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煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究进展

王宏伟  王晴  石瑞明  姜耀东  田政  
【摘要】:煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的科学意义和工程指导价值。人类采掘活动使得在地壳运动等强挤压过程中形成的断层等复杂地质构造受到扰动,结构面的活化和失稳将释放大量在构造成型期间所积聚的弹性应变能,进而极易诱发冲击地压等动力灾害。从断层构造成因、地质赋存状态和高水平原岩应力环境的角度介绍了冲击地压发生的地质环境特征,总结了与断层构造相关的冲击地压发生模式,凝练了开采扰动下断层滑移失稳的力学机理和断层构造失稳诱冲的多物理场前兆特征等2个关键科学问题,建立了考虑工作面开采影响的断层结构力学模型和厚层顶板赋存的物理模型,推导了断层面上下盘相对滑动位移计算的逐点积分方法,提出了可表征断层滑动摩擦与能量释放相关性的断层结构势能的概念,分析了开采扰动下断层面位移场、应力场和能量场的动态演化特征,系统阐述了断层构造的失稳特点和诱冲力学机理。研究结果显示,工作面开采条件下断层区域位移场表现为由局部静态滑移突然向整体剧烈滑动转变的非线性动态演化过程,并伴随着断层面上下盘之间的相对位移出现由缓慢滑动突然变化为急剧滑移的失稳现象,断层面最大位移也由断层顶部突然转移至断层中部靠近煤层的区域,对工作面造成极大冲击破坏。随着煤层的逐步开采,断层面正应力和剪应力在同步演化发展过程中发生了分化的现象,表现出正应力增加而剪应力降低或剪应力增加而正应力降低的特征。断层结构面和上覆厚层顶板的交界区域在上覆岩层下沉和侧向压力的共同作用下完成了最大滑动静摩擦向滑动失稳摩擦的动态转换过程,位移场的缓急突变和应力场的正剪分化现象均出现在该转换期间,而最大位移的出现也预示着断层结构发生了剧烈的滑移失稳。断层结构失稳前,由于厚层顶板坚硬且不易破断使得断层结构保持相对稳定,此时断层结构势能处于长期积聚而未释放的状态。监测数据显示,与断层结构势能相关的微震事件数、声发射事件数和电磁辐射强度值等数据均出现缺失的现象。断层滑移失稳后,该类监测数据又由几乎为零转为突然激增,并伴随着剧烈的滑动和对工作面的冲击破坏。综上所述,在复杂断层构造赋存、高水平原岩应力环境和开采扰动下,岩层运动与断层滑移的耦合作用是断层失稳的主要原因,而伴随的位移场缓急突变、应力场正剪分化和能量场激增滞后等多物理场演化规律均可作为冲击地压发生的前兆特征。

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