探究断层冲击地压：煤矿开采中的隐形杀手及其防范策略丨Engineering

本文选自中国工程院院刊 Engineering 2021年5月刊，原文出自：Fault-Induced Coal Burst Mechanism under Mining-Induced Static and Dynamic Stresses（煤矿开采动静载叠加诱发断层冲击地压机理）

引言

断层作为煤层采掘过程中普遍存在的一种地质构造，其独特不连续结构控制着煤岩的变形、破坏与力学性质，该结构与煤层采掘活动之间的相互作用是断层活化及其诱发冲击地压的关键。因此，中国矿业大学蔡武研究团队通过调研总结煤层采掘活动与断层赋存状态之间的概念模型，提出了采动应力主导和矿震动载主导两种断层活化类型的力学机制及其动静载叠加诱冲机理；其次，结合物理实验、数值模拟和现场微震监测结果验证了模型与机理的合理性；在此基础上，针对性地探讨了断层冲击地压监测与防治的方法和策略。研究结果表明，断层冲击地压是由断层煤柱高静载与断层活化动载叠加诱发，其中，断层煤柱高静载是断层与顶板结构双重作用导致，断层活化动载是由采动应力主导型局部解锁活化、等效劈裂破坏和矿震动载主导型超低摩擦效应组成。研究结果对于系统理解断层冲击地压机理、监测与防治具有重要指导意义。

断层冲击地压是井田范围内由于煤层采掘活动引起断层的突然相对错动而猛烈释放能量的现象，其中，断层错动（亦称“活化”）是断层冲击地压发生的关键。例如，2011年11月3日19时18分，河南义马千秋煤矿F16逆冲断层活化诱发的重大冲击地压事故，监测能量为3.5×10⁸ J，造成10人死亡、75人被困；2014年3月27日11时18分，千秋煤矿再次发生的一起较大冲击地压事故，监测能量为1.1×10⁷ J，造成6人死亡、13人受伤，断层活化被认为是此次事故的主要诱因；此外，义马跃进煤矿25110工作面采掘临近F16逆冲断层时发生多起较为严重的冲击地压。因此，如果能事先清楚煤层采掘扰动引起断层活化的力学机制及其诱冲机理，那么就可提前较准确地采用理论与监测数据驱动融合预测断层冲击地压的发生，并采取合理的防治及应急避让措施保障矿工人身安全。

针对断层活化及其诱冲机理，国内外学者紧紧围绕“开采活动如何引起断层活化，断层活化又如何影响工作面围岩应力状态”两大关键问题，采用现场观测和理论分析、相似模拟、数值模拟、实验研究等手段，获得了大量研究成果。因此，断层活化不管是在理论研究、现场观测，还是实验研究等方面均已被证实。

断层附近应力分布的数值模拟及相似模型实验结果，很好地揭示了采动应力主导作用下的断层活化诱冲机理。然而，上述断层冲击地压理论主要以采动应力影响为主，很少考虑动载扰动的影响。同时，断层活化的摩擦实验大部分也都是针对地震机理展开研究，忽略了地下工程巷道、煤层等采掘过程中真实的采动应力加卸载及矿震动载效应。因此，仍需进一步研究考虑真实采动应力路径和矿震动载扰动作用下的断层活化力学机制及其诱冲机理，这是解决断层冲击地压监测预警与防治这一前沿科学问题的理论基础，具有极其重要的作用。

中国矿业大学蔡武研究团队通过调研总结煤层采掘活动与断层赋存状态之间的概念模型，提出了采动应力主导型与矿震动载主导型两种断层活化类型的力学机制及其动静载叠加诱冲机理（图1），并探讨了断层冲击地压的监测与防治方法及策略（图2），最后结合数值模拟、相似材料模型实验以及微震监测给予了验证。主要结论如下：

（1）提出了煤层采掘扰动作用下采动应力主导型与矿震动载主导型两种断层活化力学机制。断层活化主要与断层面黏结力、断层摩擦角、断层倾角、最小主应力、孔隙压力有关，且开采扰动引起的水平采空侧卸载和竖直方向加载，即侧压系数降低，是采动应力主导型断层活化的力学本质；动载扰动作用产生的断层超低摩擦效应是矿震动载主导型断层活化的力学本质。

（2）提出了断层冲击地压的发生机理是由断层煤柱高静载与断层活化动载叠加诱发，其中断层煤柱高静载是断层、顶板结构双重作用导致，断层活化动载是由采动应力主导型局部解锁活化和矿震动载主导型超低摩擦效应组成。同时，从如何监测表征和控制弱化断层煤柱高静载和断层活化动载两方面着手，探讨了断层冲击地压的监测与防治方法及策略。

（3）采动应力主导型断层活化的数值模拟验证表明，煤层采空引起顶板弯曲下沉，与断层耦合作用形成断层煤柱集中应力；顶板下沉引起断层上端水平应力减小，甚至变为拉应力状态，进而导致断层面侧压系数减小；数值模拟结果揭示的断层煤柱应力集中区和低侧压系数区与微震的主要集中分布区对应一致。

（4）矿震动载主导型断层活化的相似材料模型实验验证表明，动载扰动可改变断层应力状态，尤其是显著降低断层正应力数值甚至改变其作用方向，使得断层上下盘岩层间相对压紧程度降低，甚至由最初的压应力状态变为拉应力状态，从而使得断层在某一时刻出现摩擦“消失”现象，进而产生超低摩擦效应。

图1. 断层冲击地压监测体系。

图2. 断层冲击地压防治策略。

关键词：冲击地压；断层活化；采动应力；矿震动载应力；断层煤柱

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2020.03.017

以上内容来自：Wu Cai, Linming Dou, Guangyao Si, Yawei Hu. Fault-Induced Coal Burst Mechanism under Mining-Induced Static and Dynamic Stresses [J]. Engineering, 2021, 7(5): 687-700.

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ISSN 2095-8099

CN 10-1244/N

IF 12.8 Q1

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