我国煤矿冲击地压事故多发，并且断层滑移型冲击地压占比高、规模大、危害重，其发生机理与灾变防控成为矿井安全生产亟待突破的关键科学问题。由于断层滑移型冲击地压的复杂性、突发性和破坏性，开展有效的现场试验研究十分困难，且国内外尚无对其进行真实模拟的室内试验设备，导致上述关键科学问题难以突破。依托国家重大科研仪器研制项目“煤矿巷道断层滑移型冲击地压模拟试验系统”(51927807)，成功研制了煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统，系统具备三向六面加载功能，模型尺寸为1.50 m×0.75 m×0.75 m，加载能力为20 MPa；主体框架创新采用键板连接，确保了主体框架的高刚度；发明了蜂窝加载壳结构，实现了密集油缸群加载。开发了适用于断层滑移型冲击地压模拟的低强高脆相似材料，材料以水玻璃为胶结物、以氟硅酸钠为固化剂、以滑石粉为骨料，单轴抗压强度介于3.44～7.81 MPa，冲击能指数为9.2，弹性能指数为8.83。基于试验系统和低强高脆相似材料实现了煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验模拟，还原再现了“断层滑移产生震动波—震动波传播—震动波诱发巷道冲击破坏”断层滑移型冲击地压全过程。试验系统填补了国内外实验室模拟断层滑移型冲击地压机理与冲击灾变规律研究的试验仪器空白，为系统揭示煤矿巷道断层滑移型冲击地压发生机理、建立灾害预警防控体系提供了具有我国自主知识产权的重大科学仪器和公共研究平台。
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煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与试验验证
冲击地压已成为我国煤矿的第一大灾害，煤矿冲击地压一般可分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层滑移型等3种基本类型。断层滑移型冲击地压是指由于采矿活动导致断层滑移释放能量，能量以震动波的形式传递到巷道，引起巷道大范围动力破坏的现象，释放能量多、震级高是其显著特点，并且冲击破坏部位往往与断层滑移区距离较远。近些年，山东龙郓煤业、河南义马千秋煤矿、辽宁孙家湾煤矿均发生了由断层滑移型冲击地压引发的重大事故，社会影响恶劣，因此，亟需加强对断层滑移型冲击地压的研究。
煤矿中断层滑移一般由开采活动引起，大量研究聚焦于断层滑移与开采活动的关系，证实断层上盘与断层下盘开采均能诱发断层滑移。蔡武等、李振雷等通过建立断层解锁力学模型，提出了开采诱发断层滑移的概念模型。李志华等研究了断层上盘与下盘开采诱发断层活化过程，发现断层下盘开采导致断层面剪应力相对增加、正应力相对减小，并且指出断层下盘开采时断层更易滑移。谭云亮等解释了逆断层的冲击释能机制，指出断层下盘开采卸荷导致断层上盘回弹，从而释放出能量巨大的应力波。王宏伟等、王爱文等、张科学等、张宁博等采用相似模拟方法还原再现了断层下盘开采诱发断层滑移的过程。王涛等、吕进国等采用相似模拟方法分析了断层上盘开采引起断层活化的机制，发现断层上盘开采时断层面应力变化相对复杂。王晓卿等采用离散元模拟方法建立了具有岩桥锁固结构的断层模型，研究了断层上盘开采诱发锁固断层滑移的模式与机制。基于大量断层滑移研究，断层滑移诱发冲击地压机制被归结为2种，一种认为断层构造应力与采动应力形成的叠加应力超出断层煤柱的承载强度导致断层煤柱发生冲击破坏；另一种机制认为，断层构造应力和采动应力形成的叠加应力虽然不足以使煤柱冲击，但叠加应力促使断层滑移产生动载，断层煤柱在动静组合载荷作用下发生冲击破坏。第1种断层诱冲机制实质为煤体在静载作用下发生冲击破坏(虽有断层参与)，严格意义而言，其属于应变型冲击破坏。第2种机制反映了断层滑移型冲击地压的动静组合载荷特性，由于普遍采用简易的二维平面试验装置，加载能力有限，并且通常不考虑断层锁固结构，导致断层滑移过程产生动载能量极小，因此，该机制在试验层面未能得到严格还原和证实。但第2种断层诱冲机制已在数值模拟层面得到证实，NEMCIK等、高富强等借助数值模拟方法再现了断层滑移产生震动波、震动波诱发巷道冲击破坏的过程。
关于断层的试验研究主要包括2类，一类是针对断层试样的岩石力学试验，聚焦于断层的黏滑特性，主要采用双轴试验系统，试样尺寸普遍较小，一般不超过1 m；另一类是开展断层相关相似模拟试验，研究断层对开采工程的影响，广泛采用二维平面试验装置(在煤矿领域称之为采场试验台)，上述关于开采活动诱发断层滑移的相似模拟研究均属此类。娄金福等研制了超大尺寸二维平面试验装置，模型尺寸高达5.0 m×2.0 m×0.4 m，可进行双向加载，最大加载能力为2.1 MPa。HUANG Feng等采用大型二维平面试验装置研究了断层对隧道稳定性的影响，模型尺寸为3.0 m×2.4 m×0.4 m，仅可进行顶面加载，最大加载能力为74 kPa。LIU Xiaoyan等研制了断层蠕滑模拟试验装置，模型尺寸可达1.5 m×0.6 m×0.6 m，采用三向加载方式，兼具柔性和刚性加载，分析了断层蠕滑对隧道衬砌稳定性的影响。ZHEN Cui等研制了走滑断层模拟试验装置，装置结构相对简单，剪切盒包含主动部和被动部，模型尺寸较小，仅为0.72 m×0.50 m×0.45 m，采用油缸对主动部加载促使断层滑移。XUE Tianen等研制了三轴加载相似模拟试验系统，模型为立方体，尺寸为1.0 m，研究了隧道横穿断层带的稳定性问题。综上分析，目前缺乏适用于断层滑移型冲击地压研究的大型三轴试验系统。
断层滑移型冲击地压具有不可预测性，难以开展现场研究，并且其发生具有“断层滑移产生震动波—震动波传播—震动波致使巷道冲击破坏”全过程的特点，而目前缺乏专用模拟试验系统，导致尚未实现断层滑移型冲击地压全过程的试验模拟，其机理与防控仍未取得根本进展。在此背景下，国家重大科研仪器研制项目“煤矿巷道断层滑移型冲击地压模拟试验系统”(51927807)于2019年立项，旨在研发大型三维断层滑移型冲击地压专用物理模拟仪器，实现断层滑移型冲击地压的试验模拟。作为项目的阶段性成果，论文基于断层滑移型冲击地压发生过程，研制煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统，开发低强高脆相似模拟材料，制备大尺寸相似模型，开展巷道静载冲击试验与断层剪切滑移试验，验证相似材料的力学性能、巷道极限平衡状态的加载条件、断层剪切滑移的加载方式，为实现断层滑移型冲击地压全过程试验模拟提供支撑。
断层滑移型冲击地压是煤矿冲击地压的主要类型，目前对其发生全过程缺乏系统研究，其机理与防控仍是根本难题。为实现断层滑移型冲击地压的试验模拟，研制了煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统，开发了低强高脆相似模拟材料，制备了包含断层与巷道的大尺寸相似模型，开展了一系列验证试验，实现了巷道冲击破坏模拟与断层剪切滑移模拟。煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统具备三向六面加载功能，竖向加载能力为20 MPa，模型尺寸为1.50 m×0.75 m×0.75 m；主体框架创新采用键板连接，确保了主体框架的高刚度；发明了蜂窝加载壳结构，实现了密集油缸群加载，能够满足断层滑移型冲击地压试验模拟的要求。开发了适用于断层滑移型冲击地压模拟的相似材料，材料以水玻璃为胶结物、以氟硅酸钠为固化剂、以滑石粉为骨料，单轴抗压强度介于3.44～7.81 MPa，冲击能指数为9.2，弹性能指数为8.83，兼具低强高脆特性。基于试验系统和低强高脆材料实现了静载巷道冲击破坏模拟，验证了低强高脆相似材料模拟巷道冲击破坏的可行性，获得了巷道极限平衡状态的加载条件，巷道帮部连续片落为巷道冲击破坏的显著前兆特征。实现了粗糙锯齿断层的剪切滑移模拟，证实粗糙断层剪切滑移会对巷道形成动载扰动，获得了断层剪切滑移的合理加载方式，采用动区顶部先加载、底部后卸载的方式能够实现断层的瞬间滑移，并能消除对静区应力状态的影响。
图 1 巷道断层滑移型冲击地压试验模拟原理
图 2 煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统
图 3 蜂窝加载壳结构
图 4 加载系统设计
图 5 试验系统升级改造
图 6 相似材料单轴压缩试验
图 7 相似材料落锤冲击试验
图 8 模型制备过程
图 9 模型安装与加载
图 10 巷道冲击破坏过程
图 11 静区加载应力与应变监测曲线
图 12 模型准备
图 13 加载应力与加载位移
图 14 断层剪切滑移情况
图 15 巷道应变监测结果
图 16 模型及模型准备过程
图 17 动区加载应力和加载位移
图 18 剪断后的断层面形态
康红普，男，1965年11月生，山西五台人，中国工程院院士，研究员，博士生导师，中国煤炭科工集团有限公司科学技术委员会主任、首席科学家，煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室主任，中煤科工开采研究院有限公司党委书记、董事长。获国家科技进步一等奖1项，二等奖3项，国家技术发明二等奖1项。获国家发明专利30余件，发表学术论文200余篇，出版专著5部。获光华工程科技奖青年奖、孙越崎科技教育基金能源大奖、中国青年科技奖等奖励，被授予全国杰出专业技术人才、全国劳动模范等荣誉称号，入选“万人计划”百千万人才工程领军人才。2015年当选中国工程院院士。
研究方向
巷道围岩控制理论与技术
主要成果
开发出煤矿巷道锚杆支护成套技术体系：开发出煤矿井下煤岩体地质力学原位快速测试方法与仪器，研究了煤矿井下地应力、地质力学参数分布规律，为矿井开拓、巷道布置及巷道支护设计提供了可靠的基础参数；发明了系列锚杆支护力学性能测试装置与平台，揭示出锚杆变形与破坏特征；提出预应力锚杆支护理论和动态信息设计法；开发出高强度、高刚度锚杆与锚索支护材料，形成煤矿巷道安全、高效支护成套技术。针对深部高应力巷道，提出巷道围岩支护―改性―卸压协同控制理论，开发出高预应力、高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆与锚索支护技术，高压劈裂注浆围岩改性技术，水力压裂卸压技术，为深部巷道围岩控制提供了有效途径。研究成果已推广应用于我国煤矿多个矿区，取得的显著经济社会效益，推动了我国煤矿巷道支护技术的改革与发展，提升了巷道围岩控制理论与技术水平。
来源：
康红普，高富强，王晓卿，等. 煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与试验验证[J]. 煤炭学报，2024，49(9)：3701−3710.
KANG Hongpu，GAO Fuqiang，WANG Xiaoqing，et al. Development and experimental validation of a test system for simulation of fault-slip rockbursts in coal mine roadways[J]. Journal of China Coal Society，2024，49(9)：3701−3710.
责编丨郭晓炜
编辑丨李莎
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