采动影响下断层稳定性的力学机理及其控制研究

林远东^1,2，涂敏²，付宝杰²，李传明²

1. 安徽理工大学力学与光电物理学院2. 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室

摘 要：断层受采动影响易发生活化,常引发塌方、冒顶、突水、矿震、冲击地压等事故。为了探明断层发生活化的条件,将断层带、上盘和下盘视为一个系统,采用Anderson断层模型和Mohr-Coulomb强度准则,经数理分析,研究了采动影响下断层的稳定性问题及系统参量对断层稳定性的影响。结果表明:断层处于自锁还是活化状态,取决于断层视摩擦因数k1与断层摩擦因数k之间的量值关系;当k1<k时断层处于自锁状态,当k1≥k时断层处于活化状态;视摩擦因数k1反映了断层在采动影响下地应力（包括σ1和σ3）、断层面黏聚力c及断层裂隙流体压力pi等因素共同作用的应力积累水平,其值越大断层活化的倾向性越高;摩擦因数k是由断层内摩擦角φ确定的量,反映了断层带与断层上盘和下盘在结构面处的粗糙度,结构面越粗糙断层内摩擦角φ越大,使得摩擦因数k越大;摩擦因数k越大断层的稳定性越好;系统参量（包括α、φ、c、pi、σ1和σ3等）在采动作用下发生变化后将对断层的稳定性产生影响:断层倾角α越接近于断层特征角α1,断层发生活化的倾向性越大;断层内摩擦角φ越小断层越易活化;断层面黏聚力c越小断层越易活化;断层裂隙流体压力pi越大断层越易活化;垂直应力σ1越大断层越易活化;水平应力σ3越小断层越易活化。基于系统参量对断层稳定性的影响规律,提出了控制系统稳定性的方法。研究结果对发育有断层的地下资源开采及防震减灾、隧道、地下结构等工程具有参考价值。

关键词：断层自锁;断层活化;采动;摩擦因数;稳定性控制;