地下空间采挖活动引发地质断层扰动的理论与数值模拟研究

地下空间采挖活动引发地质断层扰动的理论与数值模拟研
究
摘要：本文引入地震力学中库仑破裂应力变化的概念，对断层扰动的形成机制进行理论分析，认为采挖扰动引起断层附近应力场变化，可能使断层面更加稳定，也可能使断层面因失稳而产生活动，引发人为地震。

这项工作为地震力学应用于地下工程建设活动灾害研究提供了一些思路。

关键词: 断层；库仑破裂应力变化
abstract: this paper introduces the earthquake mechanics coulomb rupture of the stress variation in the concept of the fault of the disturbance of formation mechanism is analyzed theoretically, the excavation of disturbance that caused by fault nearby stress field changes, may make fault plane is more stable, may also make fault plane for instability and produce activity, cause artificial earthquake. the work for the earthquake mechanics application in underground engineering construction activities disasters research provides some ideas.
keywords:fault; coulomb rupture stress changes
中图分类号：o741+.2文献标识码：a 文章编号：
随着经济的发展，人们越来越依赖于在地下空间寻求生产生活
资料，特别是矿产资源。

在这个过程中伴随出现了诸多地质灾害，与断层相关的冲击地压就是普遍的一种。

由于冲击地压震源较浅，相对天然地震来说，往往较小的震级会造成较大的烈度，对地面城市建筑、生产生活设施会造成很大的威胁。

目前在北票、开滦、北京门头沟都发生过断层冲击地压[1]。

本文引入地震学中应力触发理论，对断层如何引起这些灾害的发生进行探讨。

1断层冲击地压
断层冲击地压，又称矿震，是指由于采矿活动引起断层的突然相对错动而猛烈释放能量的现象[2]。

其特点是释放能量多、震级高。

对于断层型矿震的发生机理，国内外已有相关人士进行研究。

宋建潮等曾提出用弹性回弹理论对震动产生原因来解释断层型矿
震的发生。

他认为断层的活化过程是一种循序渐进、连续的、不易为人类所观察到的过程，称之为“断层蠕动”效应[3]。

这种效应是由断层两盘的微小错动形成的，而在这一过程中两盘之间聚集了增大的剪切应力，而岩石的扭曲变形也聚集了大量的弹性应变能，当剪切应力超过岩石的物理力学性质时，岩石破坏回弹，同时释放弹性应变能，产生振动。

潘一山等提出了断层冲击地压的粘滑模型，用来解释同一采区同一断层面多次发生断层冲击地压的现象。

各种研究理论均有一个共识：引发断层冲击地压的直接原因就是开采开挖活动。

作者认为可以把它看成在采动影响下断层和围岩组成系统的失稳问题。

因此开采对断层应力场的影响是首要考虑因素。

本文将利用应力触发理论对这一影响进行阐述。

2库仑破裂应力变化
地震应力触发理论指出，前一次地震的产生的应力变化张量投影到后续地震的断层面上，得到库仑破裂应力变化这个参数（），如果库仑应力变化为正，即其方向与断层面滑动方向相同，则地震有可能被触发，相反如果库仑应力变化为负，其方向与断层面滑动方向相反，则会对断层的破裂起抑制作用。

[4]
运用库仑定则，断层面上的库仑破裂应力变化为：
(1)
式中的、为这些事件产生的应力变化张量在断层面上的投影，为这些事件导致的孔隙流体压力变化。

为了简化孔隙压力变化的影响，假定介质为各向同性均匀介质，则产生静态应力变化之后、流体自由流动之前，流体压力变化和膨胀应力变化有如下关系：
(2)
这里，为依赖于岩石体膨胀系数和流体所占体积比例的常数，人们常用的取值范围0.7~1，为应力变化张量的对角元素之和。

如果假定断层处比周围岩石更具有延展性，则 , ，并假定，，可以得到
(3)
称为视摩擦系数，包括了孔隙流体和断层面上的介质特性，通常视为常数。

3开采开挖引起断层冲击地压的失稳
开采开挖不同于地震，是个渐进的过程，岩体的变形和应力场
的改变也是逐步变化的，因此在熟悉断层状态的情况下进行应力变化监测，并减小断层冲击地压的发生概率是可行的。

而开采与地震的相同点是都会影响断层应力场，都会产生断层面上附加剪应力和正应力。

下图为某一单元断层面：
对于断层中任一单元，假设滑块初始剪应力为，断层单元的极限抗剪强度为，开采过程中的库仑破裂应力变化为，根据库仑扰动的定义结合材料的破裂准则，可以得到用库仑扰动应力增量表示的断层滑动失稳条件判据：
(4)
当断层单元所受的滑动应力，超过断层岩体的极限抗剪强度时，该处岩体单元将会发生局部滑动破裂。

若发生破坏的断层岩体单元达到一定范围，就可能引起整个断层的滑动破坏。

由此可见，若的总体水平小于0，则断层会更加稳定，若的总体水平大于0，则断层有滑动的趋势和破坏的危险性，其临界值为。

笔者使用数值模拟试验的方法建立模型，对开采过程进行模拟，通过开采的模拟实验，发现在开采推进过程中，危险区域面积先增大后微量减小，表明最危险的时刻并不在开采到临近断层时；震源位置一般在煤层以下。

4结语
本文结合地震力学分析方法对这一问题进行探讨，认为库仑破裂应力变化概念的引入是合理的。

通过开采的模拟实验以及在一些
实际监测中显现，大规模断层附近的小规模开采并不会引发破坏性矿震，因此对于开采引发断层冲击地压存在尺寸效应。

本文引入了相关概念，但在判断准则定量化、模型建立精细化方面还有很多工作要深入进行。

参考文献
[1] 徐东强. 断层冲击地压发生机制及声发射特性[j]. 黄金，2000，21（6）：25.
[2] 潘一山, 王来贵, 章梦涛, 等. 断层冲击地压发生的理论与试验研究[j].岩石力学与工程学报，1998，17（6）：642～ 649
[3] 宋建潮, 刘大用, 王恩德, 等. 断层型矿震成因机理及预测方法研究[j].矿业工程，2007，5（3）：16
[4] 万永革, 吴忠良, 周公威, 等. 地震应力触发研究[j]. 地震学报，2002，24（5）：533～551
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