王同旭，曹明輝，江東海

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

沖擊地壓是采礦開(kāi)挖形成的擾動(dòng)能量在煤巖體中聚集、演化和在一定誘因下突然釋放的動(dòng)力過(guò)程，隨著煤炭資源開(kāi)采逐步移向深部，沖擊地壓?jiǎn)栴}日益凸顯，嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-2]。統(tǒng)計(jì)表明，在斷層附近進(jìn)行煤炭資源開(kāi)采更容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害[3-4]，需要研究采動(dòng)影響下斷層沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理。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)(斷層活化)而猛烈釋放能量的現(xiàn)象[5]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)斷層活化與斷層沖擊地壓進(jìn)行了大量的研究工作。理論分析方面：梁冰等[6]提出了礦震發(fā)生的黏滑失穩(wěn)機(jī)理，指出了斷層等地質(zhì)構(gòu)造處易發(fā)生黏滑失穩(wěn)釋放能量造成沖擊地壓；李振雷等[7]、蔡武等[8]提出了斷層閉鎖與解鎖的理論，闡述了斷層活化沖擊地壓的機(jī)制，并進(jìn)行了誘沖機(jī)理分析；林遠(yuǎn)東等[9]分析了斷層摩擦與視摩擦因數(shù)的量值關(guān)系，并以此判斷斷層是否活化?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)方面：朱斯陶等[10]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，將斷層活化過(guò)程分為應(yīng)力顯現(xiàn)、蓄能、結(jié)構(gòu)活化3個(gè)階段；潘一山等[5]建立了擾動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了斷層沖擊地壓的間歇性；趙毅鑫等[11]采用巖石力學(xué)試驗(yàn)的方法獲得了逆斷層下盤(pán)煤層回采擾動(dòng)下斷層活化失穩(wěn)特征；王愛(ài)文等[12]通過(guò)相似材料試驗(yàn)，分析了斷層下盤(pán)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及斷層面應(yīng)力變化特征；王宏偉等[13]使用石膏單元搭建相似材料模型，分析采動(dòng)影響下斷層面切應(yīng)力變化規(guī)律，并利用聲發(fā)射觀察斷層附近能量釋放情況。數(shù)值模擬方面：姜耀東等[14]采用數(shù)值模擬方法研究了工作面回采遇斷層時(shí)，斷層接觸面上法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化規(guī)律；蔣金泉等[15]通過(guò)數(shù)值計(jì)算的手段分析了工作面遇斷層時(shí)采動(dòng)應(yīng)力與覆巖移動(dòng)變化規(guī)律，并通過(guò)分析斷層滑移量與斷層應(yīng)力變化判斷斷層是否活化；焦振華等[16]分析采動(dòng)影響下斷層動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征，并提出了斷層損傷變量的概念來(lái)反映斷層破壞情況；SAINOKI等[17-18]基于FLAC3D二次開(kāi)發(fā)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，并分析了不同影響因素下斷層滑移地震矩的變化規(guī)律；朱廣安等[19-20]研究了采動(dòng)影響下斷層面位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和能量場(chǎng)的變化特征。

綜上所述，圍繞斷層沖擊地壓理論、采動(dòng)誘發(fā)斷層活化機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了廣泛而深入的研究，研究結(jié)果對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，但是針對(duì)采動(dòng)影響下斷層整體的活化趨勢(shì)，斷層活化釋放能量及傳遞到工作面的剩余能量大小有待進(jìn)一步研究。以躍進(jìn)煤礦25110工作面為工程背景，建立數(shù)值計(jì)算模型，分析逆斷層下盤(pán)采動(dòng)影響下斷層整體的活化趨勢(shì)，活化過(guò)程中斷層位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，采用斷層活化失穩(wěn)釋放能量計(jì)算公式計(jì)算工作面向斷層方向推進(jìn)過(guò)程中斷層活化釋放能量數(shù)值，并計(jì)算傳遞到工作面的剩余能量大小。

1 斷層面應(yīng)力分析

受采動(dòng)的影響，斷層附近煤巖層的原始平衡狀態(tài)被打破，采空區(qū)上部巖層垮落，形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)[11，19]，如圖1所示。圖1中，σ，τ為斷層面正應(yīng)力與剪應(yīng)力，MPa；θ為斷層傾角，(°)；p為巖層所受到的構(gòu)造應(yīng)力，MPa；此外，B巖塊對(duì)A巖塊作用有剪切力和水平力，煤層對(duì)A巖塊作用有支承應(yīng)力。

圖1 斷層面應(yīng)力分析Fig.1 Stress analysis of fault plane

取斷層面處任意微小單元進(jìn)行分析，如圖1所示，該單元受到斷裂頂板巖層所給的水平作用力σx和剪應(yīng)力τxy，下部煤層對(duì)單元的正應(yīng)力σy和剪應(yīng)力τyx，假設(shè)作用在斷層面上的正應(yīng)力為σn，剪應(yīng)力為τn，對(duì)單元進(jìn)行力學(xué)分析，σn和τn分別為：

τn=(σx-σy)sinθcosθ+τxy(cos2θ-sin2θ)

(1)

σn=σxsin2θ+σycos2θ+2τxysinθcosθ

(2)

斷層面上的應(yīng)力函數(shù)形式為：

σn，τn=f(σx，σy，τxy，θ)

(3)

可以看出，煤層開(kāi)采引發(fā)的σx，σy，τxy的變化將會(huì)引起斷層面正應(yīng)力與剪應(yīng)力的變化，斷層面應(yīng)力狀態(tài)的改變可能會(huì)誘發(fā)斷層活化失穩(wěn)。為進(jìn)一步對(duì)斷層活化過(guò)程進(jìn)行分析，下文采用數(shù)值模擬計(jì)算的手段分析采動(dòng)影響下斷層面活化趨勢(shì)，斷層面位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)變化規(guī)律。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

躍進(jìn)礦25110綜放工作面開(kāi)采2-1煤層，煤層厚度7.4～13.8 m，傾角12°，采深800～1 200 m。2-1煤層上方直接頂為厚度18 m的泥巖，基本頂為厚度190 m砂巖，下方直接底為厚度4 m的泥巖，基本底為厚度26 m的砂巖。25110工作面北部為25090工作面，南部接近F16斷層。F16斷層為逆沖斷層，走向?yàn)镋W方向，斷層傾角30°～75°，25110工作面附近斷層傾角為50°～65°。

針對(duì)躍進(jìn)礦25110綜放工作面開(kāi)采接近F16逆沖斷層，工作面掘進(jìn)回采期間沖擊事故頻發(fā)的現(xiàn)象，以25110工作面所處地質(zhì)環(huán)境為背景，并做一般化處理，使用FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2a所示。模型的尺寸為400 m(長(zhǎng))×400 m(寬)×140 m(高)，模擬煤層埋深800 m，頂部施加16 MPa的垂直應(yīng)力，使用interface命令建立斷層面，斷層傾角50°，落差10 m。模型采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，煤巖層參數(shù)見(jiàn)表1,斷層法向剛度20 GPa、切向剛度10 GPa、內(nèi)摩擦角20°、黏聚力0.7 MPa。斷層面采用庫(kù)倫剪切模型，主要參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。模型底部邊界固定約束，頂部邊界自由，四周邊界水平方向固定、垂直方向自由。工作面自模型左端沿x軸方向推進(jìn)，開(kāi)采寬度為140 m，分析逆斷層下盤(pán)采動(dòng)影響下斷層活化規(guī)律。

表1 煤巖層參數(shù)

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical model

如圖2b所示，在斷層面上布置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)按照煤層頂板向煤層底板的方向依次遞增，編號(hào)分別為1～24，其中1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于頂板，距煤層92 m，24號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于底板，距煤層40 m，監(jiān)測(cè)斷層面的剪切應(yīng)力、法向應(yīng)力。

2.2 斷層面活化失穩(wěn)

FLAC3D中斷層接觸面采用的是無(wú)厚度的接觸面單元，單元由一系列三節(jié)點(diǎn)的三角形單元組成，接觸面單元將三角形面積分配到各節(jié)點(diǎn)中，每個(gè)接觸面節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)相關(guān)的表示面積，如圖3中的陰影部分，表示該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)面積。本次模擬計(jì)算中一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元的相關(guān)面積為19.757 8 m2。

圖3 接觸面節(jié)點(diǎn)及單元Fig.3 Interface nodes and elements

由斷層面應(yīng)力分析可知，當(dāng)逆斷層下盤(pán)煤層開(kāi)采時(shí)，斷層面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，若interface斷層面某一節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度，則該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)破壞[18]。如圖4所示，隨著工作面向斷層方向推進(jìn)，斷層面出現(xiàn)活化失穩(wěn)現(xiàn)象。觀察采動(dòng)影響下的斷層活化規(guī)律，并統(tǒng)計(jì)斷層活化失穩(wěn)面積，見(jiàn)表2、圖5，工作面過(guò)斷層后至斷層距離以負(fù)值表示。斷層活化失穩(wěn)面積的計(jì)算公式為：失穩(wěn)面積=活化節(jié)點(diǎn)數(shù)目×節(jié)點(diǎn)相關(guān)面積。

圖4 斷層活化失穩(wěn)Fig.4 Fault activation and instability

表2 斷層活化面積

圖5 斷層活化失穩(wěn)面積Fig.5 Fault activation and instability area

采動(dòng)誘發(fā)斷層活化失穩(wěn)，當(dāng)工作面距斷層180 m時(shí)，斷層面原始應(yīng)力狀態(tài)被打破，位于煤層頂板的基本頂處斷層首先出現(xiàn)活化失穩(wěn)現(xiàn)象，活化節(jié)點(diǎn)數(shù)目為98.5個(gè)，活化面積為1 946.14 m2；距斷層160 m時(shí)，新增活化失穩(wěn)面積出現(xiàn)突增現(xiàn)象，新增面積為3 971.32 m2。

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)；斷層活化面積逐步增大，但增長(zhǎng)速率保持穩(wěn)定且相對(duì)較小，斷層處于穩(wěn)定活化階段，此階段斷層活化主要發(fā)生在頂板斷層內(nèi)；當(dāng)工作面距斷層20 m時(shí)，活化失穩(wěn)面積再次突然增大，新增活化面積達(dá)到8 614.82 m2，底板處斷層首次發(fā)生活化，此時(shí)頂?shù)装逄幍臄鄬佣家殉霈F(xiàn)活化失穩(wěn)現(xiàn)象；當(dāng)工作面距斷層0 m時(shí)，斷層新增活化失穩(wěn)面積為7 191.84 m2，斷層已基本發(fā)生整體的活化。工作面過(guò)斷層后，新增活化面積減小，采動(dòng)對(duì)斷層的影響減弱。

采動(dòng)影響下，頂板巖層垮落，采空區(qū)上方應(yīng)力重分布。當(dāng)工作面逐步向斷層方向開(kāi)采時(shí)，沿?cái)鄬用鎺r層高位點(diǎn)先于低位點(diǎn)受到采動(dòng)影響[11]，即高位頂板處斷層周?chē)鷳?yīng)力環(huán)境先發(fā)生改變。由式(3)可知，當(dāng)斷層周?chē)鷳?yīng)力環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，斷層易發(fā)生滑移失穩(wěn)。故斷層活化位置演化趨勢(shì)為從高位頂板處斷層向煤層附近發(fā)展。

受采動(dòng)影響，距離煤層頂板較遠(yuǎn)的高位覆巖處斷層最先出現(xiàn)剪切滑移，如圖6所示，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距煤層頂板85.5 m，自工作面距斷層180 m之后，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪切滑移量逐漸增大，滑移量達(dá)到0.01 m后趨于穩(wěn)定。隨著工作面逐步接近斷層，頂板處斷層的整體滑移量變化與2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)類(lèi)似，呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。底板處斷層發(fā)生剪切滑移的時(shí)間較晚，但滑移量較大，當(dāng)工作面與斷層間距小于20 m時(shí)，底板處斷層滑移量開(kāi)始增大，工作面距斷層0時(shí)，底板處斷層的最大剪切滑移量為0.038 m。工作面過(guò)斷層后，斷層整體活化，剪切滑移量增量較小。采動(dòng)影響下的斷層活化失穩(wěn)主要分為4個(gè)階段：①當(dāng)工作面距斷層180～140 m時(shí)，為初始活化階段，此階段發(fā)生在距煤層92～52 m處的頂板斷層附近，新增活化面積較大；②當(dāng)工作面距斷層140～40 m時(shí)，為穩(wěn)定活化階段，主要發(fā)生在距煤層52～14 m的頂板斷層附近，新增活化面積相對(duì)較小且保持穩(wěn)定；③當(dāng)工作面距斷層小于40 m時(shí)，為活化加劇階段，同時(shí)發(fā)生于煤層頂?shù)装鍞鄬?，新增活化面積急劇增大，斷層基本整體活化；④工作面過(guò)斷層后，為活化弱化階段，此階段新增活化面積較小，斷層受采動(dòng)影響減弱。

圖6 剪切滑移量變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of shear slip

2.3 斷層面剪切應(yīng)力突降

由第一節(jié)分析可知，隨著工作面的開(kāi)采，改變了斷層面的應(yīng)力狀態(tài)，使斷層出現(xiàn)滑移失穩(wěn)的可能性增大。根據(jù)建立的數(shù)值模擬模型，并選取斷層面2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行剪應(yīng)力分析，如圖7a所示。由圖7可以看出，隨著工作面推進(jìn)，斷層面的剪應(yīng)力出現(xiàn)先增大后突降的趨勢(shì)。工作面開(kāi)采初期，距離斷層較遠(yuǎn)，斷層面上的剪應(yīng)力緩慢增加，隨著工作面逐步靠近斷層，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的單元開(kāi)始活化失穩(wěn)，剪應(yīng)力突降，單元破壞，伴隨著能量的釋放。

圖7 斷層面剪切應(yīng)力變化規(guī)律Fig.7 Variation of shear stress on fault plane

由點(diǎn)及面，分析采動(dòng)影響下斷層面整體的剪切應(yīng)力變化規(guī)律。在斷層面選取6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中2、6、10、15 號(hào)為頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)，與煤層間距分別為85.5、60、36、12 m，20、23號(hào)為底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)，與煤層間距分別為16、34 m，得其剪切應(yīng)力變化趨勢(shì)，如圖7b所示?？梢?jiàn)，斷層面各測(cè)點(diǎn)的剪應(yīng)力整體呈現(xiàn)出先穩(wěn)定-增長(zhǎng)-突降的趨勢(shì)，剪切應(yīng)力減小以突降的形式進(jìn)行。隨著工作面的推進(jìn)，頂板處的斷層應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)最先出現(xiàn)剪應(yīng)力突降，以2、6、10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，當(dāng)工作面距斷層分別為180、140、80 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的剪切應(yīng)力出現(xiàn)突降，突降值分別為0.21、0.14、0.46 MPa；底板處的斷層應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生剪切應(yīng)力突降的時(shí)間較晚，當(dāng)工作面距斷層20 m時(shí)，20、23號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)剪切應(yīng)力突降，突降值分別為0.35、1.71 MPa。當(dāng)工作面距斷層0時(shí)，15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)剪應(yīng)力突降，數(shù)值為0.39 MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪切應(yīng)力突降規(guī)律與斷層活化失穩(wěn)面積變化規(guī)律相似。斷層面節(jié)點(diǎn)破壞導(dǎo)致剪切應(yīng)力突降，從而誘發(fā)斷層活化失穩(wěn)，因此，剪切應(yīng)力突降可以作為判斷斷層是否活化失穩(wěn)的標(biāo)志。

2.4 剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化規(guī)律

根據(jù)摩擦定律，接觸面的摩擦性質(zhì)取決于剪切力與正壓力的比值[14]，因此，判斷斷層面是否發(fā)生活化失穩(wěn)，可采用剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的比值作為參考指標(biāo)，圖8為剪切/法向應(yīng)力變化規(guī)律。

圖8 剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值Fig.8 Ratio of shear stress to normal stress

以2、6、10、15、20、23號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行分析。2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力比值最先出現(xiàn)變化，當(dāng)工作面與斷層間距為100 m時(shí)，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力比值到達(dá)峰值，為0.56，說(shuō)明此時(shí)距煤層較遠(yuǎn)的高位頂板斷層易發(fā)生活化失穩(wěn)；工作面距斷層分別為60、40 m時(shí)，6、10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力比值達(dá)到峰值，分別為0.64、0.58，兩點(diǎn)處的斷層易出現(xiàn)活化失穩(wěn)。隨著工作面開(kāi)采至過(guò)斷層，15、23號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)一直處于增大狀態(tài)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值增大，意味著底板處斷層與靠近煤層的頂板處斷層出現(xiàn)活化失穩(wěn)時(shí)間較晚。

由圖4斷層活化失穩(wěn)圖可知，工作面距斷層180 m時(shí)，位于煤層頂板的基本頂處斷層首先出現(xiàn)活化失穩(wěn)現(xiàn)象；由圖7剪切應(yīng)力變化規(guī)律可知，工作面距斷層180 m時(shí)，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞；由圖8剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比可知，工作面距斷層100 m時(shí)，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞。對(duì)比可以看出，剪切/法向應(yīng)力峰值的出現(xiàn)晚于剪切應(yīng)力峰值及塑性單元的出現(xiàn)。

2.5 斷層活化失穩(wěn)能量釋放

斷層面發(fā)生剪切破裂后，剪切應(yīng)力突降，同時(shí)伴隨著能量的釋放，產(chǎn)生微震事件，斷層活化失穩(wěn)釋放能量Ek的計(jì)算公式[18-20]如下：

(4)

式中：τe為斷層新增活化區(qū)域平均剪應(yīng)力降；R為斷層新增活化區(qū)域平均滑移量；A為斷層新增活化區(qū)域面積。

以工作面距斷層160 m時(shí)，煤層頂板上方基本頂處斷層活化失穩(wěn)釋放能量為例進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)，斷層面新增活化節(jié)點(diǎn)數(shù)目為201個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元的相關(guān)面積為19.757 8 m2，斷層新增活化面積為201×19.757 8=3 971.32 m2。活化區(qū)域內(nèi)有3、4、5 號(hào)共3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，取此時(shí)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪應(yīng)力突降的平均值，為141 143 Pa，斷層滑移量的平均值為0.002 3 m。將變量代入式(4)，得到工作面距斷層160 m時(shí)，斷層活化所釋放的能量為647 615.02 J。同理，可計(jì)算出工作面推進(jìn)過(guò)程中斷層活化釋放的能量大小，見(jiàn)表3。

表3 斷層活化失穩(wěn)參數(shù)變化

圖9可以看出，斷層活化失穩(wěn)會(huì)伴隨有能量的釋放。斷層初始活化階段，活化區(qū)域位于高位頂板處斷層，活化面積較大，但剪應(yīng)力降與剪切滑移量較小，因此釋放能量較小，工作面距斷層160 m時(shí)釋放的能量為6.48×105J。斷層穩(wěn)定活化階段，斷層活化面積處于穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，此時(shí)斷層活化釋放的能量相對(duì)穩(wěn)定且數(shù)值較小，大小在7.18×103～1.31×106J。當(dāng)工作面推進(jìn)至距斷層20 m處，此時(shí)斷層處于活化加劇階段，活化同時(shí)發(fā)生在頂?shù)装鍞鄬?，新增活化面積急劇增大，斷層剪應(yīng)力降及滑移量也處于較高水平，會(huì)釋放大量的能量，為3.28×107J；當(dāng)工作面距斷層0 m時(shí)，斷層活化發(fā)生的場(chǎng)所主要在煤層附近，釋放能量為7.17×107J。工作面過(guò)斷層20 m時(shí)，斷層處于活化弱化階段，釋放能量急劇減小，為1.36×106J?？梢?jiàn)，采動(dòng)影響下斷層發(fā)生活化并釋放能量，工作面過(guò)斷層前與斷層間距小于40 m時(shí)，釋放能量較大。

圖9 斷層活化失穩(wěn)釋放能量Fig.9 Fault activation and instability release energy

斷層活化釋放的能量，以震動(dòng)、地震波的形式釋放出來(lái)并向工作面?zhèn)鞑ィ鐖D10所示，由于部分能量的損失，到達(dá)工作面時(shí)剩余能量[21-22]為

圖10 斷層活化釋放能量并傳遞至工作面Fig.10 Fault activation releases energy and delivered to working face

E=Eke-λl

(5)

式中：Ek為斷層活化釋放能量；λ為能量衰減系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[22]中的試驗(yàn)記錄，取0.015；l為釋放能量中心點(diǎn)(震中)至工作面的距離。

由式(5)可以看出，隨傳播距離增大，能量呈負(fù)指數(shù)關(guān)系衰減。表3、圖9顯示，當(dāng)工作面距斷層180 m時(shí)，斷層活化中心點(diǎn)至工作面的距離為140.26 m，斷層活化釋放的能量為2.11×105J，計(jì)算出傳遞至工作面的能量為2.57×104J，衰減了87%；當(dāng)工作面距斷層40 m時(shí)，斷層活化釋放的能量為2.74×106J，傳遞至工作面的能量為1.67×106J，衰減了39%。隨著工作面逐步接近斷層，能量衰減量逐步減小，傳遞至工作面的剩余能量逐步增大。當(dāng)工作面與斷層距離大于100 m時(shí)，剩余能量的數(shù)量級(jí)為104J；工作面距斷層距離小于60 m時(shí)，剩余能量的數(shù)量級(jí)為106～107J；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層時(shí)，斷層活化所釋放的能量全部聚集在工作面處，達(dá)到7.17×107J。隨著工作面接近斷層，斷層煤柱內(nèi)能量積聚，儲(chǔ)存有大量的彈性能[23]，同時(shí)斷層活化能量傳遞至工作面附近煤柱，造成煤體能量的進(jìn)一步積聚，煤柱的沖擊危險(xiǎn)性增大。

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

躍進(jìn)礦25110工作面回采初期，下巷距F16大斷層距離小于80 m，下巷與F16斷層之間出現(xiàn)大量震源能量大于107J的微震事件，受工作面回采擾動(dòng)和F16大斷層滑移活化擾動(dòng)疊加影響，發(fā)生了“8·11”沖擊礦壓事故，震級(jí)為2.7級(jí)，能量為9×107J。新巨龍礦2301N工作面中部距開(kāi)切眼625 m位置發(fā)育一條FL37斷層，圖11為2301N工作面過(guò)斷層期間微震特征曲線(xiàn)[10]。圖11中顯示工作面過(guò)斷層前，斷層活化分為應(yīng)力顯現(xiàn)(距斷層274.8～214 m)、蓄能(距斷層214～84 m)、結(jié)構(gòu)活化(距斷層84～0 m)3個(gè)階段，應(yīng)力顯現(xiàn)與結(jié)構(gòu)活化期間微震事件較多，且能量數(shù)值較大。結(jié)合圖5、圖9得出工作面過(guò)斷層前，斷層活化分為3個(gè)階段，分別為：初始活化(距斷層180～140 m)、穩(wěn)定活化(距斷層140～40 m)、活化加劇階段(距斷層40～0 m)，初始活化與活化加劇階段斷層新增活化面積較大，斷層活化加劇階段釋放大量的能量等模擬結(jié)果基本一致?？梢?jiàn)，采用給出的數(shù)值計(jì)算方式，分析采動(dòng)影響下斷層活化趨勢(shì)及應(yīng)力變化規(guī)律，預(yù)測(cè)工作面接收能量大小的方法是可行的。

圖11 工作面過(guò)斷層期間微震特征曲線(xiàn)[10]Fig.11 Distribution curves of microseismic events duringworking face passing through fault[10]

4 結(jié) 論

1)隨著工作面逐步接近斷層，斷層活化分為4個(gè)階段，分別為：初始活化階段(工作面距斷層180～140 m)、穩(wěn)定活化階段(距斷層140～40 m)、活化加劇階段(距斷層40～0 m)、活化弱化階段(過(guò)斷層)。初始活化階段活化發(fā)生于距煤層較遠(yuǎn)的頂板處斷層內(nèi)，活化面積相對(duì)較大；穩(wěn)定活化階段發(fā)生于頂板處斷層內(nèi)，斷層活化面積增長(zhǎng)平穩(wěn)；活化加劇階段發(fā)生于靠近煤層的頂?shù)装逄帞鄬觾?nèi)，活化面積急劇增大，斷層基本全面失穩(wěn)；活化弱化階段發(fā)生于工作面過(guò)斷層后，此階段采動(dòng)對(duì)斷層的影響較小。

2)采動(dòng)影響下的斷層面發(fā)生剪應(yīng)力突降，斷層面剪切應(yīng)力與剪切法向應(yīng)力比值的變化規(guī)律可作為判斷斷層是否活化失穩(wěn)的依據(jù)，剪切法向應(yīng)力比值的響應(yīng)時(shí)間晚于剪切應(yīng)力。

3)通過(guò)分析采動(dòng)影響下斷層新增活化面積，并計(jì)算斷層新增活化面的滑移量與剪應(yīng)力降，利用斷層活化失穩(wěn)釋放能量公式，可估算工作面向斷層方向推進(jìn)過(guò)程中，斷層新增活化面能量釋放大小，計(jì)算數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，具備相似的規(guī)律性。

4)斷層活化釋放能量呈負(fù)指數(shù)的形式傳遞至工作面，工作面與斷層距離小于40 m時(shí)，傳遞至工作面的斷層活化能量量級(jí)明顯增大，造成煤柱內(nèi)能量的進(jìn)一步積聚，易導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害，需要采取防范措施加以應(yīng)對(duì)。