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王宏伟1，2，邵明明2，王 刚2，邓代新2
(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083; 2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)
摘 要:复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切，也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题，断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时，以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象，通过相似模拟和数值模拟，研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景，建立了F16逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型，运用应力监测和声发射监测的手段，分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征，研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型，研究了断层区域岩层裂隙发育情况，分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律，总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段，即水平载荷施加阶段，工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段，断层滑动面不断积聚能量，声发射事件数激增;工作面开采过程中，断层频繁受开采扰动，正应力与切应力两者变化不同步。开采初期，正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采，正应力与切应力的变化情况相反，正应力逐渐降低，切应力逐步增大。工作面接近断层时，断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期，断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能，声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时，能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的“缺震”现象较为吻合，即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少，发生后激增的现象。因此，断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。
关键词:冲击地压;逆冲断层;应力演化;滑移失稳;前兆信息
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王宏伟，邵明明，王刚，等.开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征[J].煤炭学报,2019,44(8):2318-2327.doi:10.13225/j.cnki.jccs.KJ19.0573
WANG Hongwei，SHAO Mingming，WANG Gang，et al.Characteristics of stress evolution on the thrust fault plane during the coal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(8):2318-2327.doi:10.13225/j.cnki.jccs.KJ19.0573
中图分类号:TD163;TD324
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)08-2318-10
收稿日期:2019-05-04
修回日期:2019-06-14
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41872205);中国矿业大学(北京)“越崎青年学者”资助项目(2018QN13);国家重点实验室开放课题资助项目(SKLGDUEK1722)
作者简介:王宏伟(1981—)，男，山西朔州人，副教授，博士生导师。E-mail:whw@cumtb.edu.cn
WANG Hongwei1,2，SHAO Mingming2，WANG Gang2，DENG Daixin2
(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing100083,China; 2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing100083,China)
Abstract:The relationship between complex geological structure and the occurrence of coal burst in coal mine is a major concern in coal mining.It is of theoretical significance and important engineering guidance to study the mechanism and precursory information of instability fault slip and coal burst for the safe and efficient production of coal mines.The stress evolution is focused on the fault plane by the methods of physical and numerical simulation to study the precursory information of instability fault slip during the coal mining.Based on the engineering background of the 21221 coal mining face at Yima mining area,Henan Province,China,a physical model with F16thrust fault structure is constructed under the horizontal loading.The dynamical evolution characteristics of the shear stress on the fault sliding plane under mining disturbance are analyzed according to the stress sensors installed on the fault plane.The acoustic emission method is employed to monitor the acoustic emission events distributed on the fault plane.In addition,a numerical coal seam mining model with F16thrust fault structure is also established to study the rock fracture development and strain energy release characteristics in the fault influenced zone.According the physical and numerical results,the precursory information of instability fault slip is summarized by investigating the stress distribution,acoustic emission monitoring and strain energy release on the fault plane.It is revealed that three stages in terms of shear stress evolution and acoustic emission events can be presented in the physical and numerical simulation,including horizontal pressure application stage,mining stage and fault slip stage.It can be seen that the acoustic emission events sharply increase since the strain energy continually accumulates on the fault plane during the horizontal pressure application stage.In the coal seam mining stage,due to the fault is frequently disturbed by coal seam mining,the normal stress and shear stress on the fault plane present different variation.In the earlier mining stage,the normal stress is greater than shear stress.As the advancement of coal mining,the change of normal stress and shear stress are exactly opposite.The normal stress gradually decreases while the shear stress gradually increases.In addition,the shear stress on the fault plane experiences the process of gradual decrease and sharp increase when the mining face is approaching the fault structure.In the fault slip stage,strain energy is accumulated again on the fault plane before the occurrence of fault slip but the acoustic emission events disappear.However,due to the continually energy release,the acoustic emission events sharply increase when the fault slip and the collapse of rock strata occur.The relative less or constant number of acoustic emission events before the instability fault slip is consistent with the micro-seismic events in micro-seismic monitoring in which the number of micro-seismic events decrease before the occurrence of coal burst and then suddenly increase after the coal burst.Therefore,the sharp increase of shear stress and acoustic emission events during the constant process can be regarded as the precursory information of instability fault slip.
Key words:coal burst;thrust fault;stress evolution;instability fault slip;precursory information
煤矿冲击地压的孕育和发生与地质构造等因素密切相关，尤其在断层附近，冲击地压发生的强度和频度较高[1-6]。断层滑移失稳诱发冲击地压属于结构失稳冲击，具有冲出煤量大、破坏性强、发生突然而猛烈等特点。
围绕断层滑移失稳诱发冲击地压的机理许多学者进行了大量研究工作。宋义敏等[7]研究发现断层型冲击地压的发生与侧向压力有关。吕进国等[8-9]认为大范围逆断层和巨厚坚硬顶板为冲击地压的发生提供了动载条件。李志华等[10-12]指出工作面从断层下盘推进时，断层面正应力的下降和剪应力的上升极易诱发断层的活化。姜耀东等[13-14]研究工作面由断层上盘向断层回采，认为扰动影响下断层面正应力与切应力表现出不同趋势，而且切应力变化相对正应力总是较晚，两者变化不同步。王学滨等[15-17]认为断层诱发冲击地压是指受采掘活动影响而使断层突然错动，发生剪切失稳。王来贵等[18]指出含有断层等不连续结构面的天然岩体受到采动等因素的影响，打破原有平衡状态而产生运动。
声发射监测技术作为一种无损检测手段，越来越多地应用于岩土工程和采矿工程等领域[19-21]。左建平等[19]认为声发射的空间分布主要受煤体结构及原生裂隙的影响。赵扬锋等[20]研究发现岩石试样在失稳前有明显的声发射前兆信号。赵善坤[21]综合运用声发射监测技术，研究认为受逆冲断层南北两侧地层覆岩结构复杂和构造运动影响，断层活化前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应明显不同。因此，声发射技术具有实时监测并定位岩体变形和破坏等优点，本文将采用声发射技术监测断层滑移失稳的前兆信息。
综上所述，国内外学者集中研究了褶皱、断层等地质构造和煤层上覆坚硬顶板等因素对冲击地压的影响作用，对煤矿安全开采具有重要的指导意义，但是对于工作面开采扰动下断层滑面上应力的变化特征还需进一步研究。笔者以义马千秋矿21221工作面为工程背景，建立了F16逆冲断层赋存条件下的水平加载工作面相似材料模型和数值模型，分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征，研究了断层区域岩层裂隙发育情况及断层滑移失稳时声发射事件数和能量释放的动态演化特征，总结了断层滑移失稳的前兆信息。
河南义马煤田位于华北古板块的南部，秦岭造山带的北侧，豫西崤熊构造区北带西端，崤熊构造区属于褶皱-逆冲断裂构造区。义马煤田千秋矿的含煤岩系被F16近东西向压扭性逆冲断层破坏，造成局部陡倾和直立，甚至出现倒转现象，是冲击地压的频发区域。现场资料显示，F16逆冲断层主要是对冲击地压和矿山压力显现具有重要的影响作用，千秋矿21221工作面(图1)运输巷曾发生“11·3”冲击事故，造成大量人员伤亡和设备损失。
图1 21221工作面采掘工程平面
Fig.1 Plan of the mining project of 21221 mining face
21221工作面主采2号煤层，煤层平均埋深758.5 m，煤层平均倾角10°，煤层厚度8.4～13.0 m，平均厚度11.5 m。煤层直接顶为0～20 m的脆性泥岩，基本顶为平均厚度410 m侏罗系巨厚砾岩，如图2所示。
图2 工作面地层柱状
Fig.2 Schematic diagram of stratigraphy
F16逆断层为近东西向压扭性逆冲断层，走向110°，倾向南偏西，断层倾角30°～75°，落差31～102 m，水平错距120～1 080 m。 F16断层从千秋矿21221工作面西南角切过。
义马煤田冲击地压的发生与基本顶巨厚砾岩和F16压扭性逆冲断层密切相关，其中F16逆冲断层的不稳定性是主要影响因素，对冲击地压和矿山压力显现具有重要的影响作用。2号煤层主采21221工作面倾斜长度180 m，走向长度1 450 m，埋深758.5 m，上覆巨厚砾岩对其作用了巨大的垂直压力，同时也是构造应力的主要因素。
根据千秋矿21221工作面与F16逆断层的空间相对位置，结合千秋矿21221工作面地层柱状图建立了21221工作面开采相似模型，模型中岩层倾角10°，断层倾角75°，落差5 m，表1为21221工作面岩层物理力学参数。
表1 岩层物理力学参数
Table 1 Physico-mechanics parameters of rock stratum
通过中国矿业大学(北京)深部岩体工程与地质灾害模拟实验台分析21221工作面开采过程中F16逆断层滑移失稳前兆信息。该实验台尺寸为1 600 mm×400 mm×1 600 mm，为使实验在空间和时间上满足合理的相似定律，确定相似模型几何相似比1∶120，容重相似比1∶0.122，强度相似比1∶14.64，时间相似比1∶0.95。根据不同的水膏比，制作不同强度的石膏单元板搭建模型，模型上覆岩层采用物理相似配重均匀加载实现。模型内断层采用提前预制的方法建立，断层面材料及模型中的石膏单元板经过切割制成。断层建立过程中，切割后的石膏板在相似模型中从底到顶依次铺设，以此模拟受开采扰动时的断层滑移。表2为石膏单元板参数，图3为相似模型示意图，其包含声发射测点和应力测点的布置。在相似模型断层附近设置6个声发射测点，测点从泥岩上方开始布置，每间隔500 mm布置一处，前后共6个，编号为N1～N6，对断层区域岩层裂隙发育情况进行监测，采集实验过程中相似模型的声发射信号特征参数，图中黑色圆点为声发射测点;采用应变传感器对断层滑动面切应力变化情况进行监测，监测断层滑动面切应力变化特征，应力测点从煤层上方开始布置，每间隔200 mm设置一处，共8个测点，编号为F1～F8，图中红色圆点为应力测点。
表2 石膏单元板参数
Table 2 Parameters of gypsum board
图3 相似模型示意
Fig.3 Sketch of similar material model
相似模拟实验分两步进行:第1步，根据21221工作面埋置深度以及现场测定地应力侧压系数1.17，对相似模型进行垂直加载和水平加载，并保持一段时间使模型单元板层之间的缝隙闭合；第2步，沿煤层倾向布置工作面进行开采，工作面长度40 cm，开采厚度4 cm;煤层左侧预留15 cm的边界煤柱，右侧开采至断层面，开采总长度150 cm，每开采5 cm后停止7 min，待模型变形及上覆岩层垮落稳定后再继续开采。
声发射信号特征参数包括振铃计数、幅值、能量释放率、峰值频率等，实验选取振铃计数和能量释放率2个指标作为衡量参数，并记为一个声发射事件数，以此判断断层滑移失稳的前兆信息。振铃计数是单位时间内仪器检测到的声发射信号累计总数，反映岩体破裂的声发射频率，是岩体出现破坏的重要标志;能量释放率是单位时间内仪器检测到的声发射能量的相对累计值，是岩体破坏速度和大小变化程度的重要标志。
选取加载阶段和工作面开采阶段监测数据作为研究基础，图4为工作面开采阶段事件数分布图，红色圆点为振铃计数大于8 000且能量释放率大于500 mV/s的事件数位置，蓝色圆点为振铃计数小于8 000或能量释放率小于500 mV/s的事件数位置。实验共监测记录34个事件数，事件数随工作面开采变化如图5所示。
根据声发射事件数分布和变化情况可知，整个实验过程中事件数出现2次激增，分别是工作面距断层18 m和工作面到达断层处时。随着加载阶段施加的垂直应力、水平应力逐渐增大，断层上下盘相对滑动，断层区域内出现裂隙并急剧发展，此时断层滑动面不断积聚能量。工作面开采阶段，初期采动对断层扰动较小，上覆岩层较稳定，声发射事件数较少，保持恒定不变，表明岩层中仅有微小的裂隙出现和发展，断层处于相对稳定状态;工作面开采距断层18 m时，工作面顶板的弯曲变形破裂，此时断层频繁发生滑动，断层构造仍积聚大量应变能，在开采扰动影响下断层即将滑移失稳，因此声发射事件数激增;工作面开采到达断层时，声发射事件数再次激增，激增的声发射信号主要来源于断层滑动面内部岩石破裂以及滑移失稳产生信号，说明在此过程中，采动诱发断层滑动失稳，积聚的大量能量在不断释放。整个试验过程，声发射事件集中在距离煤层高度为54～104 m的断层滑动面附近，该区域为事件数集中区，也是最终断层发生滑移的地点。因此，断层区域内声发射事件数在近似恒定不变时突然激增的变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。
图4 工作面开采事件数分布
Fig.4 Number of mining events in upper face
图5 事件数随工作面开采变化
Fig.5 Number of incidents as mining face change diagram
断层失稳或冲击地压预测应用较为广泛的微震监测中，经常出现微震事件数“缺震”的现象，即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少，发生后激增的现象[8]。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与缺震现象较为吻合，微震监测中的现象结合本文声发射事件数的激增规律，同样可作为断层滑移失稳或冲击地压发生的前兆信息。
断层面上设置的F4测点所监测的断层滑动面切应力的动态演化特征如图6所示。模型加载阶段，相似模型板块间缝隙闭合压密，随着加载应力增大，断层区域内出现裂隙并急剧发展，断层上下盘相对滑动，声发射事件数激增，此时断层滑动面上切应力处于较大值，断层滑动面不断积聚能量;工作面开采阶段，初期由于工作面采动影响作用较小，断层滑动面处于相对稳定状态，切应力基本不变;工作面开采临近断层时，断层滑动面切应力出现2次逐步降低后陡然增加的过程，工作面开采距断层126 m处，切应力出现第1次逐步降低的过程，继续开采36 m后切应力突然增加;随着工作面继续开采，在距离断层78 m处切应力第2次逐步降低，继续开采48 m后切应力再次突然增加。断层滑动面出现2次逐步降低后陡然增加的现象，说明受开采扰动的影响，断层滑动面虽未滑移失稳，但是断层区域内裂隙持续发展，上下盘相对滑动，并在断层滑动面上积聚大量能量。在此之前，由声发射监测可知，声发射事件数一直处于恒定不变而且较少的状态。
图6 F4测点切应力变化
Fig.6 F4 measuring point shear stress change diagram
工作面距断层18 m时切应力从谷值激增至峰值状态，同时断层区域内声发射事件数激增，工作面顶板变形破坏，断层构造内积聚大量应变能，在开采扰动下断层滑动面即将滑移失稳;工作面开采至断层处，切应力降至谷值，声发射事件数再次激增，断层内部岩石破裂，采动影响诱发断层滑移失稳并释放大量的能量。综合以上，断层滑动面切应力在逐步降低过程中陡然增加可作为断层滑移失稳的前兆信息。
采用FLAC3D建立断层赋存平面应变模型，研究在水平构造应力条件下断层滑动面滑移失稳特征。初始模型长192 m(X方向)，宽96 m(Y方向)，高192 m(Z方向)，断层倾角75°，利用接触面单元interface模拟断层滑动面。沿煤层倾向布置工作面进行开采，模型采深为800 m。图7为数值模型示意图，断层面设置15个监测点，编号为S1～S15，监测断层滑动面切应力和正应力的演化特征。
图7 初始数值模型示意(单位:m)
Fig.7 Initial numerical model(unit:m)
根据现场收集岩石试样进行岩石物理力学试验，采用摩尔—库仑准则判断材料的屈服状态，确定煤岩体物理力学参数(表3)和断层滑动面物理力学参数(表4)。数值模型中工作面每次开采2.4 m，开采总距离为93.6 m。
表3 煤岩层物理力学参数
Table 3 Mechanical properties of rock strata
表4 断层滑动面物理力学参数
Table 4 Mechanical properties of fault
断层滑动面切应力、正应力变化分别如图8,9所示。
随着工作面向前推进，断层滑动面上应力变化区域随之扩大，断层滑动面受开采扰动影响愈加剧烈。在工作面开采过程中，断层滑动面应力出现突降后激增的现象，正应力与切应力变化两者变化不同步。工作面开采阶段，初期由于工作面采动影响作用较小，断层滑动面正应力处于较大值而切应力较小，说明此时开采活动对断层影响很小;随着工作面持续开采，正应力与切应力的变化情况相反，正应力逐渐降低，切应力逐步增大。
选取工作面开采阶段S5测点监测数据为例，分析断层滑动面应力的动态演化特征，如图10所示。对断层滑动面切应力的演化特征进行分析，在工作面距断层36 m处，断层滑动面切应力出现逐步降低的现象，当工作面继续开采至距断层26.4 m处，切应力陡然增加，并达到最大的峰值状态，说明在开采扰动下断层滑动面即将滑移失稳;工作面开采临近断层的过程中，断层滑动面切应力由峰值逐渐降低，工作面开采至断层处，切应力降至谷值，并出现小幅度的突然升高，最终采动影响诱发断层滑移失稳。对断层滑动面正应力的演化特征进行分析，当工作面继续开采至距断层24 m处，断层滑动面正应力陡然降低至谷底，随后正应力突然增大;工作面临近断层过程中，当工作面距断层10 m处，正应力小幅度的降低后随着工作面开采至断层处持续升高，最终采动影响诱发断层滑移失稳。断层滑移失稳前正应力在逐渐降低后突增，与断层滑动面上切应力变化规律吻合。
图8 断层滑动面切应力变化云图
Fig.8 Shear stress change of faul sliding surface
图9 断层滑动面正应力变化云图
Fig.9 Normal stress change of fault sliding surface
图10 断层滑动面5号测点应力变化
Fig.10 Stress change of No.5 measuring points on fault sliding plane
相似模拟与数值模拟切应力动态演化对比研究，首先相似模拟实验中断层滑动面切应力变化更为复杂，其中蕴含更多断层滑移特征信息;此外，两者的切应力变化存在相似性，在工作面距断层36 m处，切应力均出现逐步降低的现象，随着工作面继续开采，两者切应力的变化虽然不同步，但均存在陡然增加并达到峰值的现象;当工作面持续开采临近断层的过程中，断层滑动面切应力由峰值逐渐降低，最终达到谷值，此时工作面采动影响诱发断层滑移失稳。因此，相似模拟实验切应力变化特征与数值模拟研究相吻合。
综上所述，断层滑动面应力在逐步降低过程中突然升高可作为断层滑移失稳的前兆信息。
(1)水平载荷施加阶段，工作面开采以及到达断层时，断层区域内岩层裂隙充分发育，断层频繁发生滑动，断层构造在滑移失稳前积聚大量应变能，声发射事件数出现激增;当岩层垮落诱发断层失稳时，积聚的能量将不断释放。
(2)断层滑移失稳过程中，正应力与切应力随工作面开采的变化情况相反，两者变化不同步但均出现逐步降低过程中陡然增加的现象。
(3)工作面开采过程中，断层滑动面应力在逐步降低的过程中出现陡然增加的现象;断层区域内声发射事件数也会出现近似为零或恒定不变时突然激增的变化特征。
(4)断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的“缺震”现象较为吻合，即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少，发生后激增的现象。结合本文声发射事件数的激增规律，可作为冲击地压发生的前兆信息。
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