断层带活化与冲击地压解析.docVIP

3.1 项目研究的意义 近年来，冲击地压灾害日趋频繁和普遍，冲击地压问题已经成为我国深部开采必须面对和解决的首要安全生产课题之一。 根据冲击地压发生规律的统计，地质构造发育的区域往往更容易发生冲击地压，其中断层便是一种重要的诱发冲击地压发生的构造形式[1-3]，由断层活化引起的冲击地压往往具有冲出煤量大、破坏性强、发生突然而猛烈的特点。2005年阜新孙家湾煤矿发生“2.14”瓦斯爆炸事故[4]，造成214人死亡，事故通风不畅瓦斯异常涌出，瓦斯积聚典型的断层活化诱发型冲击地压。2011年千秋煤矿掘进发生“11.3”特大冲击地压事故，巷道发生严重的挤压垮冒，将正在该巷作业的矿工封堵或掩埋其中，造成10人遇难，近400m巷道严重损毁，而贯穿整个矿区的F16逆冲断层以及工作面的数个小断层是引发此次冲击地压的重要地质构造因素[5]。因此，由断层活化诱发冲击地压问题的研究是十分必要和迫切的。 地质构造的形成过程存在着复杂的应力场演化，复杂的构造应力状态增加了断层问题研究的难度，对断层冲击地压发生机理的认识不足。鉴于，旨在揭示采动影响下断层活化的机理以及断层活化与煤岩冲击失稳之间的作用联系，研究成果服务于诸如义马矿区这类断层控制下的冲击地压的防范和治理。 3.2.1 冲击地压机理研究 关于冲击地压机理方面的研究大致可以分为四类：一是从研究煤岩体材料的物理力学性质出发，分析煤岩体失稳破坏特点以及诱使其失稳的条件，同时利用混沌、分叉等非线性理论来研究冲击失稳过程[-7]；二是从研究动力失稳区域所处的地质构造以及煤岩结构出发，分析地质弱面和煤岩体结构形式与煤岩冲击失稳之间的相互关系[8-10]；三是工程扰动以及采动影响与冲击地压之间的关系研究[11-13]；四是研究煤体细观结构参数及有机组分分布等因素与煤体冲击倾向性的内在关系[14-16]。 （1）传统的冲击地压理论 冲击地压发生机理方面的理论研究方面，国内外学者提出了一系列重要理论[17]，早期具有代表性的有强度理论、能量理论、刚度理论和冲击倾向性理论等，后有学者在上述理论的基础上发展和完善，主要有“三准则”理论、变形系统失衡理论、“三因素”理论、突变理论、分形理论等[-31]。 强度理论认为冲击地压的发生与否取决于煤岩体应力和其强度的大小关系，当煤体应力大于其极限强度时，煤岩体破坏，从而发生了冲击地压。强度理论能较好地解释冲击地压多发生在应力集中地方的现象，但也存在一定的局限性，因为并不是当煤岩体应力大于强度时就一定会发生冲击地压，说明强度理论对于冲击地压发生条件的判据不够充分。刚度理论[]将受压煤体和围岩视作一个受载系统，当受载结构的刚度大于围岩加载系统的刚度时才可能发生冲击地压。刚度理论没有考虑引起冲击地压发生的外部因素，只是给出了冲击地压发生的必要条件，而非充分条件。能量理论是根据冲击地压发生时的现象提出的，冲击地压发生时产生震动、破坏和煤岩体的抛出等现象，其实质都是能量释放的表现形式，据此提出围岩系统破坏时，释放的能量大于消耗的能量，多余的能量转化成煤岩体的动能和矿体的震动，这就是冲击地压的能量理论，局限性体现在没有给出打破能量平衡的条件，特别是围岩能量的释放条件。冲击倾向性理论认为煤岩力学性质存在一个临界值，只有超过此临界值时才具有冲击危险，即具有冲击倾向性，该理论给出了发生冲击地压的煤岩力学属性条件，但未考虑冲击地压发生的外在因素，即触发冲击地压的外部条件。 （2）断层冲击地压的黏滑失稳理论 在冲击地压问题尤其是冲击地压发生机理问题的研究中，有学者引入了粘滑失稳理论[, 34]，认为此类冲击地压是由于扰动作用使得不连续面间的粘滑摩擦转变为滑动摩擦从而发生动力失稳的现象。 1 断层诱发冲击地压示意图 摩擦现象存在着稳定滑动和非稳定滑动两种不同的滑动类型，也称为稳滑和黏滑，稳滑是在滑动过程中接触面剪应力基本稳定，没有剧烈变化，而黏滑与之相反，剪应力在滑动过程中迅速增大或减小，滑动速度时大时小甚至停-滑间断进行。断层诱发型冲击地压问题的实质是煤岩结构失稳问题，煤岩结构失稳滑动的表现形式和破坏特征与黏滑现象极为相似，表现为煤层沿顶底板的瞬时突出，而顶底板不垮落或破坏。煤岩体是一种非均质、各向异性的非线性材料，存在层理、节理、片理、断裂等不连续地质界面，将煤岩体分割成众多的结构块体，地质界面与结构块体共同构成了煤岩结构体，在煤岩破坏的现场调查中证实，煤岩体的主要破坏形式是结构块体沿结构面的剪切滑动破坏。对于引入粘滑理论的煤岩动力失稳机理的研究，学者们表现出了浓厚的研究兴趣[-39]。为结构失稳冲击地压的黏滑失稳机理示意图。 关于冲击地压采动效应方面的研究，陈国祥等[12]研究了扰动在不同加载水平及频率影响下，巷道帮部围岩的应力和塑性区的动态响应，分析了巷道内帮易发生冲击地