断层冲击地压的力学机制与缺陷防治

3.3　断层冲击地压的力学机制与缺陷防治

断层切断了岩层的整体性，对正在推进的工作面附近的应力再分布有很大影响，特别是当工作面接近断裂破坏带时，在超前煤壁的顶板岩层将给工作面和断层间的煤柱造成加压作用，导致该区域形成高应力区。为防止断层区发生断层错动型冲击，需要提前对该区域的煤体实施动应力协调技术，通过改变煤体的力学性质，保障巷道周围围岩的应力不再随工作面的渐进移动而逐渐增加，确保应力向巷道深部转移，达到巷道围岩处于稳定承载状态和均匀释放变形能量。

断层区域由于不断受到扰动，微破裂不断增加，平衡状态的稳定性逐渐减小，当最后处于稳定平衡的极限状态时，微小扰动引起的微破裂转移造成雪崩式的连锁反应，发生压缩失稳破坏，顶板岩层突然运动，产生宏观显现，使得系统储存的弹性能迅速释放而发生断层型动压现象，见图3-12。

图3-12　断层型动压现象数值模拟结果

3.3.1 断层区域冲击地压显现特征

当工作面接近断裂破碎带时，因顶板被切断，失去传递力的作用，工作面前方顶板岩层将给工作面和断层间的煤柱造成加压产生较高的应力集中，并引起大范围的顶板运动，常常会出现强度较大的冲击地压，所释放的能量较大，包含着煤体弹性能突然释放和顶板突然做功(位能转化为动能)。图3-13所示为断层对工作面附近应力再分布的影响。

图3-13　工作面接近断层与冲击发生次数关系

当断裂面的倾角小于90°时(正断层)，煤层边缘部位承受断裂下盘岩层运动的压力最大，冲击地压的发生率较高。断裂面倾角大于90°时(逆断层)，由于煤层上部岩层的运动受到限制，煤层边缘部位承受的压力集中程度不高，但穿过断层破坏区后承受的压力将增高很多。

3.3.2　断层区域冲击地压力学机制

采场推进过程常常伴随断层，需要对断层区煤岩运动进行力学分析，图3-14(a)是正断层展部形态，工作面接近断层时，顶板发生沿断层面的滑动下沉，断层切断的顶板受到上位岩层的下沉压缩、煤层的支撑、断层面的剪切力作用，见图3-14(b)，断层面的剪切作用力是断层面上的正应力作用的结果，见图3-14(c)，其表达式为：

顶板的平衡条件为：

图3-14　断层区力学模型

显然，改变煤层的力学性质，可实现断层面剪切力的变化，顶板水平应力未解除前(工作面与断层有一定距离)，通过降低煤层强度和支撑条件，将顶板压力转化为断层面的剪切力，达到降低煤层压力、控制煤层冲击的目的。