逆冲断层卸载失稳机理研究

逆冲断层卸载失稳机理研究

单儒娇

大唐呼伦贝尔能源开发有限公司 内蒙古 锡林浩特 026000

摘要：冲击地压是一种非常严重的煤矿灾害现象，它是在特定地质构造条件和地层特征下的煤岩体系统由采矿活动在变形破坏过程中产生的能量稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学特征，逆冲断层附近一般存在较高的原岩应力场，而这些地区往往是煤矿动力灾害的高发区域。近几年来，围绕逆冲断层冲击地压问题，国内外学者分别从理论分析、数值模拟、工程实践等方面开展了大量研究。基于逆冲断层冲击地压的工程分析，阐释了采动引起的逆冲断层卸荷效应，分析了断层失稳过程，研究了逆冲断层卸载失稳瞬态的位移场时空演化规律，初步建立了逆冲断层卸载失稳力学模型。

关键词：逆冲断层；卸载；力学模型

一、冲击矿压发生机理

目前为了全面掌握预测和防治冲击矿压的发生原因，国内外许多专家和学者都将冲击矿压的发生机理作为各自研究的主要内容。多个国家的专家通过利用冲击矿压的数值模拟、理论分析、实验室测试以及现场实测调研等方法与手段，根据不同的研究视角提出了诸如刚度、冲击倾向、能量、变形系统失稳、三准则以及强度等一系列重要的机理与理论。目前，冲击矿压理论的研究发展较快。窦林名、陆菜平，揭示了顶板影响的条件下，能量在煤岩破坏过程中释放规律以及冲击矿压发生的机理，提出弹塑脆性冲击矿压模型，得到在顶板岩层运动加速的时候，系统在破坏过程中的能量会释放的很多，这时冲击矿压的发生机率也较大。［1］分析冲击震动对巷道破坏原理的基础上，提出在冲击矿压下控制巷道周围岩体稳定性的力学模型，同时分析了该模型在防止冲击危险方面的机理，推导出巷道支护体内发生冲击破坏情况下的能量与应力条件，提出了针对巷道冲击矿压的防范措施。在实验结果的基础上，提出了发生冲击矿压的临界最大主应力机理，分析了巷道两帮以及底板围岩体侧压力系数对其最大临界主应力的影响规律，研究了“围岩煤体”系统破坏诱发冲击矿压的机理，认为围岩的加载方式影响“围岩煤体”系统的破坏方式。

二、开采扰动逆冲断层失稳过程

随着煤体被大面积采出，覆岩在采动应力作用下破断、垮落，应力地连续性传递被迫中断，势必造成围岩应力场重分布，使得断层某一侧的应力水平降低，即产生卸荷效应，该效应将对断层的稳定性造成重要影响。为研究采动条件下逆冲断层的卸荷效应及失稳过程，笔者采用相似模拟、数值模拟的手段研究了覆岩断层及断层滑移行为，并对断层失稳全过程进行了分析。

1、覆岩运移特征。根据 F16 逆冲断层的地质信息，建立相似模拟实验模型 。实验台尺寸为: 长×高×厚 = 5. 0 m×1. 5 m×0. 4 m，相似材料采用河沙为骨料、石膏和碳酸钙作为胶结物，模型几何相似比 al = 200，时间相似比 at = 14. 14，容重相似比 aγ = 1. 56，应力相似比 as = 312，弹性模量和强度相似比 aE = aσ = 20. 06。模型长度方向上两侧为固定边界约束，顶部直接模拟到地表。模型建立过程中，先搭建断层下盘岩层，断层带采用煤介质进行填充由于逆冲推覆作用，部分煤体运移至断层带，后搭建断层上盘岩层，然后整体由下至上逐层铺料建模，最终实现断层模型的搭建。实验过程中煤层从下盘逐步向断层上盘开挖，同时采用应力传感器监测上盘、断层处和下盘不同位置的煤层应力，通过表面布点监测回采过程中的覆岩变形。

在煤层开采过程，当工作面向断层推进时，上方覆岩平衡状态被打破，顶板岩层在弯矩作用下发生下沉、离层、破断、回转等运动，并随开采扰动前移，诱发裂隙向上方、前方延伸，煤层开采 1 500 m 时的覆岩破坏其裂隙带形态为近似梯形，下部垮落带纵向裂隙发育，断块多为长方体交错叠加，上部基本为横向离层裂隙，纵向贯通裂隙较少，顶板弯曲变形、呈层带状。该区域相对于回采前新生大量裂隙，造成区域内岩石力学性质大幅弱化，传递横纵向载荷的能力显著降低，同时下沉位移使得该区域存在附加空间，为断层－围岩系统向该区域运移创造了有利边界条件。断层下盘围岩卸荷作用，使得断层附近应力场重新调整，进一步造成断层中间部分段产生少量微裂隙，裂隙方向基本与断层方向一致，同时覆岩高位横向裂隙向断层方向延伸，并有与断层原生裂隙带贯通的趋势。

2、断层滑移特征。采动卸荷效应还包括对断层滑移的影响。笔者采用数值模拟方法，得到工作面推进至断层附近回采1500 m时的 F16 逆冲断层剪切位移变化情况，中断层线蓝色段剪切位移为 0m，说明由于采动卸荷作用，该断层段两侧岩体已脱离，由此推测开采扰动造成该区域围岩应力降低或裂隙向断层带发育，从而使得断层两侧岩体变形减小、产生缝隙。而剪切位移为 0. 4 ～ 0. 6 m，下段较长，剪切位移分布范围较大，为 0～ 1. 4m，可见 F16逆冲断层主要的滑移段为下部区域，故断层深部可能是冲击地压的震源。同时，为确定断层上下段的滑移方向，将数值模型垂向位移变化提取，可知，采动卸荷作用使得煤层覆岩向下变形，该段断层下盘一侧围岩的垂向位移为－0. 50 ～ －0. 75 m，大 于 上盘一侧垂向位移 (－0. 25 ～ －0. 50 m) ，因此可知断层上端错动方向为逆时针，而对于 F16 断层深部段，其下盘大部分区域垂向位移为向上的变化趋势，上盘位移主要向下变化，故断层深部段滑移方向为顺时针。因此，断层滑移阶段，不同位置断层的错动方向也具有差异性。

3、断层失稳过程分析。当断层系统刚度属性满足失稳条件时，其平衡曲面在 x－q 坐标系上的投影。断层系统失稳为一个过程，同时［1］提出的地震亚失稳阶段，可根据断层剪应力－剪应变本构关系曲线斜率将逆冲断层失稳过程 分为线性稳态 ( I) 、非线性稳态( II)、亚失稳( III) 和失稳( IV) 阶段。

结合模拟和数值模拟结果可知，采动引起的卸荷效应是断层由稳态向非稳态转变的一个重要诱因。随着工作面向断层推进，顶板岩层逐渐弯曲、垮 断、整体下沉，同时断层采动侧岩体应力降低，使得断层及围岩剪应力增大、剪应变增加，断层系统由线性稳态向非线性稳定转变。当工作面靠近断层时，覆岩卸荷效应影响至断层附近，裂隙向断层带延伸，断层剪应力可能并不会增加许多，但剪应变急剧增大，断层系统临界失稳，即亚失稳阶段。此时断层系统处于非稳定平衡状态，稍有扰动增量，断层即进入失稳阶段，断层系统扰动响应将趋于无穷大，并伴随着能量大量释放。

结论

(1) 随着开采范围与 F16 断层距离地减小，断层冲击地压发生危险性增大，冲击地压释放能量显著增高。采动造成断层系统产生卸荷效应，使得覆岩裂隙向断层延伸并诱发断层产生新裂纹，断层带交替出现应力集中区和降低区，同时断层带局部离层、上部逆时针滑移、下部逆时针错动。

(2) 断层错动瞬间应变总体上突降－突增逐渐－降低至稳定的变化趋势，对应于断层滑移的稳定的过程。

参考文献：

［1］姜福兴，魏全德，王存文． 巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析［J］． 煤炭学报，2019 ( 7 ) ．

［2］吕进国，姜耀东，南存全． 深部逆断层圆弧形断面诱发煤岩动力灾害的力学分析［J］． 重庆大学学报，2019 ( 1) ．