逆冲断层卸载失稳机理研究

张宁博^1,2,3,4，赵善坤^2,3,4，赵阳^2,3,4，王寅^2,3,4，秦凯^2,3,4，李云鹏^2,3,4，姜黎明^2,3,4

1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院2. 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院3. 煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室4. 北京市煤矿安全工程技术研究中心

摘 要：逆冲断层失稳诱发的冲击地压严重威胁着煤矿的安全,但目前采动条件下逆冲断层的失稳机理仍不清楚,使得断层冲击地压防治工作缺乏科学指导。为探索逆冲断层卸载失稳机理,基于典型逆冲断层控制型矿区的工程地质概况,分析了逆冲断层冲击地压的显现特征;采用相似模拟和数值模拟手段,研究了开采扰动引起的逆冲断层卸荷效应,阐明了义马矿区逆冲断层卸载失稳的模式及过程;通过实验室实验方法,揭示了单侧卸载过程中逆冲断层失稳瞬态的位移场时空演化规律,建立了断层卸载失稳的力学模型,阐释了断层失稳瞬间的黏滑过程。研究结果表明:随着开采范围与F16断层距离的减小,断层冲击地压危险性显著增大,冲击地压所释放能量急剧增高;采动引起逆冲断层产生卸荷效应,即开采扰动使得断层带新裂纹萌生并局部离层,断层带上交错出现应力集中区和应力减弱区,断层上段出现逆时针滑移,而下段顺时针滑移;卸荷效应导致断层失稳的过程可分为线性稳态（I）、非线性稳态（II）、亚失稳（III）和失稳（IV）4个阶段;断层卸载失稳瞬间正应变和剪应变总体上呈突降-突增-降低至稳定的变化趋势,且相对于中部和下部,断层上部滑移位移受卸载扰动影响较大;断层卸载失稳瞬间的能量传递过程为:震源单元-围岩杆单元-相邻围岩杆单元-相邻断层带单元等,其黏滑失稳是一系列单元连锁失稳构成的综合结果。通过本文研究,对逆冲断层卸载失稳的机理形成了新的认识,包括卸载失稳模式、失稳过程、失稳瞬态的能量传递等。

关键词：逆冲断层;单侧卸载;力学模型;冲击地压;