采动静应力下断层诱发冲击地压机理研究

工程7（2021）687研究煤炭技术-文章采动静应力作用下断层诱发冲击地压机理研究吴才a，b，刘伟，窦林明a，司光耀c，胡亚伟aa中国矿业大学矿业学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116b英国伦敦帝国理工学院皇家矿业学院地球科学与工程系，伦敦SW7 2AZc澳大利亚新南威尔士大学矿物和能源工程学院，悉尼，新南威尔士州2052阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年12月1日修订2019年1月3日接受2020年9月2日网上发售保留字：煤炮断层再活化地震动应力断层柱A B S T R A C T断层是煤矿井下采掘过程中揭露出来的一种常见地质构造。煤岩体的不连续结构控制着煤岩体的变形、损伤和力学性质。这种不连续结构与开采活动之间的相互作用是控制断层活化及其可能诱发的冲击地压的关键因素。本文首先总结了煤矿开采布局和断层产状之间的关系的调查，以及相关的概念模型断层复活。 在此基础上，提出了基于动静应力叠加的断层再活化及其诱发冲击地压机制，包括采动准静态应力（FRMSS）主导型和地震动应力（FRSDS）主导型两种断层再活化机制。实验研究、数值模拟和现场微地震监测的结果证实了这两种断层活化。在此基础上，对断层诱发冲击地压的监测方法和防治策略进行了探讨和推荐。 结果表明，断层煤柱中的高静应力与断层活化产生的动应力叠加是断层诱发冲击地压的触发因素。 高的静应力来自于断层与顶板结构的相互作用，而动应力可归因于FRMSS和FRSDS。研究结果对断层诱发冲击地压的监测与防治©2020 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。1. 介绍断层诱发煤岩冲击是指由于煤炭开采活动引起的断层突然滑动而在煤矿规模上释放出剧烈能量的现象[1]。这种断层的突然滑动，又称断层再活化，是断层诱发煤岩冲击的关键因素例如，下午7时18分，一个大型的F16逆冲断层再活动诱发了一次煤爆事故（相当于矩震级（MW）4.1）当地时间2011年11月3日，义马千秋煤矿发生爆炸，造成10人死亡，75名矿工被困[2]。当地时间2014年3月27日上午11时18分，同一矿井发生了另一起破坏性煤柱爆炸事故（相当于Mw1.9），造成6人死亡，13名矿工被困。官方宣布，断层重新激活是*通讯作者。电子邮件地址：caiwu@cumt.edu.cn（W. Cai）。这起事故的主要诱发因素。此外，义马跃进煤矿25110号长壁工作面在接近F16逆冲断层时，报告了多次强烈的煤爆[4，5]。在这种背景下，如果能够事先明确断层在采煤活动中的活化机制，就有可能揭示断层诱发冲击地压的机理。此外，可开发数据驱动且基于物理的监测方法，以准确预测断层引发的冲击煤的发生，从而立即采取合理的预防和应急措施，确保矿工的安全。关于断层再活化及其诱发冲击地压的机理，从现场观测、理论分析、数值模拟和实验研究等方面已有不同的研究成果。这些研究主要集中在两个关键问题：采矿活动如何引起断层复活，反过来，断层复活如何影响矿山周围的应力分布。https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.03.0172095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engW. 蔡湖，加-地Dou，G.Si等人工程7（2021）687688现场观测和理论分析表明，当工作面接近断层时，冲击煤的风险增加[6]。Qi等[7]提出了粘滑失稳理论来解释冲击地压的发生，认为岩层与断层软弱面之间存在的薄软弱层是诱发冲击地压的主要构造因素。潘[1]总结了断层诱发冲击地压的扰动响应判据，揭示了减小正应力或增大剪应力均可诱发断层活化Li[8]从突变理论的观点出发，结合粘滑模型和粘弹性脆性块体模型，将断层再活化分为稳定和不稳定两类Li等[5]通过引入新的断层煤柱概念（断层煤柱是指位于开采空间和断层之间的煤柱），将断层诱发的煤岩冲击分为三种类型：断层滑动诱发的煤岩冲击、煤柱破坏诱发的煤岩冲击以及断层滑动诱发的煤岩冲击和煤柱破坏诱发的煤岩冲击。并推测在断层柱构造中，在楔土梁的作用下会产生较高的静应力集中[9]。在物理相似材料模型和数值模拟方面，Zuo等[10]在物理相似材料模型中使用经纬仪监测断层运动引起的水平位移，验证了开采扰动下的断层滑动现象。Kong等[11]、Ji等[12]和Li[8]研究了不同开采布局对断层再活化的影响。他们发现，平行于断层走向的采矿活动的干扰影响小于垂直于断层走向的活动的影响。他们还发现，断层上盘的影响小于下盘。Jiang等[13]研究了断层周围的采动应力演化特征，发现断层起到了破坏岩层连续性的作用，从而起到了应力屏障的作用，导致顶板应力较低，底板应力集中程度较高。此外，Zhang[14]Li等[15]发现，随着工作面距断层距离的减小，支承应力峰值位置前移，断层更容易再活化。通过断层后，支承应力降低，逐渐恢复到正常状态. Jiang et al.[16]and Zhu et al. [17]研究了采矿扰动下断层应力的演化，发现随着采矿活动接近断层，断层的正应力和剪应力急剧增加，断层重新活动的可能性增加。断层活化产生的不稳定动载荷或Luo等人[18]进行了数值模拟和物理模拟，材料模拟，试图阐明义马F16逆冲断层诱发煤岩冲击他们发现，在断层复活之前，由于采矿引起的覆盖层移动，在断层柱中形成了高应力集中。当断层活化开始时，在覆岩结构失稳、断层应力变化和断层活化的耦合作用下，触发了断层诱发的冲击地压Islam和Shinjo[19]采用边界元法（BEM）数值模拟来研究孟加拉国Barapukuria煤矿的采矿诱发断层再活化他们发现，采矿引起的应力在断层周围造成了显著的变形，并且在断层尖端附近产生了更高的应力Sainoki和Mitri[20，21]使用矿井范围内的数值模型和动态分析研究了断层表面粗糙度对断层复活产生的地震波在物理力学实验方面，Brace和Byerlee[22]首先提出发现断层滑动是不再是稳定的滑动，而是随着应力下降的不稳定滑动。Song等人[23]通过双轴加载进行了直剪试验，并得出结论，断层诱发煤岩冲击的发生需要一定的侧向应力。Cui等人[24]研究了侧向应力波对断层活化的影响，发现侧向应力的微小扰动可能导致超低摩擦现象并引发大的应力下降。总之，采动断层再活化现象已通过理论分析、现场观测、非现场数值模拟和实验得到证实通过数值模拟和物理相似材料模型试验，研究了采动条件下断层应力的演化规律和断层周围的采动应力特征，很好地说明了采动静应力对断层诱发冲击然而，很少有研究可以发现，考虑开采引起的地震为基础的动态应力对断层活化的影响。而且，大多数断层活化的物理力学实验研究只着眼于阐明地震的机理，而忽略了真实的采动准静态因此，仍有必要进一步研究采动静应力作用下断层再活化触发冲击地压的机理，为断层诱发冲击地压的监测与防治提供理论依据。本文论述了采煤平面布置与首先分析了断层的产状，然后总结了采动静应力（FRMSS）主导型和地震动应力（FRSDS）主导型两种断层活化方式。随后，通过理论分析和数值模拟，对这两种断层再活化及其诱发冲击地压的机理进行了论证。最后，通过实验研究、数值模拟和现场微地震监测的结果，验证了断层诱发冲击地压的机理。在此基础上，探讨了断层冲击地压的监测方法和防治对策。2. 断层再活化及其诱发冲击地压的机理2.1. 断层再活化断层是煤矿井下采掘过程中可能出现的一种常见地质构造。煤岩体的不连续结构性质控制着煤岩体的变形、破坏和力学性质。这种不连续构造与煤矿开采活动的相互作用是控制断层复活的关键因素。 根据在现场调查中，地下采煤活动引起的断层再活化的四种概念模型可以总结出来，如图所示。一 曰：(1) 图 1（a），采矿活动远离断层，断层应力与支承应力之间没有相互作用。在这种情况下，不太可能启动故障重新激活。然而，不能排除断层的局部变形和瞬时滑动可能由远场采矿引起的地震活动触发的可能性，因为断层在长期地质构造活动期间可能受到临界应力。(2) 图 1（b），采矿活动正在接近断层。断层应力与支承应力的叠加作用在断层柱中形成了较高的静应力集中同时，随着距工作面距离的减小，垂直方向上的支承应力（对断层剪应力的主要贡献）逐渐增大，达到峰值后又减小W. 蔡湖，加-地Dou，G.Si等人工程7（2021）687689.Σ222Fig. 1.地下采煤活动诱发断层再活化的概念模型。(a)开采活动距离断层较远，断层应力与支承应力之间不存在相互作用。（b）采矿活动正在接近断层，即FRMSS。（c）采矿活动正在远离断层，即FRMSS。(d)采矿活动正向断层的逆时针方向移动，即FRSDS。由于工作面附近的煤体破坏，在水平-水平方向（对断层正应力的主要贡献），支承应力从静水应力状态逐渐减小到接近零[25]。这将不可避免地改变断层的局部应力状态，然后触发以FRMS为主的断层再活化。(3) 在图1（c）中，采矿活动正在远离断层。当断层柱足够宽时，断层应力与支承应力之间将不存在相互作用，这可能类似于图1（a）中的情况。否则，随着煤层的开采，上覆顶板会弯曲下沉。在后一种情况下，断层柱中的支承应力将在水平方向上完全卸载，并在垂直方向上逐渐加载，这可能容易触发以FRMS为主的断层再活化。(4) 在图1（d）中，采矿活动正朝着与断层平行的方向移动。当断层柱足够宽时，断层应力与支承应力之间不存在相互作用，ryyr1r3r1-r3cos 2dos1rxy1-r3sina2dafa2dafa2其中r1和r3分别是最大和最小主应力，它们可以互换以表示正断层或逆断层，d是断层倾角。根据库仑任何弱平面的函数都可以表示为：sf¼tanuf ryy-pc其中c是断层面的粘聚力，uf是断层摩擦角，p是孔隙压力。如果我们让sf<$rxy，故障重新激活的概率可以表示如下：[2½ctanur-p]这可能与图1中的情况相当 。 1（a）. 否则，R1-R3F3滑移ð4Þ断层应力与支承应力的叠加将在断层柱中形成较高的静应力集中然而，支承应力的扰动效应是有限的，甚至可能不会改变，特别是在掘进期间。在这种情况下，故障2012年12月22日，当d ¼ 90或d！ uf，r1-r3！ 1、因此ufd90先令50便士<<需要有额外的驱动力，例如采矿引起的地震活动，才能重新启动。因此，这将是一个如果我们让@hr1-r3滑移i=@d¼0，可以如下求解FRSDS主导的故障再激活。2.2. 断层再活化d¼45uf=26然后，可以实现故障再激活的最小准则：以断层单元为研究对象，勾画出了断层单元的左、中、右三个平面，R1-R31/2.5摄氏度，1n2u1=2ui图的角。 2（a）、正应力（ryy）和剪应力（rxy）在断层面中的可公式化如下：滑min ff fð7Þ¼W. 蔡湖，加-地Dou，G.Si等人工程7（2021）687690.¼>：><138>。图二.断层在静、动应力叠加加载条件下，在垂直加载和水平卸载条件下，在瞬时水平卸载条件下，断层再活化的模拟试验。结果表明，断层粘聚力（c）、最小主应力（r3）和断层摩擦角（uf）与断层滑动最小与孔隙压力（p）呈显著正相关换句话说，当p变大，c、r3和u为f时，再活化将更容易开始。 都变小了。 Moreov er，当它满足d1/4 5 πf=2时，π r 1 - r 3 π滑移将处于最小值。因此，断层倾角越接近45 °f =2，故障将被重新激活。为了进一步研究R1和R3对断层再活化的影响，建立了如下数值模拟模型设计：tanur<$rxy=ryya1t;tt 10<>r¼8分别在r1和r3方向上的输入动载荷应力，单位为rad·s-1;t10T30是输入分别在r1和r3方向上的动态加载应力，以秒为单位;以及rdrop是对应于断层再活化的应力降，假定其仅影响r1R1-R2和R1-R3分别是在应力下降发生之前和之后沿R1tanur是动态摩擦系数。结果表明，断层摩擦系数（tanuf）与tanur密切相关[27]，其中tanuf受粗糙度控制的摩擦平面，接触时间，滑移距离，和其他因素，而tan_u_r是由加载制度控制。图 2（a）显示数值模拟过程，其中左下角示意图为断层试件的双轴加载试验。整个测试过程分为三个阶段。在第一阶段，以0.1MPa·s-1的速率加载，适用于R1 方向，而一个恒定的围压，ra3;tt30<>a3tb3sin½x3t-t30];t≥t30同时在r3方向上保持0.5MPa在证券交易委员会-第二阶段，附加10正弦0：1t的正弦动态载荷，r1-r1-rdropp;当r1-r3≥r1-r3滑动时式中，a1是应力累积速率，单位为MPa·s-1;a3是连续应力，细化应力（MPa）;t是加载时间;b1和b3分别是r1和r3方向上输入动态加载应力的振幅;x1和x3是在700 s处沿r1方向叠加在第三阶段，随着上述加载条件保持不变，在1000 s时，在R3方向上施加10正弦0：1的从仿真结果可以看出，在第一阶段准静态加载条件，故障再激活a1tb1sin½x1t-t10];t≥t10W. 蔡湖，加-地Dou，G.Si等人工程7（2021）687691þ¼K1K1产生周期性的应力降和一系列稳定的粘滑，如图所示。 2（a）. 相比之下，断层再活化是完全不同的，并产生动态的，甚至是瞬间的不稳定性，在垂直加载和水平卸载的条件下（图2（b））和瞬态水平卸载条件下（图2（b））。 2（c）），这对应于图 中 描 述 的FRMSS。 1(b)和（c）。在第二阶段中，在r1方向上施加附加动载荷。随着不稳定粘滑的发生，应力降略有增加周期扰动不稳定性在第三阶段，除了在r3方向上施加额外的动态载荷之外，可以观察到应力降的急剧增加以及动态tanur显示了许多突然的上升和下降，它们位于沿r3方向施加的动态载荷的谷值附近。在这一阶段，断层面的正应力甚至变为负值。这意味着应力行为可描述为图1右侧所示。 3，而在荷载作用下的顶板和底板的应力行为显示在左边。从图3中可以推断，在准静态载荷作用下，一旦煤体中形成应变增量（De2），就会产生煤体破坏过程中的围岩，其可表示为：De1¼k2De2 9式中，k1为围岩的荷载刚度，k2为煤的卸载刚度因此，顶-煤-底板系统的总应变（De）De¼De1De2¼k1k2De210在法线方向上产生张应力，结果，断层面的相对紧密性将消失或甚至变得不接触。在这种情况下，超低摩擦它也可以表述如下：DE21¼ð11Þ因此，一个小的剪应力增量就可能引发断层再活化。总之，第二、三阶段的动应力加载比第一阶段的准静态应力加载对断层稳定性的中的动态加载r3方向虽然很小，但可以改变断层应力国家，甚至其恢复进程。特别是超低由该动态载荷产生的摩擦力可以更容易地引发断层再活化，并且可能触发来自断层滑动的甚至更大的应力降。因此，超低摩擦是FRSDS机理的本质。2.3. 断层诱发冲击地压机理如图所示。 1、断层周围的地下开采空间主要由顶板、煤体和底板三个物体构成。顶-煤-底板系统的相互作用从根本上控制了因此，断层诱发的煤岩冲击机理模型可描述为图1所示。3.第三章。在该模型中，煤被假定为具有非线性行为的断裂或软化材料，顶板和底板被抽象为整个围岩，并被限制为具有线性弹性行为的完整材料[28]。当采煤活动接近断层时，由于断层与顶板结构的相互作用，断层煤柱将承受高度集中的应力（也被认为是静应力（rs））[9]。这De1k2=k1当k1≠k20时，即De2=De！ 1，对应于图1中的点S1。 3、顶-煤-底板系统达到了一个极端不稳定状态此时，微小的初始扰动被极大地放大，可诱发整体的动力破坏，对应于冲击地压的发生。随着煤中破坏过程的逐渐减缓，整个系统趋于达到一个新的稳定状态（S点），煤的冲击过程完成，表明动态破坏持续时间[29]。根据能量平衡原理，在整个冲击地压过程中，顶煤底板系统的能量形式顶煤底板系统ra和rb是初始应力，冲击前后的残余应力当顶-煤-底板系统受到断层再活化的动载应力（rd）作用时，如图1所示。 3、额外的输入能量（U4）将被施加到先前的释放静载条件下产生的能量（U3）。 因此，煤的破坏过程将更加剧烈。换句话说，这种动态载荷可以等效于围岩刚度从k1减小到k01的条件。在此上下文中，满足以下条件的位置（从S1到S2）：条件k1K20将更接近峰值点D，因此，顶煤底板系统将达到一个极不稳定的状态（De2=De！1）（或引发煤爆）较早。图三. 断层诱发冲击地压机理模型示意图。W. 蔡湖，加-地Dou，G.Si等人工程7（2021）687692þ·更严重的是，这种动态加载应力（rd）可以作为具有永久变形的循环加载地震-动态应力）或具有瞬时应力增加的脉冲载荷（即，冲击动态应力）。 其中，即使静载条件下的应力状态仅达到S02点，永久变形也可能引起与应力状态达到S2点相同的动力破坏。瞬态应力增加，当面积1-2- 3大于面积3- D- 4时，尽管总应力（raDr）尚未达到峰值点D，但当面积1-2-3大于面积3-D-4时，Dr应用于第1点[30]。因此，断层诱发的冲击地压是由断层超压触发断层柱中静应力高度集中的位置和断层活化产生的动应力。高静应力是由断层与顶板结构相互作用产生的，而动应力则可归因于断层的再活化作用（FRMSS或FRSDS）。3. 验证和讨论3.1. 实验验证3.1.1. FRMSS验证为了验证FRMSS的有效性，对采自中国某煤矿的柱状砂岩样品进行了试验将直径为50 mm、高为100 mm的试样加载到MTS单轴力学试验装置如图所示，样品的锯切与水平轴成23.7°角，以模拟断层。四、对锯切平面进行表面研磨，然后用砂粒手工研磨。为了模拟断层摩擦系数和粘聚力，将不同尺寸的砂粒（使用不同的筛子获得）附着到切面上，以模拟具有不同粗糙度的非均匀表面。图 5显示了加载前的测试系统，包括加载系统、声发射（AE）监测系统和数字摄影测量系统。加载系统是一个电液伺服岩石MTS（MTS-C64.106）。在本实验中进行位移控制，施加0.18 mm min-1的恒定加载速率，直到试样失效。采用PCI-2型声发射监测系统记录加载过程中的声发射信号，其中共有8个声发射传感器（Nano30，美国物理声学公司（PAC），带有一个自由端，频率域为100数字图像。在实验过程中，自动采集应力、应变、声发射信号和数字图像图6为断层试件在加载初始阶段应力和声发射次数的变化曲线。在加载过程中，试验明显地产生了粘滑现象，但具有类似于抗震的滑动。这表明，砂型断层泥不容易积累剪切应变能或容易耗散弹性能。这种粘滑可能会暂停与微凸体的联锁，剪切应变能将因此逐渐积累和释放，直到达到临界值，伴随着不可避免的发生更高的AE强度。在粘滑发生前的初始阶段，应力波动很小，但声发射强度相对较高。这是因为，在这个阶段，除了少数小的断层从粘滑期间提取一个数字图像，然后与来自初始阶段的图像进行使用PhotoInfor软件[31]分析位移和应变结果，如图所示。7.第一次会议。该图显示，随着位移加载，MTS加载系统的底板向上移动（图7（a））。在这种情况下，断层样品的下盘可以被认为是驱动盘，上盘可以被认为是被动盘。因此，下盘沿断层面向右移动，其位移明显大于上盘（图7（b））。在下盘的挤压作用下，上盘同时有向左移动的趋势。这最终在断层面上产生了一个重要的剪切带（图1- 3）。 7（c）和（d））。该剪切带中的值呈现非均匀分布;特别是，产生了几个应变集中子区。这主要是由于砂粒和粘结剂在断层面上产生了不均匀的表面粗糙度，从而导致断层面上摩擦应力的不均匀分布上述监测结果和分析为断层滑动过程的应力分析提供了可能。8.第八条。从图中可以看出。 8（a）一对作用应力和反作用应力（剪切应力rxy和摩擦应力在断层滑动过程中，在任何粒子中产生由于断层面中粗糙度的不均匀性，静摩擦系数（ls ¼ tan uf）也将是不均匀的。 根据库仑摩擦定律，断层面的最大静摩擦应力可表示为sf-max <$l sryy c ;因此，摩擦应力可表示为：样品的上部（三个）、中部（两个）和下部（三个）SFAE传感器的采样频率设置为2 MHz，记录试验过程中样品释放的应变能rxy;rxysf-max故障锁定

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