张丁丁分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013018-1张丁丁，李淑军，张曦，等.分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013018.ZHANGDingding，LIShujun，ZHANGXi，et，al.Experimentalstudyonminingfaultactivationcharacteristicsbyadistributedopticalfibersystem[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013018.分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究张丁丁1,2，李淑军1，张曦1，杨玉玉1，柴敬1,2(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2.西安科技大学教育部西部矿井开采与防治重点实验室，陕西西安710054)摘要：为了研究采动影响下断层活化规律，利用分布式光纤传感技术对工作面推进过程中断层面的应力状态进行监测。采用物理相似模型模拟工作面从上、下盘向断层推进的过程，制作2个岩性参数和断层构造相同、推进方向相反的相似材料模型，模型中埋入垂直、倾斜传感光纤，获得了断层面的应力变化、采场覆岩变形以及断层相对滑移实验数据。实验结果表明，工作面从下盘向断层推进时，引起断层面的附加剪应力集中程度远大于工作面上盘推进时，约为上盘推进时的2.2倍；断层面上部岩层先于下部受到工作面采动影响；下盘推进先于上盘推进发生断层活化失稳危险，断层活化失稳危险性最高时工作面与断层距离约为上盘推进时的1.8倍。利用分布式光纤传感技术验证了相比上盘推进，下盘推进时采动影响下断层更易活化的理论推理。断层区域工作面优先布置在上盘，有利于矿压控制，保证安全高效开采。关键字：正断层；分布式光纤传感；相似模拟实验；覆岩运动；活化中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3018-09ExperimentalstudyonminingfaultactivationcharacteristicsbyadistributedopticalfibersystemZHANGDingding，LIShujun，ZHANGXi，YANGYuyu，CHAIJing(1.SchoolofEnergyScienceandEngineering，Xi'anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an710054，China；2.KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPreventionofMinistryofEducation，Xi'anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an710054，China)Abstract：Inordertostudythelawoffaultactivationinfluencedbymining，theBrillouinOpticalTime-DomainAnalysis(BOTDA)wasappliedtomonitorthestressstateofthefaultplaneoftheworkingfacepropulsionprocess.Thephysicalsimilaritymodelwasusedtosimulatetheprocessofminingtheworkingfacefromthehangingwallandthefootwalltothefault.Twosimilarmaterialmodelswiththesamelithologyparametersandfaultstructurebutoppositeminingdirectionwereproduced.Verticalandinclinedsensingopticalfiberswereembeddedineachmodel.Thestressvariationofthefaultplane，theoverburdendeformationofthestopeandtherelativeslipofthefaultwereobtained.Theexperimentalresultsshowedthatwhentheworkingfacewaspushedfromthefootwalltothefault，theadditionalshearstressconcentrationofthefaultplanewouldbemuchgreaterthanthattheonepushedfromthehangingwalltothefault，whichwasabout2.2timesthatofthehangingwall.Theupperstrataofthefaultplanewere收稿日期：2019-02-28修回日期：2019-05-10责任编辑：李青基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174280，51804244)；陕西省教育厅科学研究计划资助项目(16JK1488)；陕西省创新能力支撑计划资助项目(2018TD-038)作者简介：张丁丁(1987—)，男，山东济南人，讲师，博士。E-mail：[e-mail]通信作者：柴敬(1964—)，男，宁夏平罗人，教授，博士生导师。E-mail：[e-mail]张丁丁等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013018013018-2affectedbyminingbeforethelowerstrata.Theriskoffaultactivationinstabilityoccurswhenthefootwalladvancesbeforethehangingwall.Whentheriskoffaultactivationinstabilitygottothehighestpoint，thedistancebetweenworkingfaceandfaultwasabout1.8timesthatofthehangingwall.TheBOTDAwasappliedinfirsttimetoverifythetheoreticalreasoningthatthefaultinfluencedbyminingfromthefootwallismoresusceptibletoactivate.Theworkingfaceofthefaultareaispreferentiallyplacedonthehangingwall，whichisbeneficialforminepressurecontrolandensuringsafeandefficientmining.Keywords：normalfault；distributedopticalfibersensing；similaritysimulationexperiment；overlyingstratamove-ment；activation煤岩体断层引起的冲击地压是指由于煤矿开采活动引起断层上盘和下盘的突然相对错动而猛烈释放能量的现象，具有释放能量多、震级高等特点，已成为世界采矿重大地质灾害之一，影响地下矿产资源的安全高效开采-。断层活化是导致断层区域煤岩系统结构失稳而诱发冲击地压，以及矿井突水、顶板事故、煤与瓦斯突出等伴生灾害的重要诱因-。研究断层错动型冲击地压发生的机理和活化特征具有重要的理论意义。国内外学者对采动诱发断层活化失稳机理进行了大量研究，潘一山等建立扰动响应稳定性判别准则，通过黏滑失稳模型，证实了断层冲击地压的间歇性；姜耀东等通过构建库仑剪切模型，分析了不同煤矿开采方式条件下的断层活化危险程度；林远东等将梯度塑性理论引入断层带模型，通过定义“断层带等效剪切刚度”给出了断层活化判据；宋义敏等通过双轴加载方式对一种花岗闪长岩进行直剪摩擦滑动实验，得出侧向压力对断层活化滑移有重要影响；王存文等从构造形成机制的角度对构造区的应力环境进行分析，得出断层构造应力与采动应力叠加会诱发冲击地压灾害；JIHG等针对断层下盘工作面平行和垂直于断层，通过数值模拟研究了断层附近应力的变化特征；M.ALBER等利用二维有限元手段，分析了开挖位置与断层切向位移增量的关系；王涛等通过数值模拟研究了不同推进方式下断层两盘接触应力状态的演化过程；赵毅鑫等采用数值模拟及岩石力学的方法研究了逆断层下盘工作面向断层的开采过程；李志华等运用相似模拟试验及数值模拟，研究了断层面滑移失稳对冲击地压的影响。目前对断层应力应变分布规律的研究以数值模拟为主，而边界条件和本构模型的选取影响数值模拟的准确性。物理模型实验能够直观反映围岩与工程体的相互作用过程，分布式光纤传感技术可以对外界的应变、应力等参数的变化做出及时响应，并且光纤本身具有耐久性好、高敏、可实现内部应力应变测量等优点，广泛应用于各个领域。柴敬等将BOTDA分布式光纤传感技术应用于三维立体模型试验监测，提出了分布式光纤频移平均变化度的概念，得出光纤频移平均变化度可以反映工作面上覆岩层变形、来压及其变化情况；毛江鸿将BOTDA技术应用于隧道结构健康检测，得出分布式光纤对隧道异常的变形可以作出及时响应；张丹等将BOTDA分布式光纤传感技术用于淮南矿区某工作面覆岩变形监测，揭示覆岩变形与破坏规律并得到垮落带和裂隙带发育高度。应用分布式光纤传感技术能实现实时、大范围、全分布式监测。本文通过相似材料模型实验，以光纤传感监测技术作为主要监测手段，研究正断层条件下不同推进方式下采场上覆岩层运动、断层运动的共同演化特征以及二者之间的相互作用机制，对不同推进方式下引起的断层活化特征进行分析。1采动影响下断层失稳机制煤层未开采前，断层上下盘岩体处于平衡状态；开采后，地应力及开采扰动应力叠加条件下，断层面产生附加剪应力，当工作面与断层距离较远时，断层受采动影响较弱，附加剪应力小，此时断层上盘和下盘岩体的应力值在峰值强度以内，处于稳定状态；随着工作面逐渐靠近断层，上覆岩层裂隙发育导致承载能力降低，载荷向周围岩体转移，断层附加剪应力增大；当工作面开采到某一位置时，总应力大于峰值强度，断层变为非稳定状态，断层将失稳发生活化。工作面开采方向与断层倾向之间的关系可以张丁丁等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013018013018-3分为两种，一种是工作面位于下盘向断层推进；另一种是工作面位于上盘向断层推进，断层影响区顶板平衡结构力学模型如图1所示。TyFxFyFFFxFFTOFO断层面FFF上盘回采断层面FF下盘回采OF(a)工作面位于下盘向断层推进(b)工作面位于上盘向断层推进θθθθABAB图1岩块平衡结构力学模型Fig.1Mechanicsmodelofrock-massbalancestructure(1)工作面位于下盘向断层推进工作面位于下盘向断层推进时，采动覆岩载荷影响下，下盘岩块B受水平力F和垂直力F。垂直断层面法向力T与沿断层面方向剪切力F为hvhhvcossinsincosTFFFFFdowndown(1)工作面下盘开采断层平衡条件为hvhvhvvh(cossin)tansincossin()cos()/tan()FFFFFFFF!(2)(2)工作面位于上盘向断层推进工作面位于上盘向断层推进时，上盘岩块A垂直断层