矿震动载下断层滑移失稳特征及前兆信息研究

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断层分布区域的巷道具有明显的不稳定性。当煤矿巷道受到矿震扰动时,更加容易诱发断层滑移失稳,导致巷道严重破坏。本文围绕矿震动载下断层滑移失稳特征及前兆信息,采用室内试验、离散元数值模拟、现场监测等手段,从应力、位移、裂缝、能量、声发射、微震等角度,对矿震动载下断层滑移失稳特征及前兆信息进行了研究。得到的研究成果如下:(1)采用室内动静载组合结构面直剪试验研究了法向静载、法向动载幅值、法向动载频率对结构面剪切滑移失稳的影响,揭示动载下结构面滑移失稳的机制。研究发现法向动载频率会引起剪切应力对法向动载的响应不及时,频率增加,剪切应力峰-谷值响应率减小,呈现出高频率低振幅的状态,引发上下盘试样间的相互作用,使试样产生微破裂或破坏。结构面解锁滑移与闭锁的交替频率增加,通过对剪切速度傅里叶变换,发现剪切速度的振动主频与法向动载频率完全一致,且当法向动载频率为0.1Hz时,法向动载频率对剪切速度振动主频的影响较小。法向动载幅值增加,低于法向应力中值的范围增大,会引起剪切应力范围增大,剪切应力中值减小,试样易发生解锁滑移,导致结构面抗剪性能减弱。动载作用下存在剪切应力滞后现象,剪切应力在一定量的剪切位移后达到峰值剪切强度,调动最大剪应力所需的剪切位移随着法向荷载的增加而增加。(2)利用离散元软件UDEC,从应力、位移、裂缝等角度研究了矿震动载的作用机制,矿震动载扰动下不同断层位置与近震断层弱化对巷道变形破坏的影响,揭示了矿震扰动下断层滑移失稳特征。研究发现矿震幅值越大,参与到煤岩体结构破坏的能量越多,巷道破坏越严重。巷道围岩的位移场、应力松弛区及裂缝扩展区之间存在耦合关系。当断层处于巷道断面的不同位置时,在矿震扰动下会引起巷道围岩不同程度的不均匀沉降以及净空收敛的原因主要分为三点:(1)矿震诱发的断层滑动;(2)矿震波经过断层位置的衰减和反射;(3)矿震引起的断层共振作用。巷道围岩会沿着断层面向巷道内侧滑移,释放应力集中和积聚的能量,其中,位移量、破坏范围、应力松弛区受断层的力学参数的控制。当断层弱化后,断层面附近的岩体更容易沿着断层面发生滑移失稳,导致巷道围岩发生沉降和净空收敛。(3)利用应力、位移、声发射、裂缝、能量、微震等监测指标从室内试验、数值模拟、工程现场三个层面进行了分析,揭示了矿震动载下断层滑移失稳的前兆信息。研究发现在矿震动载扰动下断层面闭锁与解锁滑移现象伴随着剪切位移的抑制与释放,断层面的短期位移抑制则代表断层面滑移失稳前兆;锯齿状断层面的滑移失稳表现为当法向动载增加时上盘闭锁,上下盘锯齿切向应力对抗引起锯齿损伤破坏,同时伴随着能量与振铃计数的突跳,法向动载减小时上盘解锁滑移,能量与振铃计数的增加可代表断层面的滑移前兆。当煤矿巷道附近断层发生滑移时,会伴随着大量裂缝的扩展和高能量的突然性释放,因此会产生大能量的微震事件。赵楼煤矿7301综放工作面实测得到的b值、A(b)值、缺震等微震指标以及随着工作面向F15断层面方向的推进,矿震发生频次和能量明显增加,微震事件分布主要集中在F15断层附近是对以上断层滑移前兆的验证。
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