖7 唐山煤礦地質(zhì)構(gòu)造

綜上所述，地殼運動和水平構(gòu)造擠壓力有助于斷層構(gòu)造等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的形成和發(fā)育，并且褶皺構(gòu)造通常會造成地層倒轉(zhuǎn)進(jìn)而會衍生出大量逆沖斷層，導(dǎo)致地層原巖應(yīng)力場變得更加復(fù)雜，在開采擾動下容易發(fā)生斷層滑移失穩(wěn)從而誘發(fā)嚴(yán)重的沖擊破壞事故。因此，斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造對多物理場的影響是不容忽視的。

2.2 高水平原巖應(yīng)力環(huán)境

原巖應(yīng)力場是地殼巖石圈應(yīng)力的原始分布狀態(tài)。隨礦井開采深度的增加，原巖應(yīng)力也隨之增大，導(dǎo)致礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，為能量積聚提供了理想的內(nèi)部環(huán)境，在增加巷道維護(hù)和煤層開采難度的同時，沖擊地壓發(fā)生的可能性也隨之增大。因此，考察原巖應(yīng)力場的分布特征是研究復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造特征與誘發(fā)沖擊動力失穩(wěn)之間相關(guān)性的前提條件。

高水平原巖應(yīng)力環(huán)境是我國煤礦復(fù)雜地質(zhì)賦存環(huán)境下誘發(fā)沖擊地壓的主要原因之一。以河南義馬礦區(qū)和京西礦區(qū)為例，根據(jù)原巖應(yīng)力現(xiàn)場測試結(jié)果可知，河南義馬礦區(qū)內(nèi)千秋煤礦是以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的構(gòu)造型原巖應(yīng)力區(qū)，而躍進(jìn)煤礦原巖應(yīng)力場則是由垂直應(yīng)力占主導(dǎo)。考慮斷層構(gòu)造的存在，水平構(gòu)造應(yīng)力依舊是義馬礦區(qū)高應(yīng)力環(huán)境中的主要應(yīng)力分量。與華北地區(qū)和中國大陸平均應(yīng)力水平相比而言，義馬煤田原巖應(yīng)力水平較高，如圖8所示。尤其是垂直應(yīng)力分別高于華北地區(qū)和全國中國大陸的42.7%和42.1%。以上數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明了義馬礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下的高水平原巖應(yīng)力特征，也是頻繁發(fā)生沖擊地壓事故的重要原因。

圖8 義馬礦區(qū)原巖應(yīng)力與華北地區(qū)和中國大陸原巖應(yīng)力對比

京西礦區(qū)各礦井的開采水平均屬于深部開采范疇，原巖應(yīng)力測試結(jié)果可知該礦區(qū)原巖應(yīng)力場同樣以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。如圖9所示，京西礦區(qū)中主應(yīng)力隨深度增加呈現(xiàn)不同程度的線性增長趨勢。由于礦區(qū)內(nèi)存在大量的倒轉(zhuǎn)型褶皺構(gòu)造和大中型逆斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，使得原巖應(yīng)力水平要高于北京和華北等地區(qū)的平均水平，以深度800 m為例，其中三大主應(yīng)力分別高于中國大陸地區(qū)平均水平的34.1%，75.3%和57.2%。因此，在現(xiàn)有開采水平條件下，高水平原巖應(yīng)力釋放勢必會引起斷層等構(gòu)造的瞬間失穩(wěn)，從而誘發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害。

圖9 京西礦區(qū)原巖應(yīng)力和北京地區(qū)、華北地區(qū)和中國大陸原巖應(yīng)力平均水平對比

所以，義馬礦區(qū)和京西礦區(qū)的高水平應(yīng)力環(huán)境，以及礦區(qū)內(nèi)頻繁發(fā)生的沖擊地壓事故，證實了高水平原巖應(yīng)力場與沖擊地壓之間的相關(guān)性，為沖擊地壓機(jī)理的研究提供了支撐。

2.3 斷層沖擊地壓誘發(fā)模式

斷層沖擊地壓作為一種與地質(zhì)構(gòu)造賦存狀態(tài)相關(guān)的沖擊類型，其發(fā)生機(jī)理是目前沖擊地壓研究領(lǐng)域的熱點。為了更加清晰地了解斷層構(gòu)造失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的力學(xué)機(jī)理，學(xué)者們提出了與斷層相關(guān)的誘沖模式來揭示沖擊災(zāi)害發(fā)生的原因。

齊慶新等根據(jù)力源條件將斷層沖擊地壓歸納為構(gòu)造型沖擊地壓，認(rèn)為斷層等地質(zhì)構(gòu)造的存在使得地層中構(gòu)造應(yīng)力大幅提高，造成煤巖突然失穩(wěn)和沖擊破壞。潘一山等根據(jù)煤巖失穩(wěn)的物理特征對沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行了分類，總結(jié)出斷層錯動型沖擊地壓一般發(fā)生在斷層構(gòu)造附近，并且只有在深部開采和上覆巖層壓力足夠大時才會引起斷層圍巖剪切失穩(wěn)從而誘發(fā)沖擊地壓。姜耀東等從應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致煤巖突然破壞的本質(zhì)出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)有的開采工藝和常見地質(zhì)構(gòu)造賦存狀態(tài)，將由斷層構(gòu)造或其他結(jié)構(gòu)面的滑移錯動引起的劇烈破壞的動力現(xiàn)象稱為滑移錯動型沖擊地壓。譚云亮等提出深部開采斷層滑移型沖擊地壓，認(rèn)為深部斷層影響區(qū)域受采掘活動影響更為顯著且構(gòu)造應(yīng)力明顯大于淺部開采。姜福興等依據(jù)微震數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果和構(gòu)造附近能量釋放情況，將復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造引起的沖擊地壓分為增壓型和減壓型，當(dāng)工作面臨近斷層構(gòu)造開采期間，微震事件在斷層附近出現(xiàn)積聚現(xiàn)象并且不隨工作面遷移時，很可能引起構(gòu)造增壓型沖擊地壓在斷層附近發(fā)生，造成煤巖破壞。

斷層構(gòu)造的滑移失穩(wěn)與采掘活動和高水平應(yīng)力是密切相關(guān)的。竇林名等根據(jù)煤層開采活動引起的斷層活化類型針對斷層型沖擊地壓提出了4種概念模型，即遠(yuǎn)場和近場礦震動載觸發(fā)的斷層活化、逼近斷層和遠(yuǎn)離斷層開采的采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化。呂進(jìn)國等根據(jù)采掘工作面與斷層構(gòu)造的相對空間位置不同引起的應(yīng)力場變化的差異性，將斷層沖擊地壓分為構(gòu)造應(yīng)力型、斷層活化型和斷層失穩(wěn)滑動型等。

筆者在研究斷層構(gòu)造位移場、應(yīng)力場和能量場動態(tài)演化特征的基礎(chǔ)上，也將重點探討斷層構(gòu)造和上覆厚層頂板耦合賦存時的工作面逼近斷層構(gòu)造的采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層沖擊地壓的力學(xué)機(jī)理，研究煤巖受采動應(yīng)力和上覆巖層垂直壓力共同作用下引起的斷層失穩(wěn)滑動型沖擊地壓。

3 采動下斷層構(gòu)造的多物理場特征

探究斷層構(gòu)造滑移失穩(wěn)區(qū)域在開采擾動過程中位移場、應(yīng)力場和能量場的動態(tài)演化特征，建立斷層影響區(qū)域沖擊地壓發(fā)生前、后多物理場的互饋關(guān)系，得到能夠預(yù)測斷層失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的多物理場前兆特征，研究斷層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓力學(xué)機(jī)理，從而達(dá)到準(zhǔn)確監(jiān)測以及有效預(yù)防沖擊地壓的目的。

3.1 開采擾動下斷層影響區(qū)位移場演化特征

斷層影響區(qū)上覆巖層運移特征

為了能夠多參量監(jiān)測開采擾動下斷層影響區(qū)域的位移場演化特征，以河南義馬礦區(qū)千秋煤礦21221工作面為工程地質(zhì)背景，在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室的深部工程破壞過程模型試驗系統(tǒng)上開展了考慮工作面開采工況的斷層滑動物理相似模擬試驗，如圖10所示。該物理模型的幾何相似比為120，容重相似比為0.67，模型尺寸為1 600 mm×1 600 mm×400 mm。

圖10 斷層滑動物理試驗?zāi)Ｐ秃捅O(jiān)測方案

研究顯示，除復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造賦存條件和高水平原巖應(yīng)力環(huán)境外，上覆巖層失穩(wěn)也是沖擊地壓發(fā)生的重要原因之一。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成大面積的覆巖運動甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。因此，考察巖層運移與斷層結(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)相關(guān)性對研究斷層沖擊地壓發(fā)生機(jī)理具有重要意義。

圖11給出了上覆巖層位移隨工作面向斷層推進(jìn)過程中的變化規(guī)律，圖11中表示試驗?zāi)Ｐ椭泄ぷ髅娴綌鄬拥木嚯x。從物理性質(zhì)上，堅硬巖層的厚度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤層，上覆巖層通常被視為不易發(fā)生斷裂破壞的堅硬頂板。隨著煤層開采過程中，上覆巖層在很長一段時間內(nèi)處于懸空狀態(tài)。上覆巖層發(fā)生破裂前，采空區(qū)圍巖變形影響范圍持續(xù)擴(kuò)大，巖層位移量也隨之增加，靠近斷層的巖層運動相對于遠(yuǎn)處更為活躍，并且在開采擾動條件下發(fā)生多次不規(guī)律的周期性垮落，導(dǎo)致斷層頻繁受到擾動。

圖11 工作面開采過程中上覆巖層位移變化

此外，研究還發(fā)現(xiàn)在開采條件下，斷層并非一直處于滑動狀態(tài)，只有當(dāng)上覆巖層發(fā)生垮落破壞時斷層才出現(xiàn)嚴(yán)重的滑動。究其原因是由于上覆巖層未破壞前斷層結(jié)構(gòu)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而在采動應(yīng)力和巖層運移共同作用下，斷層結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)了部分離層空間，使得施加到斷層面上的水平荷載減小，造成在斷層構(gòu)造一側(cè)呈現(xiàn)出卸載效應(yīng)，加劇了斷層的活化程度。同時，斷層滑動又會反過來以非穩(wěn)態(tài)的沖擊和加卸載反作用于煤巖，使得上覆巖層發(fā)生更嚴(yán)重的垮落破壞，最終誘發(fā)沖擊地壓事故。以上結(jié)果與分析初步給出了巖層運動和斷層滑移的相互作用的關(guān)系。

斷層結(jié)構(gòu)的相對滑動位移的計算

斷層滑移一般表現(xiàn)為上盤與下盤的相對錯動，不僅會引起周圍圍巖運動的改變，還會誘發(fā)嚴(yán)重沖擊地壓事故。因此，進(jìn)一步研究在開采擾動影響下斷層面上下盤之間的相對滑移過程，分析發(fā)生最危險滑動的位置及其演化特征，能夠更加全面地了解斷層的滑移機(jī)制。

在煤礦開采過程中，斷層周圍煤巖受上覆巖層影響呈現(xiàn)整體向下移動的趨勢，隨著開采工作面逐漸靠近斷層，下沉位移量逐漸增大，最終引起斷層構(gòu)造上、下盤發(fā)生錯動。圖12給出了30 cm寬斷層帶區(qū)域的滑移情況。研究發(fā)現(xiàn)，斷層構(gòu)造的滑動位移最先出現(xiàn)在斷層頂部位置，并逐漸向下擴(kuò)展到煤層附近，而斷層最大滑移量最終在斷層與厚層頂板交界處的中部區(qū)域集中發(fā)展。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，斷層面上的位移隨著開采過程中由緩慢增加轉(zhuǎn)為突然急劇增加的現(xiàn)象，斷層面最大位移量也由斷層頂部突然轉(zhuǎn)移至斷層中部區(qū)域，造成斷層結(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)破壞。

圖12 煤礦開采過程中斷層面上位移變化情況

圖13 工作面推進(jìn)過程中斷面上斷層位移變化

為進(jìn)一步解釋斷層面滑動位移突變的現(xiàn)象，筆者提出了基于逐點積分的相對滑移算法來求解斷層面上盤和下盤之間的相對位移。斷層附近區(qū)域上盤與下盤在水平和垂直方向上的相對位移矢量如圖14所示。

圖14 斷層面上下盤相對位移計算示意

(1)

(2)

計算表明，開采擾動下斷層面的相對滑動是由局部靜態(tài)滑移向整體劇烈滑動突然轉(zhuǎn)變的非線性動態(tài)演化過程。在這個動態(tài)演變過程中，斷層附近的圍巖運動經(jīng)歷了沿垂直向下、近似垂直于斷層和平行于斷層3個運動階段，如圖15所示。圖16給出了工作面在開采過程中斷層上下盤相對滑動的動態(tài)演化過程。在開采前期階段，斷層上下盤由于覆巖壓力作用整體向下移動。隨著工作面的推進(jìn)，斷層面上開始出現(xiàn)局部滑動，且斷層下盤相對于上盤沿斷層傾向向下運動，此時斷層面上不同位置的相對位移呈現(xiàn)基本同步的緩慢增長趨勢，如圖17所示。臨近斷層開采時，斷層上下盤的擠壓效應(yīng)代表了此時斷層結(jié)構(gòu)能量處于積聚狀態(tài)，斷層中部區(qū)域的相對位移量大幅度增加，預(yù)示斷層發(fā)生嚴(yán)重的整體滑移破壞并釋放大量的應(yīng)變能。

圖15 斷層面上下盤相對滑移矢量

圖16 工作面開采過程中斷層相對滑動動態(tài)演化

圖17 工作面開采過程中斷層下盤相對上盤的位移曲線

綜上可知，斷層面最大相對位移量出現(xiàn)在斷層中部靠近煤層的區(qū)域，而相對位移緩急突變發(fā)生時伴隨著上覆巖層嚴(yán)重垮落現(xiàn)象。上覆巖層運移失穩(wěn)會瞬時釋放大量應(yīng)變能，從而促進(jìn)了厚層頂板與斷層構(gòu)造交界區(qū)域的相對滑動，特別是未破壞巖層的失穩(wěn)破壞可能會進(jìn)一步引起嚴(yán)重的斷層滑移失穩(wěn)。筆者從斷層上下盤相對位移角度入手揭示了開采擾動下斷層滑移由局部滑移轉(zhuǎn)向整體失穩(wěn)的動態(tài)過程，證實了斷層滑移失穩(wěn)對上覆巖層運移的影響作用。

3.2 斷層結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型及應(yīng)力場演化特征

斷層面應(yīng)力分布的監(jiān)測結(jié)果

采動應(yīng)力的存在打破了采場原位應(yīng)力的平衡。工作面支承壓力與斷層處高構(gòu)造應(yīng)力疊加形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷層滑移失穩(wěn)。

因此，進(jìn)一步探究采動影響下斷層構(gòu)造應(yīng)力場的演化特征，能夠更加深入地了解研究斷層滑移失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制。

圖18為部分監(jiān)測點應(yīng)力隨工作面開采變化曲線(監(jiān)測點位置如圖10所示)。在開采初期階段，工作面距離斷層較遠(yuǎn)時(距斷層處100 cm)，斷層面上的應(yīng)力開始發(fā)生緩慢變化，斷層開始受到擾動，與上述斷層滑移情況基本一致，可將該位置視為斷層影響區(qū)和非影響區(qū)的分界線。

圖18 工作面推進(jìn)過程中斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力變化

臨近斷層開采時(距斷層處60 cm)，斷層因開采活動影響頻繁受到擾動，特別是斷層中部區(qū)域的應(yīng)力變化尤其劇烈。當(dāng)工作面在斷層附近開采時(距斷層處20 cm)，斷層發(fā)生嚴(yán)重的滑移失穩(wěn)，此時應(yīng)力水平明顯降低。

開采擾動影響下，斷層面正應(yīng)力和剪應(yīng)力從同步變化轉(zhuǎn)為突然分化的急劇變化。斷層面上正應(yīng)力變化相比剪應(yīng)力而言更為強(qiáng)烈，且近煤層處的應(yīng)力值也要大于遠(yuǎn)離煤層處。除外，在臨近斷層開采時，斷層面中部區(qū)域正應(yīng)力和剪應(yīng)力呈現(xiàn)截然相反的變化趨勢，即正應(yīng)力增加而剪應(yīng)力降低或剪應(yīng)力增加而正應(yīng)力降低的分化現(xiàn)象。

考慮水平構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力的影響，斷層構(gòu)造在側(cè)向壓力和上覆巖層下沉壓力的共同作用下而處于壓剪受力狀態(tài)。斷層面上的摩擦力隨著正應(yīng)力增加而增大，剪應(yīng)力和正應(yīng)力持續(xù)增大導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)由靜態(tài)摩擦轉(zhuǎn)為動態(tài)摩擦，此時斷層面上剪應(yīng)力會相應(yīng)減小。加之?dāng)鄬又胁繀^(qū)域巖層被壓實且不易松，進(jìn)而出現(xiàn)正應(yīng)力增加而剪應(yīng)力降低的分化現(xiàn)象。為進(jìn)一步證實這一監(jiān)測結(jié)果，筆者提出了考慮采動影響的斷層滑動的力學(xué)模型，解釋了正應(yīng)力和剪應(yīng)力的分化特征，并做詳細(xì)闡述。

考慮采動影響的斷層結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型

由于斷層面上應(yīng)力場分布和變化較為復(fù)雜，僅依靠現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值仿真技術(shù)還不能完全揭示開采擾動下斷層面上的應(yīng)力場演化特征。為進(jìn)一步驗證和解釋斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的分化現(xiàn)象，筆者建立了考慮采動影響的斷層表面應(yīng)力分布和斷層滑動特征的力學(xué)模型，如圖19所示。綜合考慮上覆巖層壓力、重力附加應(yīng)力和采動應(yīng)力的影響，得到式(3)給出的斷層面上任意一點處的應(yīng)力分量，進(jìn)而計算得到如式(4)所示的斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的表達(dá)式。

(3)

(4)

其中，，和分別為沿方向的正應(yīng)力分量、沿方向的正應(yīng)力分量和剪切應(yīng)力分量；和為斷層面任意點的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；和分別為任一點的水平和鉛直距離；和分別為模型的長度和高度；為采動應(yīng)力峰值點到斷層的水平距離；為垂直分布應(yīng)力；為巖石密度；為重力加速度；為斷層傾角；()和()分別為重力附加應(yīng)力和采動應(yīng)力分布的水平應(yīng)力函數(shù)；()d為距坐標(biāo)原點處微小長度d上所受的微小集中力。

圖19中，為斷層面上任意點到模型頂部的鉛直距離；′為力學(xué)模型中工作面與斷層之間的距離；為側(cè)向系數(shù)。

圖19 考慮采動影響的斷層面上任意點應(yīng)力計算的力學(xué)模型

斷層面應(yīng)力場的動態(tài)演化特征

在采動應(yīng)力影響下，斷層面上不同位置應(yīng)力分布各異，圖20給出了隨工作面向斷層推進(jìn)過程中斷層面應(yīng)力值的分布和變化規(guī)律。圖21為斷層面應(yīng)力計算的試驗校對。對比試驗與理論結(jié)果可知，關(guān)于斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布特征，理論模型計算結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合。結(jié)果顯示，斷層面下段區(qū)域應(yīng)力水平高于斷層面上段區(qū)域，隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力變化幅度更加明顯。沿斷層面向下，斷層面的正應(yīng)力值和剪應(yīng)力值變化呈相反趨勢，出現(xiàn)正應(yīng)力增加而剪應(yīng)力降低或剪應(yīng)力增加而正應(yīng)力降低的分化現(xiàn)象。應(yīng)力場變化的轉(zhuǎn)折點代表著斷層表面的最小正應(yīng)力值和最大剪應(yīng)力值，說明了應(yīng)力極值與斷層滑移失穩(wěn)具有一定的聯(lián)系。

圖20 斷層面應(yīng)力分布的理論模型計算結(jié)果

圖21 斷層面應(yīng)力分布的試驗結(jié)果校對

根據(jù)正應(yīng)力和剪應(yīng)力的極值變化，可將斷層表面劃分為R，R和R三個區(qū)域，如圖22所示。工作面在到達(dá)斷層擾動影響區(qū)繼續(xù)向前推進(jìn)時，斷層面的應(yīng)力極值逐漸向底部移動。沿斷層面向下，根據(jù)正應(yīng)力和剪應(yīng)力的變化狀態(tài)，得出R為斷層上、下盤的靜摩擦穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域，R區(qū)域中剪應(yīng)力極值位置處于即將動態(tài)滑移的臨界平衡狀態(tài)，在R區(qū)域斷層為已經(jīng)發(fā)生了動態(tài)相對滑動。因此，斷層滑動面的剪應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置可視為斷層面從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)滑動的臨界區(qū)域，同時也是斷層面上最先發(fā)生滑動的位置。

圖22 開采過程中斷層面上的應(yīng)力演化

綜上可知，當(dāng)工作面臨近斷層開采時，由于采動應(yīng)力和上覆巖層的影響，斷層結(jié)構(gòu)面和厚層頂板的交界區(qū)域的應(yīng)力水平較高，此時該區(qū)域積累了大量的應(yīng)變能，為斷層滑移失穩(wěn)提供了應(yīng)力條件。此外，上述結(jié)果還給出了應(yīng)力極值分布演化特征，并從摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變的角度分析了斷層滑動的力學(xué)機(jī)制。

3.3 斷層失穩(wěn)的能量場時空演化特征

斷層結(jié)構(gòu)勢能概念的提出

開采擾動下斷層應(yīng)力的變化會引起斷層表面應(yīng)變能的積累和釋放。斷層周圍煤巖能量變化實質(zhì)上就是從穩(wěn)定積聚狀態(tài)逐漸向非穩(wěn)定釋放狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。由于較高應(yīng)力水平、斷層構(gòu)造以及開采條件等諸多影響因素，造成開采過程中煤巖的能量變化具有明顯的時空特征。在現(xiàn)場監(jiān)測中，微震事件數(shù)、聲發(fā)射事件數(shù)和電磁輻射強(qiáng)度值等數(shù)據(jù)在沖擊地壓發(fā)生前常出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)消失的現(xiàn)象。為進(jìn)一步解釋這一工程現(xiàn)象，在斷層面應(yīng)力分布的理論模型基礎(chǔ)上提出了斷層結(jié)構(gòu)勢能的概念，并對斷層結(jié)構(gòu)勢能的時空演化特征進(jìn)行了分析。

根據(jù)彈性理論中的應(yīng)力變分方程，通過斷層面上的應(yīng)力來計算斷層結(jié)構(gòu)勢能為

(5)

斷層結(jié)構(gòu)勢能演化特征

圖23為斷層面上結(jié)構(gòu)勢能的計算結(jié)果。工作面過斷層前，斷層結(jié)構(gòu)勢能分布特征與剪應(yīng)力分布特征相似，對照圖22可知，結(jié)構(gòu)勢能最大值與剪應(yīng)力最大值類似，均出現(xiàn)在R區(qū)域的底部附近，并且在R區(qū)域逐漸減小。當(dāng)采煤工作面穿過斷層后，斷層結(jié)構(gòu)勢能變化明顯，斷層頂部結(jié)構(gòu)勢能突然增大，R區(qū)域的結(jié)構(gòu)勢能急劇下降。從圖24可以看出，隨著工作面向斷層推進(jìn)，斷層面上部區(qū)域的結(jié)構(gòu)勢能逐漸減小，而中下部區(qū)域結(jié)構(gòu)勢能則呈增大的趨勢。

圖23 煤層開采過程中斷層面上結(jié)構(gòu)勢能的分布

圖24 工作面開采過程中斷層面上結(jié)構(gòu)勢能演化

綜上可知，開采工作面過斷層前結(jié)構(gòu)勢能最大的位置出現(xiàn)在斷層結(jié)構(gòu)面和上覆厚層頂板的交界區(qū)域，同時也是最大剪應(yīng)力出現(xiàn)的位置，即斷層上下盤運動由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ恋呐R界區(qū)域，可將該位置認(rèn)為是斷層滑動的起始點。由于斷層滑移錯動導(dǎo)致斷層表面應(yīng)力對開采活動產(chǎn)生不同的響應(yīng)，從應(yīng)變能角度解釋了正應(yīng)力和剪應(yīng)力變化過程中的分化特征。

由于斷層區(qū)域的上覆巖層較為堅硬不易破壞，能量激增前斷層處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，但此時能量則一直處于積聚而未能釋放的狀態(tài)。在開采擾動和斷層滑移作用下，未破壞上覆巖層發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致斷層頂部的能量積聚和瞬時釋放，從而引起斷層的嚴(yán)重滑動破壞誘發(fā)沖擊地壓。筆者從結(jié)構(gòu)勢能角度解釋了斷層滑移失穩(wěn)過程中能量的穩(wěn)態(tài)積聚和非穩(wěn)態(tài)釋放的變化，同時證實了上覆巖層運移和破裂對斷層滑移失穩(wěn)具有重要的貢獻(xiàn)。

4 斷層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理

開采擾動下斷層結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移錯動引起斷層圍巖位移場、應(yīng)力場和能量場發(fā)生改變，繼而誘發(fā)嚴(yán)重的沖擊地壓。筆者在研究斷層結(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)多物理場演化特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析采動影響下斷層沖擊地壓的力學(xué)機(jī)理。

4.1 斷層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的前兆特征

斷層失穩(wěn)誘沖的位移場突變特征

由前文可知，在整個煤層開采過程中，斷層的滑動位移通常會經(jīng)歷靜止、緩慢滑移和快速滑動3個階段。斷層最大位移出現(xiàn)位置也發(fā)生了由斷層頂部轉(zhuǎn)向中部的空間變化。在臨近斷層開采時，斷層位移量突然明顯增加，代表斷層發(fā)生嚴(yán)重滑移失穩(wěn)，可將位移場這種由穩(wěn)定到急劇增加的突變現(xiàn)象作為斷層滑移失穩(wěn)的前兆特征。

斷層面上位移場的突變特征還表現(xiàn)在采動應(yīng)變和應(yīng)變率的監(jiān)測結(jié)果中，圖25和圖26分別為斷層面應(yīng)變和應(yīng)變率的變化曲線。當(dāng)斷層開始擾動后，斷層附近圍巖應(yīng)變出現(xiàn)急劇上升和穩(wěn)定增加的相互交替變化階段，隨后斷層發(fā)生嚴(yán)重滑移，采動應(yīng)變再次急劇減小。同時，斷層附近應(yīng)變率也由低水平穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲〔▌与A段，預(yù)示上覆巖層中裂縫急劇發(fā)展，最終引起上覆巖層垮落破壞。因此，可將斷層面上采動應(yīng)變急劇增加和維持穩(wěn)定交替出現(xiàn)的階段或應(yīng)變率急劇變化的現(xiàn)象視為斷層滑移的另一前兆特征。

圖25 煤層開采過程中斷層面應(yīng)變變化

圖26 斷層面上應(yīng)變率變化曲線以及試驗對比

斷層失穩(wěn)誘沖的應(yīng)力場分化特征

斷層面上中部區(qū)域的應(yīng)力場正剪分化特征表現(xiàn)為正應(yīng)力增加而剪應(yīng)力降低或剪應(yīng)力增加而正應(yīng)力降低的現(xiàn)象。為進(jìn)一步分析斷層面應(yīng)力場這一特征，圖27給出了斷層中部應(yīng)力場變化以及對應(yīng)的位移場變化。正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用使得斷層面發(fā)生滑移失穩(wěn)，此時由于水平應(yīng)力的擠壓作用，正應(yīng)力持續(xù)增大，代表能量逐漸積聚，而剪應(yīng)力隨斷層滑移錯動開始呈下降趨勢。另外，當(dāng)斷層出現(xiàn)滑動時伴隨著正應(yīng)力的急劇下降和剪應(yīng)力的突然增加，此時能量開始釋放，正應(yīng)力的減小會導(dǎo)致斷層表面剪切強(qiáng)度的降低，從而加速了嚴(yán)重的斷層滑移。隨著工作面向斷層方向推進(jìn)，斷層相對滑移量逐漸增加，最大位移量出現(xiàn)的位置也開始向下部轉(zhuǎn)移，直到斷層滑移失穩(wěn)造成斷層區(qū)域圍巖的破壞，此時正應(yīng)力和剪應(yīng)力均處于較小值。因此，可以將應(yīng)力場的正剪分化現(xiàn)象視為斷層滑移的前兆特征。

圖27 工作面回采期間斷層中部區(qū)域正應(yīng)力和剪應(yīng)力變化及相對應(yīng)的斷層滑移情況

為進(jìn)一步解釋斷層中部發(fā)生劇烈相對滑動的現(xiàn)象，根據(jù)探地雷達(dá)監(jiān)測到的物理模型前、后兩側(cè)的電磁波幅值差值，得出開采過程中斷層中部區(qū)域振幅衰減變化，如圖28所示。煤層開采過程中，正應(yīng)力和剪應(yīng)力開始發(fā)生分化現(xiàn)象時，振幅衰減量從極小值開始增長并隨之保持穩(wěn)定。在這個過程中，斷層附近圍巖中有大量裂隙產(chǎn)生并擴(kuò)展，正應(yīng)力和剪應(yīng)力的急劇變化同時也說明了斷層由局部滑動演化為整體滑動。以上從巖石損傷破壞程度的角度驗證了應(yīng)力場正剪分化現(xiàn)象作為斷層滑移前兆信息的正確性。

圖28 開采過程中斷層面正應(yīng)力、剪應(yīng)力曲線及相應(yīng)位置的振幅衰減變化

斷層失穩(wěn)誘沖的能量場激增特征

聲發(fā)射技術(shù)能夠監(jiān)測到能量場在煤層開采過程中的釋放情況，從而判斷斷層滑移破壞程度。

如圖29所示，聲發(fā)射事件數(shù)在工作面推進(jìn)過程中出現(xiàn)多次激增，分別是斷層加載初期、臨近距斷層開采和到達(dá)斷層處開采時。斷層結(jié)構(gòu)釋放的能量主要聚集在斷層與上覆厚層頂板交界處的中部區(qū)域，這與斷層最大滑動位移和剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置近似，同斷層結(jié)構(gòu)勢能計算結(jié)果基本一致。

圖29 工作面開采事件數(shù)分布

此外，聲發(fā)射事件在激增前會出現(xiàn)事件缺失的現(xiàn)象，與工程監(jiān)測結(jié)果基本一致。以河南義馬礦區(qū)的重大沖擊地壓案為例。圖30給出了2011年義馬礦區(qū)千秋煤礦和2010年躍進(jìn)煤礦的電磁輻射強(qiáng)度和支架阻力的監(jiān)測結(jié)果。電磁輻射強(qiáng)度和支架阻力值呈現(xiàn)基本一致的增大與減小循環(huán)變化特征，表明沖擊地壓發(fā)生前斷層和上覆巖層積聚了大量變形能，而電磁輻射強(qiáng)度和支架阻力突降說明大量應(yīng)變能開始釋放，證實了斷層結(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)時能量場的激增現(xiàn)象。圖31為2011年義馬礦區(qū)千秋煤礦監(jiān)測到的微震事件頻次與能量釋放隨時間變化的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果。監(jiān)測結(jié)果中存在微震事件的缺失現(xiàn)象，并且對應(yīng)時間段的微震事件頻次也會相對較低，此時能量處于積聚而未釋放的狀態(tài)，與本文斷層結(jié)構(gòu)勢能計算結(jié)果基本一致。

圖30 千秋煤礦和躍進(jìn)煤礦電磁輻射強(qiáng)度和支架阻力變化曲線

圖31 千秋煤礦微震能量及頻次累計情況

斷層滑移失穩(wěn)過程中能量場變化與應(yīng)力場、位移場緊密相關(guān)，圖32和33分別給出了斷層面聲發(fā)射事件與位移場、應(yīng)力場之間的變化關(guān)系。研究表明，斷層面上的滑移并非時時刻刻在發(fā)生的，只有在滑移較為嚴(yán)重并釋放大量能量時才可捕捉到聲發(fā)射事件。而上覆巖層突然垮落或斷層發(fā)生嚴(yán)重滑移之前，巖層中裂縫較少，聲發(fā)射事件也相對穩(wěn)定，此時能量場處于一直積聚的狀態(tài)。因此，根據(jù)位移場緩急突變和能量場激增現(xiàn)象先后出現(xiàn)，可將聲發(fā)射事件急劇增加前的恒定不變階段視為斷層滑移的前兆信息。

圖32 煤層開采過程中聲發(fā)射事件和最大斷層位移的綜合分析

圖33 斷層面上剪應(yīng)力和聲發(fā)射事件數(shù)之間的聯(lián)系

根據(jù)斷層面聲發(fā)射事件與應(yīng)力場的變化關(guān)系可知，當(dāng)工作面開采至斷層附近時，斷層聲發(fā)射事件數(shù)激增，此時斷層面剪應(yīng)力出現(xiàn)逐步降低后陡然增加的現(xiàn)象，斷層面即將發(fā)生滑動。當(dāng)工作面開采至斷層處，應(yīng)力降至最小值，聲發(fā)射事件數(shù)再次激增，斷層滑移失穩(wěn)并釋放出大量的能量。因此，斷層面應(yīng)力在逐步降低的過程中陡然增加和聲發(fā)射事件數(shù)恒定不變時突然激增的特征可作為斷層滑移失穩(wěn)的前兆信息。此外，從上述結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，能量場的激增現(xiàn)象一般滯后于位移場的突變現(xiàn)象和應(yīng)力場的分化現(xiàn)象。

綜上可知，斷層的滑動失穩(wěn)過程中位移場的緩急突變，應(yīng)力場的正剪分化以及能量場的激增滯后出現(xiàn)的位置基本一致，斷層面最大位移量代表斷層出現(xiàn)嚴(yán)重滑移破壞，應(yīng)力場正剪分化現(xiàn)象是斷層的滑移錯動造成的異常響應(yīng)，并且伴隨著大量積聚的應(yīng)變能瞬間釋放，以上結(jié)果均表明了斷層結(jié)構(gòu)在開采擾動影響下多物理場的互饋關(guān)系。

4.2 斷層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的力學(xué)機(jī)理

斷層滑移失穩(wěn)滑動危險性判別

斷層滑移失穩(wěn)滑動危險性主要與斷層構(gòu)造有關(guān)，尤其是斷層構(gòu)造的幾何形態(tài)對滑移失穩(wěn)具有一定的影響作用。比如，斷層切向剛度主要控制著斷層剪切變形滑移，隨著斷層切向剛度的增加，剪應(yīng)力值變化越明顯，斷層滑移危險性越高。落差與斷層正應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，落差越大，正應(yīng)力越大，斷層更易發(fā)生滑移失穩(wěn)。另外，斷層傾角不僅代表了斷層的傾斜程度，描述了斷層的大致形態(tài)和走向，還是影響斷層滑移失穩(wěn)的一個重要指標(biāo)。

為考察斷層構(gòu)造的傾角與斷層滑移失穩(wěn)的關(guān)系，圖34給出了不同斷層傾角作用下位移場的變化。研究發(fā)現(xiàn)，斷層相對位移在開采后期突變隨傾角增大而越發(fā)明顯，尤其是傾角為75°時。開采初期釋放能量較少代表了應(yīng)變能在持續(xù)積聚，此時斷層結(jié)構(gòu)面相對位移幾乎為0，并且隨著工作面推進(jìn)呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。當(dāng)工作面臨近斷層開采時，大量應(yīng)變能的突然釋放導(dǎo)致斷層面相對位移的急劇增加，最終造成嚴(yán)重的斷層滑移失穩(wěn)。

圖34 不同斷層傾角模型的斷層附近上覆巖層相對位移變化

為進(jìn)一步解釋采動過程中傾角變化對斷層結(jié)構(gòu)相對位移的影響，提出了斷層滑移危險性的判別條件。圖35給出了斷層面不同位置相對位移的變化情況。斷層面底部區(qū)域相對位移值較大，且斷層的相對位移隨傾角變化逐漸減小甚至趨近于0，表明斷層上、下盤由于強(qiáng)擠壓作用下彈性應(yīng)變能處于長期積聚而未釋放的狀態(tài)。斷層的傾角越大，出現(xiàn)擠壓應(yīng)變積聚的區(qū)域范圍越大，斷層滑移失穩(wěn)時瞬時釋放的能量越多，誘發(fā)沖擊地壓的危險性越高。因此，當(dāng)斷層傾角較大時，來自水平側(cè)向壓力和上覆巖層下沉壓力作用越顯著，斷層結(jié)構(gòu)處應(yīng)力集中和能量積聚越明顯，斷層滑動更加劇烈，發(fā)生沖擊地壓的危險性越高。

圖35 煤層開采過程中不同斷層傾角斷層附近上覆巖層的相對位移

高應(yīng)力環(huán)境下斷層構(gòu)造失穩(wěn)誘沖機(jī)理

復(fù)雜多變的地質(zhì)因素對斷層面應(yīng)力場演化和滑移量突變具有重要的影響作用，尤其是水平構(gòu)造應(yīng)力對斷層的擠壓作用。在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，隨著采空區(qū)范圍增大，斷層上下盤的相對滑動在一定程度上穩(wěn)步釋放了水平構(gòu)造應(yīng)力擠壓積聚的應(yīng)變能。圖36為斷層滑移量和滑移速率(每計算100步作為單位時間)隨工作面向斷層方向推進(jìn)的變化情況，發(fā)現(xiàn)在臨近斷層面開采時，滑移速率絕對值突增和滑移量陡增，此時斷層滑移危險極高。

圖36 斷層滑移量及滑移速率

為進(jìn)一步研究水平構(gòu)造應(yīng)力對斷層滑移失穩(wěn)的影響，圖37給出了不同水平側(cè)壓系數(shù)作用下應(yīng)力場的演化特征。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)>1.0時，斷層下段的正應(yīng)力值較大，剪應(yīng)力極大值也處于較高水平，此時上盤與下盤之間擠壓力明顯，為逆斷層的形成創(chuàng)造了壓力條件。對于側(cè)壓系數(shù)<1.0的情況，正應(yīng)力在斷層上段隨側(cè)壓系數(shù)的減小而增大，下段應(yīng)力水平相對較低，有利于正斷層的形成。因此，筆者初步給出了正、逆斷層形成的力學(xué)基本條件，但對于斷層形成的力學(xué)機(jī)制還需進(jìn)一步的研究和推導(dǎo)。

圖37 不同側(cè)壓系數(shù)下斷層面正應(yīng)力和剪應(yīng)力的變化

斷層構(gòu)造和上覆厚層頂板耦合誘沖機(jī)理

斷層構(gòu)造和上覆厚層頂板賦存的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，在采動應(yīng)力影響作用下，巖層運移和斷層滑移相互作用增加了沖擊地壓發(fā)生的可能性。由于堅硬頂板的厚度和強(qiáng)度相較于煤層很大，當(dāng)巖層發(fā)生下沉或垮落現(xiàn)象，采場發(fā)生沖擊破壞的危險性更高。

根據(jù)前文可知，上覆巖層運移與斷層滑移失穩(wěn)兩者存在相互作用的關(guān)系。上覆巖層擠壓斷層產(chǎn)生滑動，而斷層的滑移又作用于上覆巖層致使其大范圍運動甚至垮落，二者的聯(lián)合作用很可能會誘發(fā)沖擊地壓。圖38給出了義馬礦區(qū)沖擊地壓成因示意。逆沖斷層作為地質(zhì)環(huán)境中的最不穩(wěn)定的因素，不僅反轉(zhuǎn)了煤層方向，并且在其成型期間積累了巨大的應(yīng)變能，在開采擾動下斷層積聚的應(yīng)變能會在短時間內(nèi)突然釋放。由于上覆厚層頂板對煤層產(chǎn)生高強(qiáng)度的動壓力，導(dǎo)致能量場在上覆巖層與斷層構(gòu)造的交界處出現(xiàn)激增滯后的異?，F(xiàn)象。因此，煤田高水平原巖應(yīng)力為上覆巖層運移和斷層的活化創(chuàng)造了有利條件，綜合以上多因素耦合作用誘發(fā)沖擊動力災(zāi)害。

圖38 義馬礦區(qū)沖擊地壓成因示意

此外，根據(jù)探地雷達(dá)監(jiān)測到未破壞礫巖的低波速帶可知，如圖39所示。由于未受破壞巖層可以保護(hù)斷層不受開采擾動和頂板垮落破壞的影響，斷層在開采前期存在穩(wěn)定階段。當(dāng)巖層發(fā)生沉降和分離時釋放了大量的應(yīng)變能，從而加速了未破壞巖層與斷層構(gòu)造相互影響區(qū)域的相對滑動。當(dāng)上覆巖層坍塌或失穩(wěn)時，反而會進(jìn)一步引起更加劇烈的斷層相對滑動導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。上述研究結(jié)果說明，在復(fù)雜斷層構(gòu)造賦存、高水平原巖應(yīng)力環(huán)境和開采擾動條件下，上覆巖層運動與斷層滑移的耦合作用是斷層發(fā)生滑移失穩(wěn)的重要原因。

圖39 煤層開采過程中雷達(dá)探測結(jié)果及巖層位移矢量

5 結(jié)論與展望

(1)在開采擾動下，斷層面相對滑動位移最早出現(xiàn)在斷層頂部并逐漸向下發(fā)展，且由緩慢滑動變化為突然急劇滑移的非線性動態(tài)失穩(wěn)過程，最后在斷層結(jié)構(gòu)面和上覆厚層頂板交界的中部區(qū)域發(fā)生最大相對滑動位移。斷層面上不同位置應(yīng)力分布各異，且正應(yīng)力變化相比剪應(yīng)力更為劇烈，尤其是正應(yīng)力和剪應(yīng)力在同步演化發(fā)展過程中發(fā)生了分化的現(xiàn)象，并表現(xiàn)出正應(yīng)力增加而剪應(yīng)力降低或剪應(yīng)力增加而正應(yīng)力降低的特征。斷層失穩(wěn)前，結(jié)構(gòu)勢能處于不斷積聚而未釋放的狀態(tài)，斷層失穩(wěn)后，結(jié)構(gòu)勢能出現(xiàn)由幾乎為零轉(zhuǎn)為突然激增的現(xiàn)象。

(2)斷層結(jié)構(gòu)面和上覆厚層頂板的交界區(qū)域出現(xiàn)的最大滑動靜摩擦向滑動失穩(wěn)摩擦的轉(zhuǎn)換，是斷層面位移場突變和應(yīng)力場分化的時刻，也是斷層結(jié)構(gòu)勢能從零到激增的時刻。因此，斷層面位移場緩急突變、應(yīng)力場正剪分化以及能量場激增滯后的現(xiàn)象均可視為斷層滑移失穩(wěn)的前兆特征。

(3)在復(fù)雜斷層構(gòu)造賦存、高水平原巖應(yīng)力環(huán)境以及開采擾動條件下，由于斷層附近厚層頂板下沉運動和垮落破壞的影響，加劇了斷層的活化和滑移失穩(wěn)程度，導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)面和厚層頂板的交界區(qū)域出現(xiàn)了由滑動靜摩擦轉(zhuǎn)為劇烈動態(tài)摩擦的現(xiàn)象。斷層最大位移量的出現(xiàn)預(yù)示著斷層的嚴(yán)重失穩(wěn)，釋放該區(qū)域積聚的大量應(yīng)變能，從而誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。

(4)該研究是對煤礦復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造賦存環(huán)境下沖擊地壓發(fā)生機(jī)理和斷層構(gòu)造失穩(wěn)的多物理場前兆特征的研究探索。斷層失穩(wěn)過程中，斷層滑動面及周邊圍巖的幾何結(jié)構(gòu)和溫度場也應(yīng)有相應(yīng)的變化，本文的成果為這一方向研究打下理論基礎(chǔ)，同時為沖擊地壓的預(yù)測和防治提供理論支撐。