深部开采断层活化-失稳滑动演变规律及其对冲击地压诱导机制

Based on Yima, Fushun, Fuxin and Datong mine area of coal bumps, the distribution characteristics of microseismic activities and the law of nolinear dissipated energy near faults was studied by the methods combined with field monitoring, numerical simulation, similarity simulation experiment and theoretical analysis. Both the precursor characteristics and the law of fault activation under the influence of mining are revealed. The spatio-temporal variation law of normal stress, shear stress and fault displacement was obtained by similarity simulation experiment in the process of unstable sliding. The dynamic evolution law of "fault activation-accelerated destruction-instability of fault slip" was revealed. And mechanics model of fault slip beginning was established. The response characteristics of the stress field and displacement field of surrounding rock was obtained in the transient of fault instability. The impact effect to the stope is revealed in the transient of fault instability. The key technology of numerical simulation based on 3d complex geological model is realized. Influence law of coal bumps induced by mining and faults coupling is studied. Induction mechanism and evolution law of fault activation-unstable sliding is discussed. It is widely believed that this research project has a scientific significance for the prediction and prevention of coal bumps.

以义马、抚顺、阜新、大同等典型冲击地压矿区为依托，采用现场监测、数值模拟、相似模拟实验和理论分析相结合的方法，研究采动影响下断层带微震事件的时空分布特征及非线性释能规律，分析采动影响下断层活化规律及前兆特征。研究断层滑动失稳前后断层面正、剪应力场及断层滑移时空变化规律；研究“断层活化-加速破坏-失稳滑动”的动态演变规律，构建断层滑动启动力学模型与断层失稳滑动判别准则；研究断层失稳瞬态采场应力场、围岩位移场等参量响应特征，分析失稳瞬态断层滑动对采场的冲击效应。基于三维复杂地质体模型的有限差分数值模拟关键技术，研究精细化断层构造和开采叠加作用对煤岩冲击失稳的影响规律。探索深部开采断层活化-失稳滑动演变规律及其对冲击地压诱导机制，为冲击地压的预测防治提供理论基础，具有重大的科学意义。

以典型冲击地压矿井为工程依托，基于断层形成机制构建了断层面为圆弧形的逆断层力学模型，得到了逆断层两盘原岩应力分布规律，提出了圆弧形态的逆断层附近冲击地压发生的地质力学原理，获得了断层滑动启动的危险区域；开展了相似模拟实验研究，利用数字散斑技术分析了上覆岩层运动与断层活化-失稳滑移过程的演化规律，通过应力监测研究了临近断层开采断层活化-失稳前后断层面正、剪应力与煤体应力的瞬态变化规律，揭示了工作面煤体发生冲击的演变过程；建立了巨厚坚硬顶板条件下逆断层的简化数值模型，研究了不同断层倾角、不同落差、距断层不同开采距离等条件下的工作面前方支承压力、能量场、顶板下沉量、断层面正应力、剪应力及滑移量等诱冲因素对冲击地压的基本作用规律；基于AUTOCAD平台开发了三维地质数字化信息系统，自动生成了煤层底板等值线、坚硬岩层等厚线、煤层厚薄变化带等，统计分析了冲击地压频发区域的地质共性特征；构建了义马千秋矿复杂三维地质模型，提出了转化为三维精细数值模型的关键技术，实现了三维地质模型的FLAC3D数值模型快速转化；提出了一种地应力反演的数值模拟方法，模拟分析了逐渐临近逆冲大断层开采断层面正、剪应力与滑移量的变化规律，研究了断层面滑移与采场应力场、弹性应变能的相互影响关系，揭示了义马千秋矿逆冲大断层附近冲击地压发生机制；提出了临近断层开采冲击地压演化模式，依据临近断层开采过程中的采场煤体所受载荷作用效果的不同，将断层诱发的冲击地压分为构造应力模式、断层活化模式与断层失稳滑动模式；此外，通过室内与现场实验，研究了冲击动力破坏前后电荷、电磁、微震与一般矿压等多参量的变化规律，提出了煤体变形破坏的感应电荷评价指标，提出了微震预警冲击地压的时间序列方法，获取了冲击地压微震释能、高能事件时空分布、电磁辐射强度与支架阻力的冲击地压前兆特征，基于煤岩统一失稳理论提出了冲击地压多尺度多参量层次化监测方法，掌握了高地应力条件下高压空气爆破致裂煤体卸压解危关键技术。该项目的研究成果对冲击地压的监测预警与防治具有重要的科学意义。