采动影响下断层滑移动力响应及诱冲机制研究

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断层是煤矿开采过程中最为常见的地质构造,对工作面布置及矿井安全生产有着重要影响。生产实践表明,断层构造附近是冲击地压的多发区域,断层滑移型冲击地压的发生与断层滑移释放的大能量微震事件密切相关,且断层滑移型冲击地压具有严重程度高、影响范围大的特点。本文综合运用现场调研、理论分析、岩石力学试验与数值模拟等手段,对断层滑移型冲击地压显现特征及其影响因素、开采扰动下断层粘滑动力诱冲机制及断层滑移动力响应与冲击危险性进行了系统研究。论文取得了以下研究成果:(1)基于断层附近工作面采掘期间的实际资料,汇总分析了断层附近工作面采掘期间微震事件发生规律以及冲击地压显现特征。总结提炼了断层滑移型冲击地压特征以及诱发断层滑移型冲击地压的主要因素。(2)通过理论分析的方法对断层粘滑致震机理、采动影响下断层滑移失稳规律以及断层滑移型冲击地压启动的能量条件进行了研究,提出了采动影响下断层粘滑动力诱冲机制。推导了上、下盘工作面过断层回采期间粗糙断层滑移形式及其判据,粗糙断层的滑移形式受到断层附近的水平作用力FN的影响,当粗糙断层附近的水平作用力FN足够大时粗糙断层会发生切齿滑移,断层滑移表现出粘滑特征释放大能量的矿震事件,工作面发生断层滑移型冲击地压的可能性更大。断层滑移型冲击地压的发生是支承压力峰值区域煤体静载荷与断层滑移动载荷叠加的能量大于煤体破坏所需要的最小能量,致使支承压力峰值区域煤体发生突然破坏释放大量弹性能从而诱发冲击地压,极限平衡区域煤体静载能量与断层滑移动载能量越大,煤体破坏时的弹性余能越大,冲击显现越剧烈。(3)基于直接剪切、声发射、三维激光扫描以及电镜扫描等技术,研究了不同法向应力、剪切速率条件下断层带粗糙结构面剪切滑移规律以及滑移弱化特征。研究表明:粗糙结构面剪切过程中的抗剪强度、剪切模量、剪切应力降及声发射数与能量均随着法向应力、粗糙度的增加而增大。粗糙结构面直接剪切过程可分为弹性、起裂、峰值破坏和峰后破坏4个阶段;法向应力越高,弹性阶段范围越小,起裂、峰值破坏与峰后破坏阶段的范围越大,结构面凸体损伤越早,损伤破坏持续时间越长,严重程度越高。剪切速率越小,直接剪切过程中声发射数与能量(1s时间内)越小,累计声发射数与累计释放能量越大。粗糙结构面剪切过程中凸起被剪断磨损,粗糙度显著降低表现出滑移弱化特征是导致结构面发生粘滑释放大量能量的直接原因,结构面初始粗糙度越大、法向应力水平越高直接剪切过程中滑移弱化特征越明显,粘滑特征越显著释放的能量水平越高。定量研究了不同粗糙度与法向应力水平条件下结构面直接剪切后的粗糙度衰减规律,相同粗糙度条件下,随着法向应力的增加直接剪切后的结构面粗糙度呈指数形式衰减。(4)基于粗糙结构面直接剪切试验结果以及FLAC3D数值模拟软件,开发了考虑断层带粗糙结构面滑移弱化效应的巴顿抗剪强度模型,并对采动影响下断层滑移过程及其动力响应进行了动力计算,实现了“采动-断层滑移释放动载荷-采动空间动力响应”全过程数值模拟计算,研究了断层滑移动载荷作用下采动空间动力响应及冲击危险性。揭示了采动诱发断层滑移动载对工作面附近煤岩体振动速度以及支承压力的影响规律。工作面推进至不同位置时,采动诱发断层滑移的震源大小不同,断层滑移动载荷作用下工作面附近煤岩体振动速度以及支承压力变化规律差异性较大。当工作面推进至断层附近随着断层煤柱对顶板支撑作用的降低,断层发生大面积滑移释放强断层滑移动载荷,强断层滑移动载荷作用下,工作面附近煤岩体震动速度较大发生剧烈破坏,支承压力峰值区域煤体应力值降低释放大量弹性能诱发断层滑移型冲击地压。(5)基于断层滑移动力计算模型,对比分析了工作面不同采动影响以及断层特征参数条件下断层滑移震源及其动力响应特征,考虑断层滑移动载荷对工作面附近煤岩体造成的应力扰动,提出了断层滑移动载作用下工作面冲击危险性评价指标,对比分析了不同影响因素条件下工作面冲击危险性。工作面从下盘过断层回采,采动对断层的影响程度大于工作面从上盘过断层回采时,且断层粗糙度越大、地应力水平越高断层滑移前断层积聚更多的能量,断层一旦发生剪切滑移剪切应力发生突降,断层滑移地震矩M0更大。工作面附近煤岩体振动速度、应力与能量受动载扰动的程度与断层滑移地震矩M0大体呈现正相关关系,采动影响剧烈、断层粗糙度大、断层应力水平高时,工作面冲击危险性更大。
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