冲击地压是发生在深部煤炭开采过程中的煤岩动力失稳灾害,随着我国煤炭开采深度逐年增加,冲击地压灾害对煤炭安全生产影响越发严重[1-3]。根据冲击地压事故统计,当工作面临近断层地质构造时,冲击地压灾害频率明显升高[4-5],因此需研究分析开采扰动诱发断层错动活化的机理。

冲击地压灾害实质是积聚在煤岩体内弹性能以突然、急剧的方式释放,进而引发煤岩体破碎、震动,导致设备损坏、人员伤亡的动力过程[6]。断层地质构造区应力场相对复杂,周边煤岩体积聚的弹塑性形变分布不均匀,易发生相对滑动,且产生震动应力波扰动,引发邻近应力集中煤岩体弹性变形能突然释放,进而引发冲击地压灾害[7-9]。可见,地应力及开采扰动应力叠加条件下,外界扰动是触发聚能煤岩体冲击失稳的必要条件[10-12]。

针对回采扰动诱发邻近断层活化失稳机理,以往学者开展了大量的模拟研究工作,如姜耀东等[13-14]采用库仑剪切接触面单元代表断层两盘的接触状态,模拟发现断层法向应力的变化总是早于剪切应力;蒋金泉等[15]通过模拟分析认为逆断层下盘工作面煤层直接顶断层带活化的可能性大于上盘工作面;袁杰和朱守彪[16]利用不连续变形体接触力学的动态有限单元方法,模拟了断层阶区对地震破裂传播的控制作用;SAINOKI等[17]基于三维数值建模方法,分析了埋深1 500 m条件下开采冲击危险影响因素;王存文等[18]模拟发现断层、褶皱、相变等构造诱发冲击地压的机理为构造应力与采动应力叠加。另外,实验室尺度试验也是认知现场大尺度断层构造的重要手段,如赵善坤等[19]基于义马矿区生产地质条件,搭建了相似模拟试验平台,研究发现断层使工作面顶板离层量呈跳跃式增长;宋义敏等[20]基于数字散斑相关方法,对花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程进行了实验研究;马胜利等[21]基于断层摩擦滑动实验、含凹凸体断层的变形破坏实验、断层撕裂扩展的实验、交叉断层的变形实验等,讨论了与断层破裂与强震物理过程相关的若干问题。现场冲击事故灾害分析方面:李振雷等[4]分析了跃进矿25110工作面20次冲击事件,认为大部分冲击为断层滑移、基本顶断裂和煤柱破坏诱发的断层煤柱型冲击;夏永学等[22]统计发现断层构造失稳与区域应力场分布形式相关;许胜铭等[23]收集义马煤田200余个钻孔资料发现冲击地压与距F16断层距离呈负相关关系;罗浩等[24]分析了耿村煤矿东部区段深部开采临近F16逆冲断层围岩应力场演化规律。

然而,数值模拟及相似模拟方法均具有一定局限性,如边界条件和本构模型选取会对数值模拟结果准确性产生影响;相似模拟实验受材料配比影响较大,且搭建平台费时费工。因此,采用岩石力学试验方法,利用真实煤、岩试块形成组合结构模型,试验研究回采扰动对断层构造影响不免是一种新的尝试。笔者采用大同忻州窑矿14号煤样及顶板岩样,加工并组合成类逆断层构造的煤、岩组合试件,试验研究了双向等压加载条件下逆断层下盘煤层开挖对围岩应力扰动规律;采用声发射仪监测分析了煤层开挖过程中组合岩石试样内声发射事件能量及空间分布特征,并与逆断层下盘工作面回采条件下现场微震监测数据特征进行对比分析。

1 断层与开采工作面相互影响分析

未受采掘扰动影响的岩层处于原始平衡状态,回采工作面形成的采掘“空区”对原始应力场有强烈扰动,使原始应力场由原始平衡态向新的平衡态转化,此转化过程有稳态的也有非稳态的,即为采掘扰动效应。新的应力平衡态下,采掘“空区”周边岩体由内向外形成采动卸压区、支承升压区以及原始应力区。采动卸压区煤岩体卸载降压,岩体裂隙发育,承载能力降低,载荷向外围岩体转移;支承升压区受采动卸压区载荷转移影响,承担了原始由采动卸压区岩体支承的载荷,支承载荷升高,产生应力集中,岩体裂隙有压实趋势,形成类似“应力壳”的空间应力升高区结构[25];支承升压区外围为原始应力区,此区域内岩体仍处于原始应力平衡状态,受采掘扰动影响较弱或不受采掘扰动影响,如图1(a)所示。

当采掘工作面周边存在断层地质构造时,根据断层构造面与回采工作面相对空间位置,可划分为逆断层下盘开采、正断层下盘开采、正断层上盘开采和逆断层上盘开采4种类型。由图1(a)中相对空间位置可以看出:在相同的断层、煤层几何位置条件下,相对于正断层地质构造,逆断层地质构造开采时其回采工作面形成的应力扰动区距离断层面更近,更易扰动断层构造面及对应上盘或下盘煤层,即逆断层构造开采时,回采工作面与邻近断层地质构造及相对应上盘或下盘煤层产生相互应力扰动影响程度大于正断层构造开采。

逆断层下盘开采时,工作面与断层面间岩块受力状态如图1(b)所示,Ph,Pv为回采扰动引起的断层面水平方向及垂直力方向载荷变化值,将其分解为沿断层面上的切向力Fy和法向力Fx:

(1)

其中,θ为断层倾角。根据各参数物理意义,逆断层下盘开采条件下,Ph,Pv,cos θ,sin θ均不小于0,因此Fy≤0,可见逆断层下盘开采条件下,断层岩块不存在向上剪滑危险。断层岩块向下剪滑判别条件为

-Fy>Fxtan φ

(2)

其中,φ为断层面摩擦角。将式(1)代入式(2)整理得

(3)

当回采扰动作用于断层面上垂直力小于0时,回采将引起断层面两侧岩体产生张拉离层趋势,当断层面上垂直力超过断层面抗拉强度时,断层将发生张拉离层。一般情况下认为断层破碎带抗拉强度为0[5],则仅考虑回采扰动时,断层面发生张拉离层力学条件为

Fx<0

(4)

将式(1)代入式(4)整理得

(5)

式(3)和式(5)即为逆断层下盘开采引发断层面剪滑及断层面两侧岩体相对张拉离层的力学条件。

需注意的是图1(b)仅为逆断层下盘开采的简化模型,现实条件往往更为复杂。笔者仅采用该简化模型定性说明逆断层下盘开采时断层面剪滑及张拉离层危险性。

2 逆断层下盘开采试验模型

针对逆断层构造下盘开采类型,设计了类逆断层下盘开采煤岩组合结构模型试验。试件煤、岩块取自大同忻州窑煤矿14号煤及顶板岩层,14号煤垂直层理方向抗压强度36.19 MPa,弹性模量4.34 GPa,泊松比0.36。组合试件尺寸为20 cm×20 cm×5 cm(长×宽×高),断层上盘岩层与下盘岩层对称布置,顶板、煤层、底板岩层高度分别为12,2,6 cm,试件具体位置关系如图2(a)所示。试件各接触面采用60号砂纸打磨,其中煤、岩层接触面采用自然接触,断层面采用加工过程中的煤碎屑加少量水进行填充,填充厚度约1 mm。

试验在中国地震局地质研究所大尺寸平卧液压伺服双轴加载系统上完成,该系统最大许用样品尺寸为30 cm×30 cm,可实现X,Y双方向不同速率加载,两加载液压活塞分别与数据采集器相连,可实现X,Y方向加载位移、载荷的实时监测,试验时加载系统数据采集频率为10 Hz。在煤岩组合结构试件正面,于设定位置布设9个声发射探头,实时连续监测组合结构试件内微破裂信息,采样频率3 MHz,分辨率8 bit。在煤岩组合结构试件背面,沿断层面不同位置布设5组应变花,实时监测断层面附近煤岩应变,应变片采样精度10-6,采样频率100 Hz。煤岩组合结构试件上声发射探头及应变花具体位置如图2(a)及表1,2所示。

试验步骤如下:① 在X,Y方向对煤岩组合试件同步施加载荷,加载速率1 μm/s,至X,Y方向载荷达到70 kN时停止,保持作动器位置不变;② 从组合试件边界向断层面方向开挖下盘煤层,至断层面时停止,如图2(a)中开挖方向(红色箭头)所示。本次试验采用双向等压条件旨在着重分析下盘煤层开挖扰动应力对于煤岩组合结构整体稳定性的影响。

3 试验结果分析

3.1 采动引发应力、应变扰动

(1)采动引发应力扰动

在双向等压条件下开挖煤岩组合试件下盘煤层,由于开挖卸荷作用,将引起X(水平)、Y(垂直)方向载荷改变,通过监测X,Y方向载荷变化可分析煤岩组合试件下盘煤层开挖扰动规律。

首先分析煤层开挖引起的水平及垂直方向载荷变化,即和如图3(a),(b)所示。可以发现:逆断层下盘煤层开挖过程,对垂直方向载荷影响大于水平方向;垂直方向载荷随下盘煤层开挖,载荷由70 kN逐渐下降,且下降幅度明显,而水平载荷基本保持在67 kN左右。下盘煤层开挖过程,垂直方向载荷与水平方向载荷均出现不同幅度的载荷突降现象,如在1 075 s时,水平方向载荷由68.2 kN下降至65.1 kN,下降3.1 kN;垂直方向载荷由60.7 kN下降至56.6 kN,下降4.1 kN。分析认为载荷突降主要由断层面活化失稳造成,类似于天然地震的应力降现象[21]。可见,煤岩组合结构下盘煤层开挖以垂直方向卸载扰动为主。

图3(c)为煤层开挖引起的垂直方向载荷变化值与水平方向载荷变化值的比值Pv/Ph变化,即分别为试验加载作动器监测到的垂直及水平方向载荷,即图3(a),(b)中载荷值。可以看出:逆断层下盘煤层开挖前Pv/Ph基本保持为常数1;随煤层开挖,Pv/Ph值整体呈升高趋势,并伴生有明显振荡现象,这种振荡与断层面非稳定黏滑失稳有关[13]。研究表明[5],采掘工作面将对断层构造产生水平扰动载荷Ph和垂直扰动载荷Pv,在逆断层下盘煤层回采条件下,若仅考虑回采卸载荷作用,当断层倾角及断层内摩擦角确定时,根据式(3)和(5),则回采引起的垂直扰动与水平扰动载荷比Pv/Ph越大,逆断层构造面发生张剪活化失稳的危险越高。根据图3(c),煤层开挖引起的垂直扰动与水平扰动载荷比Pv/Ph由1不断升高,表明逆断层构造面发生离层或剪滑失稳的危险随开挖面与断层面间距离减小而升高,即开挖面越靠近断层,断层面发生活化失稳危险越高。

(2)采动引发断层面附近围岩应变扰动

组合结构试件反面沿断层面布设5组(1～5号)应变花,应变花由3个应变片构成,中间位置应变片与断层面垂直,其余应变片分别位于中间应变片两侧并与其成45°夹角,布设具体位置参见图2(a)、图4和表1。组合试件下盘煤层开挖过程中,通过应变花可实时监测断层面附近不同位置围岩处应变演化特征。

沿断层面设为x方向,以垂直断层面为y方向,建立直角坐标系,如图4所示。根据3个应变片方位,对应变值可分别记为ε-45,ε0,ε45。设任一应变花处沿断层面线应变为εfs,垂直断层面线应变为εfn,剪切应变为γf,则由应变方程可得

(6)

由式(6)可得,沿断层面线应变εfs及垂直断层面线应变εfn:

(7)

根据εfs及εfn,结合相应岩层的变形模量E,即可求得相应监测点上剪应力τf和正应力σf。

由图1(a),采掘工作面回采后周边岩体由采空区向外形成采动卸压区、支承升压区以及原始应力区;当工作面采空区形成的支承升压区对断层构造面造成扰动时,有可能诱发断层面两侧岩体活化运动,进而引发矿震活动。图5为组合试件下盘煤层开挖过程中,断层面附近不同位置围岩(1～5号应变花)应变。

由图5(a)可以看出,εfs在组合试件加载阶段,各测点平行断层应变值随加载载荷升高而增加;在煤层开挖阶段,各测点平行断层应变值随煤层开挖呈降低趋势。煤层开挖前,布设在煤层的2号应变花εfs值约为240×10-6,明显高于其余部位岩层应变值,煤层顶板3,4,5号应变花处εfs值差别不大,约150×10-6;煤层底板1号应变花处εfs约210×10-6。可见,在双向等压加载条件下,由于断层面附近围岩力学性质的差异,断层面附近不同位置围岩εfs值呈不均匀分布。煤层底板1号应变花εfs值在开挖初期变化梯度较小,在开挖后期变化较大;而煤层顶板3,4,5号应变花处εfs值在开挖初期变化梯度较大,开挖后期变化较小;试验证实了沿断层面上距离开挖煤层越近的岩层,受开采扰动越明显。由图5(b)可以看出,εfn受煤层开挖影响明显高于εfs,且开挖面与断层面距离越小,εfn受扰动影响越剧烈。煤层开挖前,煤层上2号应变花监测到的εfn值约为484×10-6,明显高于其他测点位置的εfn值,可见开挖前断层面上εfn值亦呈不均匀分布。5号应变花处εfn值最大为3 200×10-6,受煤层开挖扰动最剧烈。煤层底板1号应变花处εfn值受开挖影响不明显,基本保持在236×10-6左右。

此外,εfs值变化有明显的“波动”现象,而εfn值却无“波动”现象,分析认为εfs值波动与断层张剪活化过程中断层面内岩石碎屑破裂引起的断层面匀阻成核过程有关[20]。由图3(a)，(c)及5(a)可见,类逆断层组合结构试件下盘煤层开挖过程中,应力、应变均出现“波动”现象,此过程与岩石单剪及双剪实验过程中的黏滑现象相似,且本试验中监测到的振荡周期与单剪及双剪实验中的黏滑周期基本一致[21],约0.1～0.6 s。但相应的应力降及应变降小于单剪及双剪实验应力降及应变降,分析认为,由于煤层的存在,致使断层面上不可能完成大面积匀阻“成核”过程,从而不会出现大幅度的应力降。

3.2 开挖扰动引发煤岩震动

采用中国地震局地质研究所DS3声发射监测仪,实时监测组合结构试件在煤层开挖过程中伴生的震动事件,并将相关规律与工程尺度下类似开采条件下的矿震事件空间分布规律进行对比分析。

(1)煤层开挖引发声发射事件特征

通过分析声发射信号统计及空间分布特征,结合组合结构试件应力、应变演化规律及岩石试件破坏形态,可较完整地从多个角度分析试验过程中断层—围岩系统活化、失稳的内在机理并揭示其外在表现。

图6为试验过程中定位的声发射事件在不同能量区间的分布。试验共定位声发射事件1 535次,以能量级为10-13～10-10 J事件为主,占总声发射事件数84%,能量级小于10-14 J事件10次,能量级为10-8～10-7 J的高能量事件4次。图7为试验过程中不同能量级声发射事件震源空间位置分布图。可以发现:煤层覆岩层声发射事件数量明显高于底板岩层。定位的声发射事件多集中于试件下盘,而断层上盘声发射事件数量相对较少,煤层与断层面交叉处声发射事件较多。能量级为10-9～10-8 J的声发射事件主要集中在开挖煤层周边,能量级为10-8～10-7 J的声发射事件主要集中在开挖煤层与断层构造面交叉区域,这与3.1节中煤层处应变值明显高于其余测点位置监测结果一致,应变值越大表明裂隙扩展剧烈,伴生的声发射事件数量越多。可见逆断层下盘煤层开挖对围岩与断层有明显的扰动作用,且开挖煤层与断层面交叉区域变形量大,高能量声发射事件数量多,冲击危险高。

(2)与现场类似开采条件下微震数据对比

为讨论试验结果,选取类似开采条件下(赵楼矿FZ14逆断层下盘1303工作面回采过程)的微震监测数据进行分析,对比分析本试验结果中声发射事件震源分布合理性。

赵楼矿1303工作面北侧为1302采空区,中间以FZ14逆断层相隔,南侧为实体煤。图8为1303工作面2013年6月份回采过程中,工作面开采扰动诱发的矿震震源空间分布,可以看出:开采扰动诱发的矿震震源主要集中在两个区域,工作面采空区周边围岩及FZ14逆断层区域。整体而言,工作面覆岩岩层矿震震源数量明显多于底板岩层,且发生的3次大能量矿震事件(图8中红色圆点)全部位于开采煤层覆岩层位,其中两次距离正在回采的工作面较近,为覆岩层破断诱发的高能量矿震,另一次距离正回采的工作面较远,位于较高覆岩层位,为FZ14逆断层摩擦错动诱发的大能量矿震。由B—B剖面可以看出,矿震事件主要分布于FZ14逆断层的右侧,即正回采1303工作面一侧,FZ14逆断层左侧震源事件较少,表明FZ14逆断层阻断了1303工作面开采对1302采空区的扰动影响,因而矿震事件较少。可见,实际开采过程中的矿震震源空间分布特征与煤、岩组合结构试件逆断层下盘开挖声发射事件震源空间分布特征一致,表明本文所采用的组合结构试验方法能够在一定程度上反演开采扰动诱发断层失稳机理。

当然,由于试验样品尺寸的限制,无法获得更大范围内声发射事件,同时试样断层面相对真实断层面在材料性质上仍有差异。但正如地震研究中以双剪实验研究地震机理一样,采用真实煤、岩组合结构试样开展开挖扰动下结构失稳的岩石力学试验,旨在分析煤-岩-断层面组合结构在煤层回采扰动影响下失稳机理和伴生震动事件的演化规律,并可丰富动力灾害机理研究的试验手段。

4 结 论

(1)回采工作面围岩由内向外形成采动卸压区、支承升压区、原始应力区,其随工作面推进的动态演化将诱发邻近断层面错动活化,其中逆断层构造更易受工作面开采扰动区影响。

(2)双向等压条件下类逆断层煤、岩组合结构下盘煤层开挖,随开挖面与断层构造面距离减小,垂直扰动与水平扰动载荷比(Pv/Ph)由1逐渐增加至6,断层发生离层或剪滑失稳危险升高;断层面附近围岩应变呈不均匀性分布;沿断层面,煤层顶板岩层先于底板岩层受到采动影响且距离开采煤层越近的岩层,其受开采扰动越明显。

(3)组合结构试件下盘煤层开挖诱发的声发射事件以能量级10-13～10-10 J为主,占总声发射事件数84%,声发射事件震源主要分布于煤层顶板,较少跨越断层构造,表明断层构造对开采应力扰动有阻断作用;开挖煤层与断层面交叉区域集聚大量声发射事件,冲击地压危险较高。与赵楼矿1303工作面矿震事件对比发现,实际开采扰动矿震事件与试验声发射事件震源空间分布特征具有一定相似性。

致谢 论文试验部分在中国地震局地质研究所完成,感谢刘力强研究员、郭彦双博士等在试验过程中给予的帮助;感谢赵楼煤矿防冲科杨勇在现场矿震数据收集、整理方面所给予的帮助;研究亦受到中国矿业大学(北京)越崎杰出学者奖励计划资助。

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