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,2，田 政

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

冲击地压作为典型的动力灾害，由于其频繁发生的危害性、极短前兆的突发性、机理研究和预测防治的复杂性等特点，给煤炭资源安全高效开采带来巨大的挑战，同时也是国内外学者高度关注的热点课题。

在众多诱发冲击地压的因素中，断层等复杂地质构造赋存环境是冲击地压等动力灾害的重要诱因。断层失稳诱发冲击地压是由于断层构造等不连续面的存在，在开采扰动下出现突然的相对滑动和能量的瞬间释放，从而导致矿井剧烈振动和破坏的动力现象的发生。与其他典型的冲击地压类型相比，断层失稳诱发的冲击地压所影响的范围更加广泛，灾害发生时所释放的能量强度更大、震级更高。

近年来，冲击地压等典型动力灾害事故在煤矿开采中频繁发生。例如，2018-10-20山东能源集团龙郓煤业有限公司发生严重的冲击地压事故，由于受采掘、施工扰动和断层滑动等影响导致地应力更加集中从而诱发动力灾害，造成数名人员伤亡和巨大经济损失；2019-06-09吉林煤业集团龙家堡矿业有限责任公司的冲击地压事故，该事故的直接原因是高水平构造应力、采掘活动影响和断层活化等多因素共同导致，造成巷道严重破坏和人员伤亡；2019-08-02开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司井田内断层和褶皱构造附近发生了井下冲击地压事故，给煤矿的安全生产带来了巨大损失；此外，2020-02-22山东新巨龙能源有限责任公司在开采工作面与断层构造形成的强冲击危险区域发生了较大冲击地压事故等。事故分析报告显示，上述冲击地压事故的发生多与断层等地质构造赋存状态影响相关，事故高发区域地应力集中明显。因此，研究断层结构失稳诱发冲击地压的特征和机理对冲击地压的预测和防治至关重要。

关于断层构造和冲击地压的相关性，国内外学者从各个角度研究了冲击地压机理，并提出一系列经典理论，为断层构造失稳诱冲机理研究奠定了理论基础。MICHALSHI最早提出了在临近断层开采时更容易诱发冲击地压的观点，OHNAKA给出了断层滑移动态摩擦定律假说；RICE等则认为冲击地压的发生主要是因为断层面的摩擦和剪切作用，并分析了断层滑移过程中温度场变化特征；于广明，谢和平等将分形理论应用于断层活化研究，分析了断层面分型界面效应与岩体破坏的关系；考虑断层构造的影响，王学滨、林远东等应用应变梯度塑性理论得到了断层带与围岩失稳的判据及解释，并推导了断层滑移错动位移理论公式；宋振骐在“实用矿山压力控制”理论的基础上，建立了过断层开采的控制力学模型以及相关控制准则；纪洪广等将库仑应力的概念引入开采扰动下断层滑移失稳分析中；HOFMANN等应用摩尔-库伦准则，研究了开采扰动下断层滑移失稳时滑移带的黏聚力变化情况等。

此外，部分学者从断层面滑移趋势入手研究了断层活化机理。SAINOKI和MITRI等通过推导出新的滑移减弱距离准则对断层滑移的摩擦阻力进行了标定，考虑断层倾角、落差、断层面粗糙度等因素的影响，揭示了逆冲断层挤压型地质构造诱发冲击地压的机理；TAGHIPOUR等采用数值模拟手段研究了断层的滑移趋势，分析了断层活化时不同部位的应力积累和塑性应变的发展情况；WEI等发现断层面上不同位置的滑移趋势大不相同，分析了动摩擦和临界滑移距离对断层结构线性滑动弱化的影响。

为进一步揭示开采扰动影响下断层失稳的诱冲机理，国内外学者对断层的赋存状态，以及断层影响区域位移场、应力场和能量场等多物理场的演化特征也进行了大量研究。目前，对于断层面位移场的研究手段主要依靠相似模拟试验和数字散斑监测技术。张宁博、赵善坤等分析了逆冲断层在单侧卸载条件下失稳瞬间位移场的变化规律，探讨了断层滑移失稳机理；张科学、何满潮等研究了在采动影响下断层活化过程中断层附近围岩的变形情况，并总结出断层滑移失稳诱发巷道冲击地压的机理；宋义敏等通过直剪摩擦滑动试验分析了断层滑移失稳过程中位移场的变化规律，发现位移场具有时间间隔滑动特征和空间差异性特征。王宏伟等通过相似模拟试验给出了断层面上相对位移的时空演化特征，认为上覆岩层的存在对断层结构位移具有重要的影响。

开采扰动影响下，应力场的分布与演化特征以及能量场积聚与释放在断层结构滑移失稳过程中起着决定性作用。吕进国等认为高水平构造应力和采动应力等多应力场的耦合叠加作用为断层滑移失稳诱发冲击地压提供了动力力源条件；蔡武、窦林名等提出开采扰动引起的水平采空侧卸载和竖直方向加载是导致断层滑移的力学本质；罗浩等采用数值模拟方法与物理相似试验，得出了围岩应力场在开采扰动和断层构造影响下的变化规律；王宏伟等通过建立理论力学模型研究了断层面上应力场和能量场的时空演化特征，给出断层滑移判别力学依据；朱广安等研究了断层面上应力场的变化情况，并给出了断层活化可能危险性判别的应力条件；蒋金泉等分析了在巨厚坚硬岩层与逆断层耦合作用下采动应力的演化规律与断层活化特征；王涛等通过对开采条件下断层应力变化特征的研究，发现开采扰动是导致断层滑移失稳的重要因素之一；谭云亮等发现深部开采活动引起断层发生滑移失稳时会释放大量能量，同时煤岩应力瞬间增大，并且认为深部动力灾害的监测应当以能量判据为主；姜福兴等采用微地震监测手段分析了断层构造在滑移失稳过程中能量变化特征，总结出构造控制型冲击地压的分类依据。

综上所述，煤矿冲击地压的发生与断层构造赋存条件密切相关，开采扰动下断层构造的失稳过程可以从围岩位移场、应力场和能量场的动态演化过程中获得前兆规律，是研究冲击地压精准预测和高效防控的前提。笔者总结了在承担国家重点研发计划(2016YFC0801401)、国家自然科学基金(41872205)和北京市自然科学基金(8202041)等课题期间的研究成果，从断层构造成因、地质赋存状态和高水平原岩应力环境等角度介绍了冲击地压发生时断层构造的地质赋存环境等特征，建立了考虑工作面开采时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的逐点积分计算方法，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构造位移场、应力场和能量场的动态演化特征，系统阐述了断层构造失稳的发生特点和诱发冲击地压的力学机理。笔者的研究结果期望能为我国煤矿冲击地压的预测与防治提供理论支撑。

1 断层构造失稳诱冲的关键科学问题

1.1 开采扰动下断层滑移失稳的力学机理

由于岩体受到地壳运动的强烈挤压作用，使得在断层等地质构造成型期间积聚了大量的弹性应变能，是其诱发煤矿冲击地压的主要动力环境。在现场监测中，尽管可以利用钻孔应力、地质雷达探测、微震监测和电磁辐射监测等技术手段获得工作面开采过程中断层结构附近及上覆岩层的位移场、应力场和能量场的宏观变化特征。然而，目前能够表征断层面多物理场时空演化特征的力学机理解释尚未清晰，无法准确获知断层结构失稳的多物理场动态演化特征和前兆信息。

笔者建立了考虑工作面开采时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构造位移场、应力场和能量场的动态演化特征，总结出断层滑移失稳动态过程中摩擦状态发生转变的临界位置和应力条件，系统阐述了断层构造失稳的发生特点和诱发冲击地压的力学机理。

1.2 断层构造失稳诱冲的多物理场前兆特征

采动条件下断层构造及其影响区域的应力重分布动态演化过程十分复杂，断层面的静态滑移、整体剧烈滑动以及断层结构位移场的动态演化过程，是研究断层失稳诱发冲击地压的重要前兆信息，而该过程势必伴随断层面上正应力和剪应力的动态响应。同时，由于受到来自侧向压力和上覆岩层下沉压力的共同作用，断层滑动是断层面摩擦效应的体现。在断层未滑动之前，断层面由于未达到最大滑动静摩擦，其断层区域围岩弹性应变能处于长期积聚而未释放的状态，断层失稳后的能量释放也是当前微震事件数、声发射事件数和电磁辐射强度值监测的重要目标，也可为冲击地压事故的发生做出预测。

笔者在研究开采扰动下断层滑移失稳的力学机理基础上，研究断层附近上覆岩层运移与断层滑动破坏的相互作用，分析断层侧压系数对断层面应力场的影响，给出断层滑动危险性判别条件，着重分析断层面位移场缓急突变、应力场正剪分化以及能量场激增滞后的动态演化特征，分析断层结构及影响区域多物理场异常演化现象与断层滑移失稳诱冲机理之间的联系，从而获得能够预测断层滑移失稳的前兆特征。

2 断层构造的地质特征及诱冲模式

断层构造的成型过程、地质赋存状态，是断层影响区域高水平原岩应力环境的主要原因，了解断层构造的地质特征有助于探究其失稳诱发冲击地压的机理。

2.1 断层构造的成因及地质赋存状态

经过长期的地壳运动和强烈的挤压作用，岩层中较为薄弱的位置发生断裂并与相邻岩体产生相对运动，从而形成断层构造。根据断层构造形成时所受到的应力状态以及岩石物理性质的差异，可将其分为正断层、逆断层和平移断层。断层构造成型后沿其走向上不同位置的岩体变形能力和能量积聚程度大不相同，在水平构造应力作用下主断层两侧岩体上衍生出大量的节理和次生断裂面，并与主断层面形成具有一定宽度的断层带影响区域。然而，断层等地质构造由于其深部赋存的特点，在地层中并不容易被发现。目前，国内外主要应用地球物理探测技术对煤层赋存条件和复杂地质构造进行勘探。比较常见的探测方法有地震法和电磁法，例如，彭苏萍等将三维地震勘探技术应用于淮南煤矿，并证明可以有效地探测小断层、陷落柱、地质异常体和活动断层等地质构造，成为煤矿高效安全生产的重要技术手段之一。王扬州等将瞬变电磁法应用到矿井中的全空间范围，实现井下采空区多角度立体探测技术。因此，预先探测煤层的赋存环境和断层等复杂地质构造的几何形态，有助于探究采动影响下断层等复杂地质构造附近多物理场的时空演化特征，为深入探索断层滑移的力学机制提供了技术前提条件。

断层等复杂地质构造在我国各地区煤田中普遍存在。笔者以河南义马煤业集团股份有限公司义马矿区、北京昊华能源股份有限公司京西矿区、黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司鸡西矿区以及开滦(集团)唐山矿业分公司唐山煤矿作为工程案例，分析断层等复杂地质构造的成因及其赋存地质环境特征。

图1为河南义马矿区地质构造。义马矿区地处褶皱-逆冲断层的构造区域范围内，形成具有大量走向、倾向、斜交的断层和褶曲等复杂地质构造，煤层出现严重的分叉与合并现象。义马矿区从西向东依次分布着杨村煤矿、耿村煤矿、千秋煤矿、跃进煤矿和常村煤矿，向南以F陕石—义马逆断层为界线(图2)。据现场资料统计，千秋煤矿和跃进煤矿中多个工作面的多次冲击地压事故均与F逆冲断层有直接关系。

图1 义马矿区地质构造

图2 义马矿区各煤矿地理位置及2006—2015年各煤矿冲击地压发生频率

由于地壳运动过程中比较软弱的煤层受挤压应力作用易发生断裂和相对滑动，且在巨厚砾岩层的共同作用下形成压扭性逆冲断层F。断层走向近东西，倾向南，略偏东，浅部倾角75°，深部倾角15°～35°，逆冲面上陡下缓，落差50～500 m，水平错距120～1 080 m，北接千秋煤矿，向东延入跃进煤矿。根据图3可知，F断层紧邻多个采煤工作面，其存在不仅切断了岩层的连续性，还伴有应力集中和能量积聚现象，增大了开采的难度。因此，断层构造的存在被认为是该矿区冲击地压发生的主要诱因。

图3 义马矿区千秋煤矿21221工作面采掘平面示意

位于北京西部地区的北京昊华能源股份有限公司的京西矿区是我国另一典型的复杂地质构造赋存区域。由于受燕山和喜马拉雅山多次造山运动、构造运动以及侵蚀作用的剧烈影响，在强挤压力作用下形成地层倒转型褶皱和大中型逆冲断层相当发育，如图4所示。水平构造力使得矿区内形成多个向斜和背斜构造从而造成地层发生倒转现象，导致褶皱轴部及两翼形成了多种次级褶曲构造，同时伴有大量逆冲断层的产生。以大安山煤矿的大寒岭背斜和向斜为例，其中背斜倾角范围为10°～90°，向斜倾角范围为50°～90°，断层的最大落差为150 m，最大倾角为77°。图5给出了京西矿区大安山和木城涧煤矿的构造剖面示意。逆冲断层的存在导致煤层和覆岩厚度以及煤层倾角急剧变化，在长期的地质演变过程中断层和褶皱等构造中蕴藏着巨大的变形能，开采扰动条件下极易诱发冲击地压等恶性动力灾害事故。

图4 京西矿区地质构造示意

图5 京西矿区大安山煤矿和木城涧煤矿构造剖面示意

黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司的鸡西矿区和开滦(集团)唐山矿业分公司的唐山煤矿的煤炭资源同样赋存着复杂的地质构造区域。图6为鸡西矿区中部矿井开拓示意。由于长期受南北向压力和左行扭力的作用，鸡西矿区内出现南北2条单斜构造拗陷和中部恒山基地隆起的现象，从而构成了两拗夹一隆的构造格局。井田整体上为一单斜构造，煤层倾角为8°～45°，呈现浅部陡深部缓的总体趋势。矿区内地质构造复杂程度为中等，以北东向和北西向的2组斜交正断层为主，东西方向和南北方向的断层系统为次，主、次级断层互相交接或切割，使井田呈现类似棋盘格式构造，导致煤层走向和倾角变化极大，增加了巷道的布置难度。

图6 鸡西矿区中部矿井开拓示意

开滦(集团)唐山矿业分公司的唐山煤矿位于河北省唐山市，主要构造为平行于地层走向的断层，如图7所示。由于受近似东西向的挤压作用，井田西部赋存着复杂的褶皱构造和多条纵向断层，并伴随着大量的中心断层的衍生，数条压扭性断裂在深部合为陡河大断裂。由于断裂区域内构造应力相对较大，从而成为唐山地区的主要的发震构造。统计分析发现，井田向斜轴部是发生冲击地压的高危险区，且煤岩冲击失稳与断层构造密切相关。

图7 唐山煤矿地质构造

综上所述，地壳运动和水平构造挤压力有助于断层构造等复杂地质构造的形成和发育，并且褶皱构造通常会造成地层倒转进而会衍生出大量逆冲断层，导致地层原岩应力场变得更加复杂，在开采扰动下容易发生断层滑移失稳从而诱发严重的冲击破坏事故。因此，断层等复杂地质构造对多物理场的影响是不容忽视的。

2.2 高水平原岩应力环境

原岩应力场是地壳岩石圈应力的原始分布状态。随矿井开采深度的增加，原岩应力也随之增大，导致矿山压力显现强烈，为能量积聚提供了理想的内部环境，在增加巷道维护和煤层开采难度的同时，冲击地压发生的可能性也随之增大。因此，考察原岩应力场的分布特征是研究复杂地质构造特征与诱发冲击动力失稳之间相关性的前提条件。

高水平原岩应力环境是我国煤矿复杂地质赋存环境下诱发冲击地压的主要原因之一。以河南义马矿区和京西矿区为例，根据原岩应力现场测试结果可知，河南义马矿区内千秋煤矿是以水平应力为主导的构造型原岩应力区，而跃进煤矿原岩应力场则是由垂直应力占主导。考虑断层构造的存在，水平构造应力依旧是义马矿区高应力环境中的主要应力分量。与华北地区和中国大陆平均应力水平相比而言，义马煤田原岩应力水平较高，如图8所示。尤其是垂直应力分别高于华北地区和全国中国大陆的42.7%和42.1%。以上数据进一步说明了义马矿区复杂地质构造条件下的高水平原岩应力特征，也是频繁发生冲击地压事故的重要原因。

图8 义马矿区原岩应力与华北地区和中国大陆原岩应力对比

京西矿区各矿井的开采水平均属于深部开采范畴，原岩应力测试结果可知该矿区原岩应力场同样以水平应力为主导。如图9所示，京西矿区中主应力随深度增加呈现不同程度的线性增长趋势。由于矿区内存在大量的倒转型褶皱构造和大中型逆断层等复杂地质构造，使得原岩应力水平要高于北京和华北等地区的平均水平，以深度800 m为例，其中三大主应力分别高于中国大陆地区平均水平的34.1%，75.3%和57.2%。因此，在现有开采水平条件下，高水平原岩应力释放势必会引起断层等构造的瞬间失稳，从而诱发冲击地压等动力灾害。

图9 京西矿区原岩应力和北京地区、华北地区和中国大陆原岩应力平均水平对比

所以，义马矿区和京西矿区的高水平应力环境，以及矿区内频繁发生的冲击地压事故，证实了高水平原岩应力场与冲击地压之间的相关性，为冲击地压机理的研究提供了支撑。

2.3 断层冲击地压诱发模式

断层冲击地压作为一种与地质构造赋存状态相关的冲击类型，其发生机理是目前冲击地压研究领域的热点。为了更加清晰地了解断层构造失稳诱发冲击地压的力学机理，学者们提出了与断层相关的诱冲模式来揭示冲击灾害发生的原因。

齐庆新等根据力源条件将断层冲击地压归纳为构造型冲击地压，认为断层等地质构造的存在使得地层中构造应力大幅提高，造成煤岩突然失稳和冲击破坏。潘一山等根据煤岩失稳的物理特征对冲击地压机理进行了分类，总结出断层错动型冲击地压一般发生在断层构造附近，并且只有在深部开采和上覆岩层压力足够大时才会引起断层围岩剪切失稳从而诱发冲击地压。姜耀东等从应力状态导致煤岩突然破坏的本质出发，根据现有的开采工艺和常见地质构造赋存状态，将由断层构造或其他结构面的滑移错动引起的剧烈破坏的动力现象称为滑移错动型冲击地压。谭云亮等提出深部开采断层滑移型冲击地压，认为深部断层影响区域受采掘活动影响更为显著且构造应力明显大于浅部开采。姜福兴等依据微震数据监测结果和构造附近能量释放情况，将复杂地质构造引起的冲击地压分为增压型和减压型，当工作面临近断层构造开采期间，微震事件在断层附近出现积聚现象并且不随工作面迁移时，很可能引起构造增压型冲击地压在断层附近发生，造成煤岩破坏。

断层构造的滑移失稳与采掘活动和高水平应力是密切相关的。窦林名等根据煤层开采活动引起的断层活化类型针对断层型冲击地压提出了4种概念模型，即远场和近场矿震动载触发的断层活化、逼近断层和远离断层开采的采动应力主导型断层活化。吕进国等根据采掘工作面与断层构造的相对空间位置不同引起的应力场变化的差异性，将断层冲击地压分为构造应力型、断层活化型和断层失稳滑动型等。

笔者在研究断层构造位移场、应力场和能量场动态演化特征的基础上，也将重点探讨断层构造和上覆厚层顶板耦合赋存时的工作面逼近断层构造的采动应力主导型断层冲击地压的力学机理，研究煤岩受采动应力和上覆岩层垂直压力共同作用下引起的断层失稳滑动型冲击地压。

3 采动下断层构造的多物理场特征

探究断层构造滑移失稳区域在开采扰动过程中位移场、应力场和能量场的动态演化特征，建立断层影响区域冲击地压发生前、后多物理场的互馈关系，得到能够预测断层失稳诱发冲击地压的多物理场前兆特征，研究断层结构失稳诱发冲击地压力学机理，从而达到准确监测以及有效预防冲击地压的目的。

3.1 开采扰动下断层影响区位移场演化特征

断层影响区上覆岩层运移特征

为了能够多参量监测开采扰动下断层影响区域的位移场演化特征，以河南义马矿区千秋煤矿21221工作面为工程地质背景，在中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的深部工程破坏过程模型试验系统上开展了考虑工作面开采工况的断层滑动物理相似模拟试验，如图10所示。该物理模型的几何相似比为120，容重相似比为0.67，模型尺寸为1 600 mm×1 600 mm×400 mm。

图10 断层滑动物理试验模型和监测方案

研究显示，除复杂地质构造赋存条件和高水平原岩应力环境外，上覆岩层失稳也是冲击地压发生的重要原因之一。随着工作面推进，上覆岩层的空间结构发生变化，造成大面积的覆岩运动甚至出现断裂现象。因此，考察岩层运移与断层结构滑移失稳相关性对研究断层冲击地压发生机理具有重要意义。

图11给出了上覆岩层位移随工作面向断层推进过程中的变化规律，图11中表示试验模型中工作面到断层的距离。从物理性质上，坚硬岩层的厚度和强度远大于煤层，上覆岩层通常被视为不易发生断裂破坏的坚硬顶板。随着煤层开采过程中，上覆岩层在很长一段时间内处于悬空状态。上覆岩层发生破裂前，采空区围岩变形影响范围持续扩大，岩层位移量也随之增加，靠近断层的岩层运动相对于远处更为活跃，并且在开采扰动条件下发生多次不规律的周期性垮落，导致断层频繁受到扰动。

图11 工作面开采过程中上覆岩层位移变化

此外，研究还发现在开采条件下，断层并非一直处于滑动状态，只有当上覆岩层发生垮落破坏时断层才出现严重的滑动。究其原因是由于上覆岩层未破坏前断层结构处于相对稳定的状态，而在采动应力和岩层运移共同作用下，断层结构附近出现了部分离层空间，使得施加到断层面上的水平荷载减小，造成在断层构造一侧呈现出卸载效应，加剧了断层的活化程度。同时，断层滑动又会反过来以非稳态的冲击和加卸载反作用于煤岩，使得上覆岩层发生更严重的垮落破坏，最终诱发冲击地压事故。以上结果与分析初步给出了岩层运动和断层滑移的相互作用的关系。

断层结构的相对滑动位移的计算

断层滑移一般表现为上盘与下盘的相对错动，不仅会引起周围围岩运动的改变，还会诱发严重冲击地压事故。因此，进一步研究在开采扰动影响下断层面上下盘之间的相对滑移过程，分析发生最危险滑动的位置及其演化特征，能够更加全面地了解断层的滑移机制。

在煤矿开采过程中，断层周围煤岩受上覆岩层影响呈现整体向下移动的趋势，随着开采工作面逐渐靠近断层，下沉位移量逐渐增大，最终引起断层构造上、下盘发生错动。图12给出了30 cm宽断层带区域的滑移情况。研究发现，断层构造的滑动位移最先出现在断层顶部位置，并逐渐向下扩展到煤层附近，而断层最大滑移量最终在断层与厚层顶板交界处的中部区域集中发展。从图13可以发现，断层面上的位移随着开采过程中由缓慢增加转为突然急剧增加的现象，断层面最大位移量也由断层顶部突然转移至断层中部区域，造成断层结构滑移失稳破坏。

图12 煤矿开采过程中断层面上位移变化情况

图13 工作面推进过程中断面上断层位移变化

为进一步解释断层面滑动位移突变的现象，笔者提出了基于逐点积分的相对滑移算法来求解断层面上盘和下盘之间的相对位移。断层附近区域上盘与下盘在水平和垂直方向上的相对位移矢量如图14所示。

图14 断层面上下盘相对位移计算示意

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计算表明，开采扰动下断层面的相对滑动是由局部静态滑移向整体剧烈滑动突然转变的非线性动态演化过程。在这个动态演变过程中，断层附近的围岩运动经历了沿垂直向下、近似垂直于断层和平行于断层3个运动阶段，如图15所示。图16给出了工作面在开采过程中断层上下盘相对滑动的动态演化过程。在开采前期阶段，断层上下盘由于覆岩压力作用整体向下移动。随着工作面的推进，断层面上开始出现局部滑动，且断层下盘相对于上盘沿断层倾向向下运动，此时断层面上不同位置的相对位移呈现基本同步的缓慢增长趋势，如图17所示。临近断层开采时，断层上下盘的挤压效应代表了此时断层结构能量处于积聚状态，断层中部区域的相对位移量大幅度增加，预示断层发生严重的整体滑移破坏并释放大量的应变能。

图15 断层面上下盘相对滑移矢量

图16 工作面开采过程中断层相对滑动动态演化

图17 工作面开采过程中断层下盘相对上盘的位移曲线

综上可知，断层面最大相对位移量出现在断层中部靠近煤层的区域，而相对位移缓急突变发生时伴随着上覆岩层严重垮落现象。上覆岩层运移失稳会瞬时释放大量应变能，从而促进了厚层顶板与断层构造交界区域的相对滑动，特别是未破坏岩层的失稳破坏可能会进一步引起严重的断层滑移失稳。笔者从断层上下盘相对位移角度入手揭示了开采扰动下断层滑移由局部滑移转向整体失稳的动态过程，证实了断层滑移失稳对上覆岩层运移的影响作用。

3.2 断层结构的力学模型及应力场演化特征

断层面应力分布的监测结果

采动应力的存在打破了采场原位应力的平衡。工作面支承压力与断层处高构造应力叠加形成应力集中，导致断层滑移失稳。

因此，进一步探究采动影响下断层构造应力场的演化特征，能够更加深入地了解研究断层滑移失稳的力学机制。

图18为部分监测点应力随工作面开采变化曲线(监测点位置如图10所示)。在开采初期阶段，工作面距离断层较远时(距断层处100 cm)，断层面上的应力开始发生缓慢变化，断层开始受到扰动，与上述断层滑移情况基本一致，可将该位置视为断层影响区和非影响区的分界线。

图18 工作面推进过程中断层面上正应力和剪应力变化

临近断层开采时(距断层处60 cm)，断层因开采活动影响频繁受到扰动，特别是断层中部区域的应力变化尤其剧烈。当工作面在断层附近开采时(距断层处20 cm)，断层发生严重的滑移失稳，此时应力水平明显降低。

开采扰动影响下，断层面正应力和剪应力从同步变化转为突然分化的急剧变化。断层面上正应力变化相比剪应力而言更为强烈，且近煤层处的应力值也要大于远离煤层处。除外，在临近断层开采时，断层面中部区域正应力和剪应力呈现截然相反的变化趋势，即正应力增加而剪应力降低或剪应力增加而正应力降低的分化现象。

考虑水平构造应力和采动应力的影响，断层构造在侧向压力和上覆岩层下沉压力的共同作用下而处于压剪受力状态。断层面上的摩擦力随着正应力增加而增大，剪应力和正应力持续增大导致断层结构由静态摩擦转为动态摩擦，此时断层面上剪应力会相应减小。加之断层中部区域岩层被压实且不易松，进而出现正应力增加而剪应力降低的分化现象。为进一步证实这一监测结果，笔者提出了考虑采动影响的断层滑动的力学模型，解释了正应力和剪应力的分化特征，并做详细阐述。

考虑采动影响的断层结构的力学模型

由于断层面上应力场分布和变化较为复杂，仅依靠现场监测和数值仿真技术还不能完全揭示开采扰动下断层面上的应力场演化特征。为进一步验证和解释断层面上正应力和剪应力的分化现象，笔者建立了考虑采动影响的断层表面应力分布和断层滑动特征的力学模型，如图19所示。综合考虑上覆岩层压力、重力附加应力和采动应力的影响，得到式(3)给出的断层面上任意一点处的应力分量，进而计算得到如式(4)所示的断层面上正应力和剪应力的表达式。

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其中，，和分别为沿方向的正应力分量、沿方向的正应力分量和剪切应力分量；和为断层面任意点的正应力和剪应力；和分别为任一点的水平和铅直距离；和分别为模型的长度和高度；为采动应力峰值点到断层的水平距离；为垂直分布应力；为岩石密度；为重力加速度；为断层倾角；()和()分别为重力附加应力和采动应力分布的水平应力函数；()d为距坐标原点处微小长度d上所受的微小集中力。

图19中，为断层面上任意点到模型顶部的铅直距离；′为力学模型中工作面与断层之间的距离；为侧向系数。

图19 考虑采动影响的断层面上任意点应力计算的力学模型

断层面应力场的动态演化特征

在采动应力影响下，断层面上不同位置应力分布各异，图20给出了随工作面向断层推进过程中断层面应力值的分布和变化规律。图21为断层面应力计算的试验校对。对比试验与理论结果可知，关于断层面上正应力和剪应力的分布特征，理论模型计算结果和试验结果基本吻合。结果显示，断层面下段区域应力水平高于断层面上段区域，随着工作面的推进，应力变化幅度更加明显。沿断层面向下，断层面的正应力值和剪应力值变化呈相反趋势，出现正应力增加而剪应力降低或剪应力增加而正应力降低的分化现象。应力场变化的转折点代表着断层表面的最小正应力值和最大剪应力值，说明了应力极值与断层滑移失稳具有一定的联系。

图20 断层面应力分布的理论模型计算结果

图21 断层面应力分布的试验结果校对

根据正应力和剪应力的极值变化，可将断层表面划分为R，R和R三个区域，如图22所示。工作面在到达断层扰动影响区继续向前推进时，断层面的应力极值逐渐向底部移动。沿断层面向下，根据正应力和剪应力的变化状态，得出R为断层上、下盘的静摩擦稳定状态区域，R区域中剪应力极值位置处于即将动态滑移的临界平衡状态，在R区域断层为已经发生了动态相对滑动。因此，断层滑动面的剪应力极值出现的位置可视为断层面从静态转向动态滑动的临界区域，同时也是断层面上最先发生滑动的位置。

图22 开采过程中断层面上的应力演化

综上可知，当工作面临近断层开采时，由于采动应力和上覆岩层的影响，断层结构面和厚层顶板的交界区域的应力水平较高，此时该区域积累了大量的应变能，为断层滑移失稳提供了应力条件。此外，上述结果还给出了应力极值分布演化特征，并从摩擦状态转变的角度分析了断层滑动的力学机制。

3.3 断层失稳的能量场时空演化特征

断层结构势能概念的提出

开采扰动下断层应力的变化会引起断层表面应变能的积累和释放。断层周围煤岩能量变化实质上就是从稳定积聚状态逐渐向非稳定释放状态转化的过程。由于较高应力水平、断层构造以及开采条件等诸多影响因素，造成开采过程中煤岩的能量变化具有明显的时空特征。在现场监测中，微震事件数、声发射事件数和电磁辐射强度值等数据在冲击地压发生前常出现监测数据消失的现象。为进一步解释这一工程现象，在断层面应力分布的理论模型基础上提出了断层结构势能的概念，并对断层结构势能的时空演化特征进行了分析。

根据弹性理论中的应力变分方程，通过断层面上的应力来计算断层结构势能为

(5)

断层结构势能演化特征

图23为断层面上结构势能的计算结果。工作面过断层前，断层结构势能分布特征与剪应力分布特征相似，对照图22可知，结构势能最大值与剪应力最大值类似，均出现在R区域的底部附近，并且在R区域逐渐减小。当采煤工作面穿过断层后，断层结构势能变化明显，断层顶部结构势能突然增大，R区域的结构势能急剧下降。从图24可以看出，随着工作面向断层推进，断层面上部区域的结构势能逐渐减小，而中下部区域结构势能则呈增大的趋势。

图23 煤层开采过程中断层面上结构势能的分布

图24 工作面开采过程中断层面上结构势能演化

综上可知，开采工作面过断层前结构势能最大的位置出现在断层结构面和上覆厚层顶板的交界区域，同时也是最大剪应力出现的位置，即断层上下盘运动由静摩擦转变为动摩擦的临界区域，可将该位置认为是断层滑动的起始点。由于断层滑移错动导致断层表面应力对开采活动产生不同的响应，从应变能角度解释了正应力和剪应力变化过程中的分化特征。

由于断层区域的上覆岩层较为坚硬不易破坏，能量激增前断层处于相对稳定的状态，导致监测数据缺失现象，但此时能量则一直处于积聚而未能释放的状态。在开采扰动和断层滑移作用下，未破坏上覆岩层发生失稳导致断层顶部的能量积聚和瞬时释放，从而引起断层的严重滑动破坏诱发冲击地压。笔者从结构势能角度解释了断层滑移失稳过程中能量的稳态积聚和非稳态释放的变化，同时证实了上覆岩层运移和破裂对断层滑移失稳具有重要的贡献。

4 断层结构失稳诱发冲击地压机理

开采扰动下断层结构发生滑移错动引起断层围岩位移场、应力场和能量场发生改变，继而诱发严重的冲击地压。笔者在研究断层结构滑移失稳多物理场演化特征的基础上，进一步分析采动影响下断层冲击地压的力学机理。

4.1 断层结构失稳诱发冲击地压的前兆特征

断层失稳诱冲的位移场突变特征

由前文可知，在整个煤层开采过程中，断层的滑动位移通常会经历静止、缓慢滑移和快速滑动3个阶段。断层最大位移出现位置也发生了由断层顶部转向中部的空间变化。在临近断层开采时，断层位移量突然明显增加，代表断层发生严重滑移失稳，可将位移场这种由稳定到急剧增加的突变现象作为断层滑移失稳的前兆特征。

断层面上位移场的突变特征还表现在采动应变和应变率的监测结果中，图25和图26分别为断层面应变和应变率的变化曲线。当断层开始扰动后，断层附近围岩应变出现急剧上升和稳定增加的相互交替变化阶段，随后断层发生严重滑移，采动应变再次急剧减小。同时，断层附近应变率也由低水平稳定状态转变为急剧波动阶段，预示上覆岩层中裂缝急剧发展，最终引起上覆岩层垮落破坏。因此，可将断层面上采动应变急剧增加和维持稳定交替出现的阶段或应变率急剧变化的现象视为断层滑移的另一前兆特征。

图25 煤层开采过程中断层面应变变化

图26 断层面上应变率变化曲线以及试验对比

断层失稳诱冲的应力场分化特征

断层面上中部区域的应力场正剪分化特征表现为正应力增加而剪应力降低或剪应力增加而正应力降低的现象。为进一步分析断层面应力场这一特征，图27给出了断层中部应力场变化以及对应的位移场变化。正应力和剪应力的共同作用使得断层面发生滑移失稳，此时由于水平应力的挤压作用，正应力持续增大，代表能量逐渐积聚，而剪应力随断层滑移错动开始呈下降趋势。另外，当断层出现滑动时伴随着正应力的急剧下降和剪应力的突然增加，此时能量开始释放，正应力的减小会导致断层表面剪切强度的降低，从而加速了严重的断层滑移。随着工作面向断层方向推进，断层相对滑移量逐渐增加，最大位移量出现的位置也开始向下部转移，直到断层滑移失稳造成断层区域围岩的破坏，此时正应力和剪应力均处于较小值。因此，可以将应力场的正剪分化现象视为断层滑移的前兆特征。

图27 工作面回采期间断层中部区域正应力和剪应力变化及相对应的断层滑移情况

为进一步解释断层中部发生剧烈相对滑动的现象，根据探地雷达监测到的物理模型前、后两侧的电磁波幅值差值，得出开采过程中断层中部区域振幅衰减变化，如图28所示。煤层开采过程中，正应力和剪应力开始发生分化现象时，振幅衰减量从极小值开始增长并随之保持稳定。在这个过程中，断层附近围岩中有大量裂隙产生并扩展，正应力和剪应力的急剧变化同时也说明了断层由局部滑动演化为整体滑动。以上从岩石损伤破坏程度的角度验证了应力场正剪分化现象作为断层滑移前兆信息的正确性。

图28 开采过程中断层面正应力、剪应力曲线及相应位置的振幅衰减变化

断层失稳诱冲的能量场激增特征

声发射技术能够监测到能量场在煤层开采过程中的释放情况，从而判断断层滑移破坏程度。

如图29所示，声发射事件数在工作面推进过程中出现多次激增，分别是断层加载初期、临近距断层开采和到达断层处开采时。断层结构释放的能量主要聚集在断层与上覆厚层顶板交界处的中部区域，这与断层最大滑动位移和剪应力最大值出现位置近似，同断层结构势能计算结果基本一致。

图29 工作面开采事件数分布

此外，声发射事件在激增前会出现事件缺失的现象，与工程监测结果基本一致。以河南义马矿区的重大冲击地压案为例。图30给出了2011年义马矿区千秋煤矿和2010年跃进煤矿的电磁辐射强度和支架阻力的监测结果。电磁辐射强度和支架阻力值呈现基本一致的增大与减小循环变化特征，表明冲击地压发生前断层和上覆岩层积聚了大量变形能，而电磁辐射强度和支架阻力突降说明大量应变能开始释放，证实了断层结构滑移失稳时能量场的激增现象。图31为2011年义马矿区千秋煤矿监测到的微震事件频次与能量释放随时间变化的现场监测结果。监测结果中存在微震事件的缺失现象，并且对应时间段的微震事件频次也会相对较低，此时能量处于积聚而未释放的状态，与本文断层结构势能计算结果基本一致。

图30 千秋煤矿和跃进煤矿电磁辐射强度和支架阻力变化曲线

图31 千秋煤矿微震能量及频次累计情况

断层滑移失稳过程中能量场变化与应力场、位移场紧密相关，图32和33分别给出了断层面声发射事件与位移场、应力场之间的变化关系。研究表明，断层面上的滑移并非时时刻刻在发生的，只有在滑移较为严重并释放大量能量时才可捕捉到声发射事件。而上覆岩层突然垮落或断层发生严重滑移之前，岩层中裂缝较少，声发射事件也相对稳定，此时能量场处于一直积聚的状态。因此，根据位移场缓急突变和能量场激增现象先后出现，可将声发射事件急剧增加前的恒定不变阶段视为断层滑移的前兆信息。

图32 煤层开采过程中声发射事件和最大断层位移的综合分析

图33 断层面上剪应力和声发射事件数之间的联系

根据断层面声发射事件与应力场的变化关系可知，当工作面开采至断层附近时，断层声发射事件数激增，此时断层面剪应力出现逐步降低后陡然增加的现象，断层面即将发生滑动。当工作面开采至断层处，应力降至最小值，声发射事件数再次激增，断层滑移失稳并释放出大量的能量。因此，断层面应力在逐步降低的过程中陡然增加和声发射事件数恒定不变时突然激增的特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。此外，从上述结果中可以发现，能量场的激增现象一般滞后于位移场的突变现象和应力场的分化现象。

综上可知，断层的滑动失稳过程中位移场的缓急突变，应力场的正剪分化以及能量场的激增滞后出现的位置基本一致，断层面最大位移量代表断层出现严重滑移破坏，应力场正剪分化现象是断层的滑移错动造成的异常响应，并且伴随着大量积聚的应变能瞬间释放，以上结果均表明了断层结构在开采扰动影响下多物理场的互馈关系。

4.2 断层结构失稳诱发冲击地压的力学机理

断层滑移失稳滑动危险性判别

断层滑移失稳滑动危险性主要与断层构造有关，尤其是断层构造的几何形态对滑移失稳具有一定的影响作用。比如，断层切向刚度主要控制着断层剪切变形滑移，随着断层切向刚度的增加，剪应力值变化越明显，断层滑移危险性越高。落差与断层正应力呈正相关关系，落差越大，正应力越大，断层更易发生滑移失稳。另外，断层倾角不仅代表了断层的倾斜程度，描述了断层的大致形态和走向，还是影响断层滑移失稳的一个重要指标。

为考察断层构造的倾角与断层滑移失稳的关系，图34给出了不同断层倾角作用下位移场的变化。研究发现，断层相对位移在开采后期突变随倾角增大而越发明显，尤其是倾角为75°时。开采初期释放能量较少代表了应变能在持续积聚，此时断层结构面相对位移几乎为0，并且随着工作面推进呈现缓慢增长趋势。当工作面临近断层开采时，大量应变能的突然释放导致断层面相对位移的急剧增加，最终造成严重的断层滑移失稳。

图34 不同断层倾角模型的断层附近上覆岩层相对位移变化

为进一步解释采动过程中倾角变化对断层结构相对位移的影响，提出了断层滑移危险性的判别条件。图35给出了断层面不同位置相对位移的变化情况。断层面底部区域相对位移值较大，且断层的相对位移随倾角变化逐渐减小甚至趋近于0，表明断层上、下盘由于强挤压作用下弹性应变能处于长期积聚而未释放的状态。断层的倾角越大，出现挤压应变积聚的区域范围越大，断层滑移失稳时瞬时释放的能量越多，诱发冲击地压的危险性越高。因此，当断层倾角较大时，来自水平侧向压力和上覆岩层下沉压力作用越显著，断层结构处应力集中和能量积聚越明显，断层滑动更加剧烈，发生冲击地压的危险性越高。

图35 煤层开采过程中不同断层倾角断层附近上覆岩层的相对位移

高应力环境下断层构造失稳诱冲机理

复杂多变的地质因素对断层面应力场演化和滑移量突变具有重要的影响作用，尤其是水平构造应力对断层的挤压作用。在水平构造应力作用下，随着采空区范围增大，断层上下盘的相对滑动在一定程度上稳步释放了水平构造应力挤压积聚的应变能。图36为断层滑移量和滑移速率(每计算100步作为单位时间)随工作面向断层方向推进的变化情况，发现在临近断层面开采时，滑移速率绝对值突增和滑移量陡增，此时断层滑移危险极高。

图36 断层滑移量及滑移速率

为进一步研究水平构造应力对断层滑移失稳的影响，图37给出了不同水平侧压系数作用下应力场的演化特征。当侧压系数>1.0时，断层下段的正应力值较大，剪应力极大值也处于较高水平，此时上盘与下盘之间挤压力明显，为逆断层的形成创造了压力条件。对于侧压系数<1.0的情况，正应力在断层上段随侧压系数的减小而增大，下段应力水平相对较低，有利于正断层的形成。因此，笔者初步给出了正、逆断层形成的力学基本条件，但对于断层形成的力学机制还需进一步的研究和推导。

图37 不同侧压系数下断层面正应力和剪应力的变化

断层构造和上覆厚层顶板耦合诱冲机理

断层构造和上覆厚层顶板赋存的复杂地质环境中，在采动应力影响作用下，岩层运移和断层滑移相互作用增加了冲击地压发生的可能性。由于坚硬顶板的厚度和强度相较于煤层很大，当岩层发生下沉或垮落现象，采场发生冲击破坏的危险性更高。

根据前文可知，上覆岩层运移与断层滑移失稳两者存在相互作用的关系。上覆岩层挤压断层产生滑动，而断层的滑移又作用于上覆岩层致使其大范围运动甚至垮落，二者的联合作用很可能会诱发冲击地压。图38给出了义马矿区冲击地压成因示意。逆冲断层作为地质环境中的最不稳定的因素，不仅反转了煤层方向，并且在其成型期间积累了巨大的应变能，在开采扰动下断层积聚的应变能会在短时间内突然释放。由于上覆厚层顶板对煤层产生高强度的动压力，导致能量场在上覆岩层与断层构造的交界处出现激增滞后的异常现象。因此，煤田高水平原岩应力为上覆岩层运移和断层的活化创造了有利条件，综合以上多因素耦合作用诱发冲击动力灾害。

图38 义马矿区冲击地压成因示意

此外，根据探地雷达监测到未破坏砾岩的低波速带可知，如图39所示。由于未受破坏岩层可以保护断层不受开采扰动和顶板垮落破坏的影响，断层在开采前期存在稳定阶段。当岩层发生沉降和分离时释放了大量的应变能，从而加速了未破坏岩层与断层构造相互影响区域的相对滑动。当上覆岩层坍塌或失稳时，反而会进一步引起更加剧烈的断层相对滑动导致冲击地压的发生。上述研究结果说明，在复杂断层构造赋存、高水平原岩应力环境和开采扰动条件下，上覆岩层运动与断层滑移的耦合作用是断层发生滑移失稳的重要原因。

图39 煤层开采过程中雷达探测结果及岩层位移矢量

5 结论与展望

(1)在开采扰动下，断层面相对滑动位移最早出现在断层顶部并逐渐向下发展，且由缓慢滑动变化为突然急剧滑移的非线性动态失稳过程，最后在断层结构面和上覆厚层顶板交界的中部区域发生最大相对滑动位移。断层面上不同位置应力分布各异，且正应力变化相比剪应力更为剧烈，尤其是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，并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。断层失稳前，结构势能处于不断积聚而未释放的状态，断层失稳后，结构势能出现由几乎为零转为突然激增的现象。

(2)断层结构面和上覆厚层顶板的交界区域出现的最大滑动静摩擦向滑动失稳摩擦的转换，是断层面位移场突变和应力场分化的时刻，也是断层结构势能从零到激增的时刻。因此，断层面位移场缓急突变、应力场正剪分化以及能量场激增滞后的现象均可视为断层滑移失稳的前兆特征。

(3)在复杂断层构造赋存、高水平原岩应力环境以及开采扰动条件下，由于断层附近厚层顶板下沉运动和垮落破坏的影响，加剧了断层的活化和滑移失稳程度，导致断层结构面和厚层顶板的交界区域出现了由滑动静摩擦转为剧烈动态摩擦的现象。断层最大位移量的出现预示着断层的严重失稳，释放该区域积聚的大量应变能，从而诱发冲击地压灾害。

(4)该研究是对煤矿复杂地质构造赋存环境下冲击地压发生机理和断层构造失稳的多物理场前兆特征的研究探索。断层失稳过程中，断层滑动面及周边围岩的几何结构和温度场也应有相应的变化，本文的成果为这一方向研究打下理论基础，同时为冲击地压的预测和防治提供理论支撑。