張寧博，單仁亮，趙善坤，李一哲，趙 陽(yáng)，王 寅，秦 凱

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

斷層是地下巖土體中普遍賦存的一種地質(zhì)構(gòu)造，當(dāng)工程施工遇到斷層構(gòu)造時(shí)，斷層的失穩(wěn)往往會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力災(zāi)害，該災(zāi)害在非煤礦山或隧道領(lǐng)域通常表現(xiàn)為滑移型巖爆[1]，而在煤礦領(lǐng)域則被稱為斷層型沖擊地壓[2]。斷層對(duì)于沖擊地壓的誘發(fā)作用至關(guān)重要，近幾年發(fā)生的龍鄆煤礦“10·20”、紅陽(yáng)三礦“11·11”等沖擊地壓事故均與斷層的失穩(wěn)有著密切的關(guān)系。

基于以往研究和工程分析，筆者認(rèn)為根據(jù)誘發(fā)原因，斷層沖擊地壓可細(xì)分為2種類型:一是斷層活化型，二是斷層煤柱失穩(wěn)型。前者是由斷層活化釋放能量并傳播至采掘圍巖，造成的圍巖失穩(wěn)[3]，后者是采掘活動(dòng)使得工作面前方斷層煤柱不斷減小，造成煤柱承載能力降低而發(fā)生失穩(wěn)[4-5]。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，僅針對(duì)第1種斷層活化型沖擊地壓的誘發(fā)過(guò)程展開(kāi)研究。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，在礦山領(lǐng)域?qū)W者們針對(duì)采動(dòng)誘發(fā)斷層失穩(wěn)問(wèn)題，展開(kāi)了大量研究。如李振雷等[4]認(rèn)為斷層解鎖有上行和下行2種模式，小傾角易上行解鎖，大傾角易下行解鎖；蔡武等[6]認(rèn)為動(dòng)載擾動(dòng)造成的斷層超低摩擦效應(yīng)導(dǎo)致斷層活化，斷層活化激發(fā)動(dòng)載荷及斷層煤柱高靜載疊加誘發(fā)了沖擊地壓；齊慶新等[7]試圖用黏滑解釋斷層沖擊地壓發(fā)生過(guò)程；張寧博等[8]對(duì)動(dòng)靜載作用下斷層的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析，提出了斷層活化的多滑塊-彈簧模型，認(rèn)為斷層活化是局部到整體的聯(lián)動(dòng)失穩(wěn)；殷有泉等[9]認(rèn)為斷層活化是一種位移極值點(diǎn)型失穩(wěn)，并伴有力的突降；李志華等[10]提出斷層活化有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)2種模式；趙毅鑫、王濤等[11-12]分析了斷層面庫(kù)侖應(yīng)力的變化規(guī)律，認(rèn)為工作面煤體失效是斷層活化的主要原因。另外，在地震領(lǐng)域，學(xué)者們對(duì)斷層穩(wěn)定性問(wèn)題研究較多，研究成果對(duì)礦山領(lǐng)域中斷層誘發(fā)的災(zāi)害具有很好的借鑒意義。其中在斷層穩(wěn)定性試驗(yàn)方面，黃元敏等[13]研究了應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層滑動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)正應(yīng)力擾動(dòng)影響較剪應(yīng)力大。馬瑾、郭彥雙等[14-16]研究了拐折斷層、平直斷層多物理場(chǎng)的演化規(guī)律及亞失穩(wěn)過(guò)程。

雖然上述文獻(xiàn)取得了豐富的成果，但筆者認(rèn)為，與地震研究中斷層加載導(dǎo)致失穩(wěn)不同，采礦活動(dòng)將引起斷層系統(tǒng)水平荷載的減小，即水平方向上為卸載過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)采用單側(cè)卸載應(yīng)力路徑進(jìn)行模擬。因此，筆者基于采動(dòng)逆沖斷層的受力特點(diǎn)，研究單側(cè)卸載條件下逆沖斷層活化過(guò)程中的多物理場(chǎng)變化規(guī)律，并對(duì)失穩(wěn)瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行重點(diǎn)分析，探討逆沖斷層的失穩(wěn)機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)背景

河南義馬礦區(qū)下屬5座礦井為典型的斷層構(gòu)造型沖擊地壓礦井。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，受F16逆沖斷層構(gòu)造控制，義馬礦區(qū)歷史開(kāi)采過(guò)程中曾發(fā)生100多次沖擊地壓，且92.5%的沖擊地壓地點(diǎn)距離F16斷層小于1 km。F16逆沖斷層走向?yàn)榻鼥|西，傾向?yàn)槟下云珫|，斷層面上陡下緩，傾角為15°～75°，落差為50～500 m。斷層兩側(cè)地層從上至下依次為：侏羅系上統(tǒng)J3(主要為巨厚的雜色粗礫巖，厚度在400 m左右)、中侏羅統(tǒng)J2(東部以礫巖為主，西部以紫紅色粉砂巖、泥巖為主)和三疊系譚莊組T3(頂部以泥巖為主、中上部以石英砂巖為主、下部以泥巖、石英砂巖為主)。F16逆沖斷層剖面如圖1所示，其中，4802，4803，4804，4807為鉆孔編號(hào)。

圖1 F16斷層剖面

地應(yīng)力是煤礦井下動(dòng)力災(zāi)害的根本作用力，對(duì)F16斷層運(yùn)動(dòng)有著重要的影響。義馬礦區(qū)地應(yīng)力情況見(jiàn)表1[17]。由表1可知，對(duì)于800 m以淺區(qū)域，大部分測(cè)點(diǎn)(去掉8，10號(hào)異常測(cè)點(diǎn))的最大水平主應(yīng)力σH相對(duì)較高，最大值達(dá)到25.25 MPa，與垂直應(yīng)力σH比值最大為1.32，可見(jiàn)800 m以淺區(qū)域水平應(yīng)力對(duì)斷層活動(dòng)的影響是不容忽視的、甚至是起主導(dǎo)作用的；對(duì)于800 m以深區(qū)域，所有測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力均小于垂直應(yīng)力，可見(jiàn)在深部區(qū)域垂直應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，水平應(yīng)力對(duì)斷層活動(dòng)的影響相對(duì)淺部有所減弱。

表1 義馬礦區(qū)地應(yīng)力情況

F16斷層處于較高的水平構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境，同時(shí)受到各礦井開(kāi)采擾動(dòng)的影響，2者的疊加作用使得F16斷層頻繁活化[18]。如圖2所示，在耿村井田地表、F16斷層線兩側(cè)分別布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)，用以觀測(cè)地表沉降情況，圖2中綠線為斷層地表出露線，紅線為斷層井下推測(cè)走勢(shì)線，在28個(gè)測(cè)點(diǎn)中，21～37號(hào)測(cè)點(diǎn)位于斷層上盤，38～48號(hào)測(cè)點(diǎn)位于斷層下盤。地表沉降的觀測(cè)時(shí)間為2016-03-23—2020-04-01，圖3為27號(hào)測(cè)點(diǎn)地表沉降量的變化曲線，從圖3可以看出，隨著煤層開(kāi)采，位于斷層上盤27號(hào)測(cè)點(diǎn)的沉降量并非呈單調(diào)增大的變化趨勢(shì)，該測(cè)點(diǎn)在下降過(guò)程中出現(xiàn)了多次“突跳”，例如在2017-01-11(13.15 mm)，2017-06-21(12.35 mm)，2018-11-22(16.80 mm)和2019-09-25(9.65 mm)曲線分別出現(xiàn)了4次“突跳”，即斷層活化。若上述斷層活化僅僅是由構(gòu)造應(yīng)力推覆作用引起，則活化的周期應(yīng)至少為數(shù)10年，但現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)周期僅為4 a，因此推斷上述斷層滑移應(yīng)為水平構(gòu)造應(yīng)力和開(kāi)采卸荷效應(yīng)共同作用的結(jié)果，且后者起主控作用。

圖2 地表測(cè)點(diǎn)與F16斷層相對(duì)位置

圖3 27號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降量變化曲線

斷層活化是煤礦安全研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，而斷層活化是否誘發(fā)井下災(zāi)害卻是另外一個(gè)問(wèn)題。2010-08-11，躍進(jìn)煤礦25110工作面回采至距開(kāi)切眼20 m時(shí)發(fā)生沖擊地壓事故，工作面運(yùn)輸巷480.0～842.8 m段合計(jì)362.8 m受到?jīng)_擊，巷道嚴(yán)重?fù)p壞，底臌量為1.4～2.4 m，上幫鼓出量最大為2.02 m，此次事故發(fā)生時(shí)微震監(jiān)測(cè)能量高達(dá)9×107J，事故發(fā)生時(shí)的回采情況如圖4所示。而在事故發(fā)生前19和5 d，即2010-07-23和2010-08-06，微震系統(tǒng)分別在F16斷層附近監(jiān)測(cè)到2次大能量微震事件，其能量分別為4.3×107J和3.68×107J，與F16斷層的水平間距分別為54和15 m。2次事件的z坐標(biāo)分別為-385和-228 m，根據(jù)F16斷層附近煤層z坐標(biāo)為-460 m左右，推測(cè)震源應(yīng)位于煤層上方的斷層處。因此，可以判定該事故前F16斷層處于活化狀態(tài)，其突然錯(cuò)動(dòng)應(yīng)是導(dǎo)致“8·11”沖擊地壓事故的直接誘因。

3 實(shí)驗(yàn)方案

基于第2節(jié)分析，逆沖斷層滑移對(duì)于煤礦動(dòng)力災(zāi)害形成至關(guān)重要，故有必要采用實(shí)驗(yàn)室手段，研究逆沖斷層卸載條件下的滑移機(jī)理。

3.1 試 樣

斷層實(shí)驗(yàn)采用的試樣巖性為砂巖。試樣為長(zhǎng)方體，尺寸為300 mm×200 mm×50 mm，如圖5所示，沿對(duì)角線預(yù)切一條傾斜斷層，斷層傾角為32°，斷層線OO′長(zhǎng)度為312 mm。試樣4個(gè)直角進(jìn)行倒角處理，以避免承壓板相互推擠，處理后倒角斜長(zhǎng)為49.5 mm。

試驗(yàn)前，試樣斷層兩交界面須進(jìn)行研磨處理，以保證其良好接觸。

3.2 加卸載方案

實(shí)驗(yàn)采用的加載系統(tǒng)為中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的平臥式雙軸電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，采樣頻率為10 kHz，實(shí)驗(yàn)加卸載過(guò)程為：① 為調(diào)節(jié)斷層兩接觸面的適應(yīng)性，分別進(jìn)行一次加載測(cè)試實(shí)驗(yàn)和一次卸載測(cè)試實(shí)驗(yàn)，使得斷層面能夠很好地接觸，消除干擾因素，以保證正式實(shí)驗(yàn)效果；② 根據(jù)逆沖斷層應(yīng)力狀態(tài)，x向以112.5 kg/s速度加載至14 250 kg，同時(shí)y向以50 kg/s速度加載至6 333 kg，并保持穩(wěn)定，此時(shí)試樣x方向應(yīng)力為9.31 MPa，y方向應(yīng)力為6.21 MPa，2者比值為1.50；③ 保持y方向負(fù)荷不變，x方向以0.5 μm/s的速度進(jìn)行單側(cè)卸載，直至斷層發(fā)生失穩(wěn)為止。

3.3 監(jiān)測(cè)方案

實(shí)驗(yàn)所采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)字散斑位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖6所示。各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備及方法如下：

數(shù)字散斑位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用FastcanSA2-C3型高速攝像對(duì)實(shí)驗(yàn)所用試樣的表面進(jìn)行圖像采集，采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，圖片分辨率為2 048 Pixel×256 Pixel，采樣間隔為1 ms，觀測(cè)時(shí)窗為873.4 ms。同時(shí)利用C-600高亮度白光LED光源對(duì)試樣進(jìn)行補(bǔ)光。高速攝像觸發(fā)采用與聲發(fā)射系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，即當(dāng)聲發(fā)射采集到斷層滑移信號(hào)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)相機(jī)儲(chǔ)存照片，可存儲(chǔ)該信號(hào)達(dá)到探頭前后約8 s的所有圖像。

實(shí)驗(yàn)前，需要對(duì)試樣的觀測(cè)面進(jìn)行預(yù)處理，以布置散斑，散斑顆粒尺寸為4 Pixel。實(shí)際觀測(cè)范圍為斷層線兩側(cè)61.44 cm×7.68 cm區(qū)域，標(biāo)定后試樣表面分辨率為30 μm/Pixel。對(duì)存儲(chǔ)的散斑圖像采用VIC-2D軟件進(jìn)行數(shù)字圖像處理，以獲得斷層失穩(wěn)前后位移的瞬態(tài)演化過(guò)程。

應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：為不影響觀測(cè)，10組應(yīng)變片貼于試樣背面，編號(hào)分別為S1～S10(圖5)，并沿?cái)鄬泳€等距布置，間距為31.2 mm。每組應(yīng)變片包含3個(gè)應(yīng)變片，1個(gè)與斷層線垂直(A片)，另外2個(gè)分布于其兩側(cè)(B片和C片)，并與中間應(yīng)變片成45°夾角。其中A片按順序依次編號(hào)為S1-2,S2-2,…,S10-2，B片按順序依次編號(hào)為S1-1,S2-1,…,S10-1，C片按順序依次編號(hào)為S1-3,S2-3,…,S10-3。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為2.08±1%，應(yīng)變分辨精度為1.0×10-6，系統(tǒng)的應(yīng)變采樣頻率為1 000 Hz。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：采用DS5-8B型全波形聲發(fā)射采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中斷層滑移信號(hào)。在試樣正面、斷層兩側(cè)，分別布置2個(gè)聲發(fā)射探頭(圖6)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的采樣速率為500 kHz，采樣精度為16 bit，采樣點(diǎn)間隔為2 μs。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 單側(cè)卸載逆沖斷層失穩(wěn)的差應(yīng)力“突跳”

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，為模擬煤層開(kāi)采引起的卸載效應(yīng)，在斷層初始應(yīng)力平衡狀態(tài)下，實(shí)施x方向卸載，其中斷層下盤為主動(dòng)盤，上盤為被動(dòng)盤。為便于分析斷層的穩(wěn)定性，采用差應(yīng)力(σx-σy)描述斷層所承受的外界載荷，得到斷層失穩(wěn)前后一段時(shí)間內(nèi)(0～120 s)差應(yīng)力(σx-σy)隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。斷層卸載過(guò)程中發(fā)生一次主應(yīng)力軸的轉(zhuǎn)換，即由x向變?yōu)閥向。隨著差應(yīng)力的減小，促使斷層相對(duì)滑移的y向驅(qū)動(dòng)力相對(duì)增大，差應(yīng)力減小速率，呈先增大后降低的變化趨勢(shì)：當(dāng)主應(yīng)力軸為x軸時(shí)，差應(yīng)力以0.110 3 MPa/s的速率減?。划?dāng)主應(yīng)力軸轉(zhuǎn)換為y軸時(shí)，差應(yīng)力以0.114 5 MPa/s的速率減小；當(dāng)卸載至44.3 s左右時(shí)，差應(yīng)力減小速率逐漸放緩，并在85.4 s左右時(shí)差應(yīng)力發(fā)生“突跳”，斷層發(fā)生失穩(wěn)。

圖7 差應(yīng)力-時(shí)間曲線

從圖7失穩(wěn)階段的放大圖可知，斷層失穩(wěn)并不是一蹴而就，而是持續(xù)10 s左右，失穩(wěn)過(guò)程發(fā)生多次“突跳”，并逐漸衰減直至滑移停止。統(tǒng)計(jì)失穩(wěn)過(guò)程中A～G共6個(gè)波峰波谷的差應(yīng)力及差應(yīng)力“突跳”量，見(jiàn)表2。

表2 斷層失穩(wěn)瞬間的應(yīng)力“突跳”

實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到的這次失穩(wěn)共有3次“突增”、3次“突降”變化，即1次失穩(wěn)過(guò)程包含3次小的滑移，其中以第1次滑移“A—B—C”為主，差應(yīng)力“突跳”量最大，達(dá)到0.36 MPa。第2次滑移過(guò)程“C—D—E”的差應(yīng)力“突跳”量，比第1次降低了86%，為0.05 MPa。第3次滑移過(guò)程“E—F—G”差應(yīng)力“突跳”量為0.05 MPa，與第2次相同，但該階段在差應(yīng)力降低過(guò)程，即“F—G”段“突跳”值比第2次滑移的“D—E”段要小，為0.02 MPa。

4.2 逆沖斷層卸載失穩(wěn)的位移場(chǎng)時(shí)空演化特征

該實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字散斑位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)斷層表面的位移場(chǎng)時(shí)空演化特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)字散斑系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，它可將每個(gè)像素作為虛擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)該像素在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的速度場(chǎng)、加速度場(chǎng)等進(jìn)行記錄。為研究斷層上(近O點(diǎn))、中、下(近O′點(diǎn))3個(gè)不同區(qū)域在失穩(wěn)過(guò)程中的位移場(chǎng)變化規(guī)律，在斷層下盤選取3個(gè)典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖8所示。以圖8左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中斷層下部測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為x=21.785 cm，中部測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為x=32.818 cm，上部測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為x=40.529 cm，上、中、下3個(gè)測(cè)點(diǎn)間距分別為7.711 cm和11.033 cm。

圖8 斷層不同區(qū)域的位移測(cè)點(diǎn)布置

x方向的位移與斷層穩(wěn)定性密切相關(guān)，選取斷層失穩(wěn)前后1 500 ms內(nèi)的圖像進(jìn)行位移場(chǎng)分析，得到該時(shí)間段內(nèi)3個(gè)不同區(qū)域x向位移的變化情況，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)中斷層失穩(wěn)時(shí)的x向位移大小為微米級(jí)別，即約幾十微米，而單個(gè)像素大小為30 μm。故由于精度限制，位移變化并不是連續(xù)的，而是點(diǎn)的震動(dòng)曲線。由圖9可知，斷層在800～900 ms發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，上、中、下3個(gè)測(cè)點(diǎn)依次滑移，同時(shí)斷層滑移前上、中、下3點(diǎn)的前兆響應(yīng)及滑移釋放能量對(duì)3點(diǎn)x向位移的擾動(dòng)效應(yīng)具有顯著差異：下部測(cè)點(diǎn)滑移位移約為60 μm，中部和上部測(cè)點(diǎn)滑移位移為30～60 μm，下部測(cè)點(diǎn)滑移顯著大于中部和上部(該結(jié)論可根據(jù)剪應(yīng)變曲線得到進(jìn)一步驗(yàn)證)。斷層失穩(wěn)前，對(duì)于測(cè)點(diǎn)活躍度(即單位時(shí)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)的震動(dòng)頻次)，下部>中部>上部。斷層失穩(wěn)后，中部測(cè)點(diǎn)首先歸于平靜、震動(dòng)消失，下部測(cè)點(diǎn)發(fā)生“二次滑移”然后歸于平靜，上部測(cè)點(diǎn)繼續(xù)保持震動(dòng)。

圖9 斷層不同區(qū)域的x向位移變化

為研究斷層上盤、下盤位移場(chǎng)的分布特征，選取斷層中部3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄斷層失穩(wěn)前后x向位移的變化情況，測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。上盤測(cè)點(diǎn)U距離斷層0.144 2 cm，下盤測(cè)點(diǎn)D距離斷層0.157 0 cm，同時(shí)為了研究斷層面附近剪切應(yīng)變對(duì)x向位移的影響，選取遠(yuǎn)離斷層面的下盤另一測(cè)點(diǎn)M進(jìn)行對(duì)比分析，其與斷層距離為0.578 6 cm。

圖10 斷層中部測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)數(shù)字散斑系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，得到斷層中部3個(gè)測(cè)點(diǎn)的x向位移變化曲線如圖11所示。由圖11可知，斷層上盤(測(cè)點(diǎn)U)主要受剪切應(yīng)力的影響，使得斷層一直處于震動(dòng)狀態(tài)，受斷層滑移影響較??；斷層下盤(測(cè)點(diǎn)D)在853 ms時(shí)發(fā)生滑移，能量得到釋放，滑移后震動(dòng)立即停止；斷層下盤遠(yuǎn)場(chǎng)(測(cè)點(diǎn)M)在760 ms左右時(shí)發(fā)生滑移，并持續(xù)震動(dòng)了94 ms。

圖11 斷層中部區(qū)域的x向位移變化

4.3 逆沖斷層失穩(wěn)的變形場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律

根據(jù)粘貼在斷層下盤緊鄰斷層面的10組應(yīng)變片的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可得斷層滑移過(guò)程中斷層附近圍巖變形場(chǎng)的時(shí)空演化特性。

為便于分析斷層穩(wěn)定狀態(tài)，采用與斷層面垂直的法向應(yīng)變和剪切應(yīng)變進(jìn)行分析，因此需要對(duì)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變張量進(jìn)行分解。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，斷層上一點(diǎn)的平面應(yīng)變張量可分解為垂直于斷層面的法向應(yīng)變分量ε和平行斷層面的剪切應(yīng)變分量γ。該實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變片由A片、B片和C片組成(圖5)，其中A片與斷層垂直，B片、C片分置于A片的兩側(cè)，并與A片成45°夾角。因此有

(1)

式中，ε1和ε2為平面測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變；φ為斷層法線與最大主應(yīng)變之間的夾角；εA，εB，εC分別為應(yīng)變片A，B和C測(cè)得的應(yīng)變值。

根據(jù)式(1)可計(jì)算獲得各個(gè)測(cè)點(diǎn)附近斷層巖體的法向應(yīng)變和剪切應(yīng)變(其中監(jiān)測(cè)法向應(yīng)變的應(yīng)變片S1-2損壞，數(shù)據(jù)處理時(shí)不予考慮)，斷層卸載過(guò)程中各應(yīng)變量變化情況如圖12(a)和13(a)所示。按照每個(gè)應(yīng)變片在斷層線上分布位置(坐標(biāo)起點(diǎn)為圖5中O′點(diǎn))，計(jì)算各點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽?，得到斷層失穩(wěn)前后一段時(shí)間內(nèi)(83～93 s)的變形場(chǎng)演化情況如圖12(b)和13(b)所示，其中對(duì)于法向應(yīng)變，張拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓縮應(yīng)變?yōu)樨?fù)；對(duì)于剪切應(yīng)變，右旋剪切為正，左旋剪切為負(fù)；比例尺20×10-6為應(yīng)變曲線上下變化的尺度。

圖12 斷層法向應(yīng)變和應(yīng)變?cè)隽孔兓€

由圖12(a)可知，S3-2，S7-2，S10-2三個(gè)應(yīng)變片法向應(yīng)變?yōu)檎?，即以張拉?yīng)變?yōu)橹?，其余?yīng)變片法向應(yīng)變均為負(fù)值，即以壓縮應(yīng)變?yōu)橹?。隨著x軸卸載，x軸在垂直于斷層方向上的應(yīng)力分量逐漸減小，而y軸在垂直于斷層方向上的應(yīng)力分量不變，使得斷層法向應(yīng)力逐漸減小。因此總體上看，大部分應(yīng)變片的法向應(yīng)變均呈先減小后“突變波動(dòng)”再穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。其中在85 s左右，斷層發(fā)生滑移，斷層附近巖體彈性能量釋放，法向應(yīng)變發(fā)生“突跳”，其中斷層下部近O′端S2-2應(yīng)變片“突跳”變化量最大，為22.179×10-6，其次為中部測(cè)點(diǎn)S4-2，S5-2和S6-2，S3-2應(yīng)變片在斷層失穩(wěn)瞬間的“突跳”變化不明顯；而斷層上部近O端應(yīng)變片(包括S7-2～S10-2)的法向應(yīng)變幾乎無(wú)“突跳”現(xiàn)象。可見(jiàn)，斷層錯(cuò)動(dòng)瞬間，下部和中部出現(xiàn)明顯的壓縮彈性能量釋放，“黏滑”現(xiàn)象顯著，而上部釋放能量較小，應(yīng)變幾乎無(wú)變化。

按照每個(gè)應(yīng)變片在斷層上的位置(以斷層O′點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn))，將斷層失穩(wěn)前后10 s(83～93 s)法向應(yīng)變?cè)隽?相對(duì)于83 s應(yīng)變值)繪制成圖12(b)，其中曲線應(yīng)變值縱向變化尺度為20×10-6。從圖12(b)中可知，斷層失穩(wěn)前下部應(yīng)變?cè)隽孔兓壬喜看?，多?shù)應(yīng)變片法向應(yīng)變?cè)隽砍氏仍龃蠛鬁p小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明能量有一個(gè)先積聚后釋放的過(guò)程。其中S2-2應(yīng)變片應(yīng)變?cè)隽吭跀鄬邮Х€(wěn)前增加幅度最大，為17.872×10-6，失穩(wěn)后下降幅度也最大。同時(shí)，S2-2，S3-2，S4-2應(yīng)變片在斷層失穩(wěn)瞬間，應(yīng)變?cè)隽渴窍韧唤岛笸辉鲈僦饾u降低，S10-2應(yīng)變片為逐漸增大變化趨勢(shì)，其余應(yīng)變片為先突降后逐漸降低。由此可知，斷層下部能量首先釋放然后迅速恢復(fù)，即一次黏滑過(guò)程，斷層其他部位受下部震源擾動(dòng)影響，應(yīng)變突降量值大幅降低，釋放能量也較少。

圖13為S1～S10剪切應(yīng)變及其增量的變化曲線。根據(jù)圖13(a)可知，在斷層x向卸載過(guò)程中，斷層面剪切應(yīng)變總體上呈逐漸減小、突變?nèi)缓蠓€(wěn)定的變化趨勢(shì)，應(yīng)變片初始剪切應(yīng)變均為正值，即順時(shí)針?lè)较?、右旋剪切，而斷層的滑移方向?yàn)轫槙r(shí)針，斷層應(yīng)變場(chǎng)與斷層滑移方向一致。根據(jù)斷層線上各應(yīng)變片剪切增量變化曲線13(b)可知，在斷層失穩(wěn)瞬間，S1，S2，S3和S10應(yīng)變片剪應(yīng)力增量變化趨勢(shì)為先突降、后突增再逐漸降低，而其余應(yīng)變片剪應(yīng)變?cè)隽孔兓厔?shì)為先突增后逐漸降低。由圖13(b)可知，斷層兩端剪應(yīng)變變化最為顯著，最大變化量達(dá)36.993×10-6(S1)，且下部變化量顯著大于上部，而中部由于閉鎖效應(yīng)，剪應(yīng)變?cè)隽孔兓钚?。因此，斷層下部為能量的主要積聚和釋放點(diǎn)，是斷層的主動(dòng)失穩(wěn)部位(即震源)，而中部和上部主要受下部擾動(dòng)后發(fā)生從動(dòng)。

圖13 斷層剪切應(yīng)變和應(yīng)變?cè)隽孔兓€

將斷層失穩(wěn)瞬間的時(shí)間尺度進(jìn)一步放大至30 ms內(nèi)，即85.02～85.05 s，得到斷層不同位置應(yīng)變片的法向應(yīng)變?cè)隽亢图羟袘?yīng)變?cè)隽康淖兓闆r如圖14所示(其中S1-2應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)過(guò)程中損壞、其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不予考慮)。由圖14可知，斷層滑移基本在85.030 s 時(shí)開(kāi)始，在85.035 s結(jié)束，持續(xù)時(shí)間約為5 ms，滑移瞬間剪應(yīng)變?cè)隽勘确ㄏ驊?yīng)變?cè)隽孔兓@著。法向應(yīng)變?cè)隽孔兓^大區(qū)域主要為斷層下端，而斷層中部和上部相對(duì)較小，可以推測(cè)斷層下端解鎖效應(yīng)要大一些；剪切應(yīng)變?cè)隽吭跀鄬由隙撕拖露俗兓^大，中部區(qū)域明顯較小，可能是由于斷層兩端剪切滑移較顯著，失穩(wěn)過(guò)程對(duì)其應(yīng)變場(chǎng)影響較大。

圖14 斷層失穩(wěn)瞬間的應(yīng)變?cè)隽孔兓€(85.02～85.05 s)

4.4 逆沖斷層失穩(wěn)瞬態(tài)的滑移位移變化

當(dāng)逆沖斷層在x方向逐步卸載時(shí)，斷層試樣y方向位移逐漸增加，并在斷層失穩(wěn)時(shí)發(fā)生突變。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)y方向初始位移值為-3 370 μm，根據(jù)斷層試樣傾角，可計(jì)算斷層的初始位移為-2 857.92 μm。將y向位移乘以斷層傾角的余弦，可計(jì)算得到逆沖斷層卸載過(guò)程中的斷層位移變化曲線如圖15所示。

由圖15可知，當(dāng)卸載至85 s時(shí)，斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)位移量達(dá)29.89 μm，對(duì)應(yīng)于差應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖7)中的A—B階段；斷層在發(fā)生短暫的滑移后，穩(wěn)定了約3.5 s，然后發(fā)生了第2次滑移，即C—D階段，滑移位移量為8.15 μm；約1.5 s后，斷層發(fā)生第3次滑移(E—F段)，滑移量為8.15 μm。該現(xiàn)象與差應(yīng)力“突跳”變化在時(shí)間上是對(duì)應(yīng)的。經(jīng)歷3次滑移，斷層位移由-2 852.23 μm連續(xù)“突跳”至-2 801.06 μm，總的變化量為51.17 μm?？梢?jiàn)，斷層滑移瞬間由多次小滑移過(guò)程組成，并伴隨著能量的多次釋放，同時(shí)第1次滑移為主滑移，滑移位移最大，釋放能量也最多；后續(xù)兩次滑移可視為次滑移，類似于“余震”，滑移位移相對(duì)主滑移較小，能量也有所降低。

圖15 斷層失穩(wěn)瞬間的斷層位移變化情況

4.5 逆沖斷層失穩(wěn)瞬態(tài)的聲信號(hào)變化特征

斷層滑移前后將釋放地震波信號(hào)，即實(shí)驗(yàn)室條件下的聲發(fā)射信號(hào)，捕捉并分析斷層失穩(wěn)過(guò)程中的聲信號(hào)特征，對(duì)于研究斷層失穩(wěn)機(jī)理、實(shí)現(xiàn)震前預(yù)警具有重要的意義。

采用DS128系列信號(hào)采集軟件對(duì)逆沖斷層卸載過(guò)程中的聲發(fā)射進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，將85 s時(shí)斷層滑移瞬間的聲信息提取并放大得到斷層試樣主滑移過(guò)程(約3 ms)的聲發(fā)射波形如圖16所示。

圖16 斷層失穩(wěn)瞬間的聲發(fā)射波形(持續(xù)3 ms左右)

從圖16可以看出，斷層失穩(wěn)瞬間的震動(dòng)過(guò)程可分為啟滑、主震、后震3個(gè)階段。① 啟滑階段：位于主震前，此時(shí)斷層由閉鎖狀態(tài)向解鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)變，整體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，局部點(diǎn)剪應(yīng)力已超過(guò)最大靜摩擦力并開(kāi)始滑動(dòng)，同時(shí)釋放微弱聲發(fā)射信號(hào)；② 主震階段：震源激發(fā)應(yīng)力波由震源向四周傳播，并造成斷層整體失穩(wěn)，同時(shí)釋放絕大部分能量，且能量釋放過(guò)程并非一次性的，而是分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ事件逐步釋放，其中事件Ⅰ幅值為0.386 0 V，事件Ⅱ幅值為0.292 9 V，事件Ⅲ幅值為0.161 1 V；③ 后震階段：位于主震之后，釋放能量大幅降低，震動(dòng)幅值基本位于0.033 V以下，此時(shí)斷層滑移基本停止，僅有殘余能量或應(yīng)力波反射造成的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)。

5 討 論

對(duì)于卸載條件下逆沖斷層的失穩(wěn)致災(zāi)問(wèn)題，人們普遍關(guān)心的是逆沖斷層失穩(wěn)機(jī)理，通過(guò)了解逆沖斷層的失穩(wěn)過(guò)程及失穩(wěn)條件，進(jìn)而提取失穩(wěn)前兆信息以實(shí)現(xiàn)斷層失穩(wěn)預(yù)警。

為探究逆沖斷層卸載失穩(wěn)過(guò)程，筆者將x向和y向載荷在斷層線上的分量求和得到剪切應(yīng)力并作為縱軸，同時(shí)選取S4剪切應(yīng)變作為橫軸，得到斷層剪應(yīng)變-剪應(yīng)力的變化曲線如圖17所示，曲線顯示時(shí)間周期為0～87.5 s。

圖17 斷層剪應(yīng)變-剪應(yīng)力變化曲線(0-85.7s)

根據(jù)圖17可知，隨著剪應(yīng)力的增大，斷層剪應(yīng)變逐漸增加并達(dá)到峰值，然后斷層瞬間失穩(wěn)、剪應(yīng)變發(fā)生“突變”。通過(guò)將失穩(wěn)瞬間的“應(yīng)變突變”部分放大，可以發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)瞬態(tài)應(yīng)變變化分3個(gè)時(shí)期：a時(shí)期表現(xiàn)為應(yīng)變驟降，此時(shí)應(yīng)力幾乎無(wú)變化；b時(shí)期應(yīng)變回彈，但回彈幅度僅為下降量的約1/3，剪應(yīng)力略微增加；c時(shí)期應(yīng)變幾乎不變，而應(yīng)力逐漸減小。根據(jù)剪應(yīng)變-剪應(yīng)力曲線的斜率，即剪切模量倒數(shù)的變化趨勢(shì)，可將斷層的失穩(wěn)過(guò)程分為4個(gè)階段：Ⅰ階段，隨著剪應(yīng)力增大，剪應(yīng)變線性增加；Ⅱ階段，隨著剪應(yīng)力增大，剪應(yīng)變?cè)黾铀俾食史蔷€性變化；Ⅲ階段，隨著剪應(yīng)力增大，剪應(yīng)變?cè)黾铀俾式档?，即進(jìn)入塑性階段；Ⅳ階段，斷層失穩(wěn)、剪應(yīng)變突變。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]提出的斷層失穩(wěn)狀態(tài)變化過(guò)程，筆者認(rèn)為卸載逆沖斷層失穩(wěn)過(guò)程與加載斷層失穩(wěn)過(guò)程類似，可分為4個(gè)階段如圖18所示。隨著剪應(yīng)力增大，斷層剪應(yīng)變逐漸增加，并且增加速率由快變慢，斷層系統(tǒng)由線性穩(wěn)態(tài)向非線性穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，即圖18中O1A1段→A1B1段；當(dāng)斷層面剪切應(yīng)力接近其極限強(qiáng)度時(shí)，斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段，即B1C1段，此時(shí)剪應(yīng)變?cè)龃笏俾蔬M(jìn)一步降低，斷層系統(tǒng)極不穩(wěn)定，使得該階段持續(xù)時(shí)間很短；剪應(yīng)力稍一增加，斷層即進(jìn)入失穩(wěn)階段，即C1D1段，此時(shí)剪應(yīng)變發(fā)生突降，積聚在斷層兩側(cè)巖體內(nèi)的剪切彈性能量大量釋放，并伴隨著劇烈聲響。同時(shí)圖16中的斷層啟滑應(yīng)屬于該階段初期。

圖18 斷層失穩(wěn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了斷層在雙向預(yù)載后單方向卸載的情況，所得規(guī)律及認(rèn)識(shí)對(duì)于x方向卸載或y方向卸載均是適用的。下面基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)際工程中F16斷層的滑移情況。根據(jù)地質(zhì)資料，F(xiàn)16斷層系統(tǒng)剖面及受力情況如圖19所示。受2-3號(hào)煤層開(kāi)采影響，F(xiàn)16斷層不同位置的受力、滑移情況具有明顯差異，例如煤層上方的斷層淺部A1點(diǎn)，由于煤層開(kāi)挖，上覆巖層在自重應(yīng)力作用下垮斷、彎曲、下沉，使得A1點(diǎn)的垂直應(yīng)力σy減小，即y方向?yàn)樾遁d方向，而水平應(yīng)力σx不變或略微減小，從而造成淺部斷層剪切力偶為逆時(shí)針?lè)较?，?dǎo)致F16斷層發(fā)生逆時(shí)針滑移；對(duì)于深部區(qū)域B1點(diǎn)，垂直應(yīng)力σy不變，而由于開(kāi)采的卸荷效應(yīng)水平應(yīng)力σx大幅減小，使得深部斷層剪切力偶為順時(shí)針，造成F16斷層發(fā)生順時(shí)針錯(cuò)動(dòng)。

圖19 采動(dòng)條件下F16斷層受力情況

基于本實(shí)驗(yàn)研究成果，筆者認(rèn)為以后研究重點(diǎn)應(yīng)為斷層亞失穩(wěn)階段的規(guī)律、提取該階段的典型特征即斷層失穩(wěn)前兆特征；同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步將失穩(wěn)瞬間的時(shí)間尺度放大，研究各單元的聯(lián)鎖失穩(wěn)過(guò)程和斷層震源激發(fā)應(yīng)力波對(duì)周圍巖體的擾動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題。

6 結(jié) 論

(1)逆沖斷層卸載失穩(wěn)過(guò)程并非僅一次滑移，而是表現(xiàn)為差應(yīng)力、滑移位移的多次“突跳”，且以第1次“突跳”量最大，此時(shí)斷層下部滑移量大于中部、上部。

(2)卸載條件下斷層巖體的法向應(yīng)變和剪切應(yīng)變均呈先減小后“突降-波動(dòng)”再穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，斷層下部的法向應(yīng)變“突跳”變化量較大，兩端的剪切應(yīng)變“突跳”變化量較大。

(3)卸載條件下逆沖斷層滑移可分為線性穩(wěn)態(tài)、非線性穩(wěn)態(tài)、亞失穩(wěn)及失穩(wěn)4個(gè)階段，斷層失穩(wěn)過(guò)程包括啟滑、主震、后震3個(gè)階段，失穩(wěn)瞬間剪應(yīng)變呈突降—回彈—穩(wěn)定變化，造成F16斷層淺部區(qū)域逆時(shí)針滑移、深部區(qū)域順時(shí)針錯(cuò)動(dòng)。