黑龙江省部分重点煤矿地震灾害预测与减灾措施研究报告

项目编号：GC07D306

黑 龙 江 省 软 科 学 项 目

研 究 报 告

项目名称：黑龙江省部分重点煤矿地震灾害

预测与减灾措施研究

项目完成单位：黑龙江省地震局震害防御处

2009年5月

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项目名称：黑龙江省部分重点煤矿地震灾害

预测与减灾措施研究

项目负责人所在单位：黑龙江省地震局

项目负责人：张凤鸣

项目组主要成员：郭德明 张天雷 郭悦立 杨文东

张震 夏凤伟

项目批准执行期限：2008.1－2008.12 批准项目总经费: 2.0万元

分年度下达经费额: 2008年2.0万元

完成时间：2009年3月 最终成果上报时间：2009年5月

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目 录

第一章 绪言

第一节 矿震与瓦斯突出研究现状

第二节 重点煤矿区是地震活跃与动力地质灾害严重地区 第三节 研究项目的任务及完成情况

第二章 本项研究的特色与创新 第三章 区域地质构造环境

第一节 大地构造位臵及构造单元划分 第二节 构造背景及构造格架 第三节 深部构造 第四节 断裂构造

第四章 煤矿地区地震危险性判定

第一节 新构造活动

第二节 区域地震活动图像及危险性判定

第五章 黑龙江省东部重点矿区附近区域地震活动性分析

第一节 地震活动时序分布特征 第二节 地震活动图象空间分布特征 第三节 矿区及附近地震活动强度预测

第六章 国内外矿井动力灾害概述与矿井动力现象研究进展

第一节 矿震概况

第二节 煤与瓦斯突出概况 第三节 矿震的类型及机理研究

第七章 黑龙江省东部煤矿矿震灾害调查情况 第八章 矿山开采诱发地质动力灾害机理研究

第一节 矿震机理研究进展 第二节 岩体结构失稳的基本概念 第三节 煤体压缩矿震发生机理

第四节 煤体压缩矿震发生时释放的能量及震级关系 第五节 顶底板拉伸矿震机理研究

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第六节 断层矿震发生的机理研究

第九章 黑龙江省东部矿区矿震、瓦斯突出与构造环境相关分析

第一节 黑龙江省东部矿区矿震震级频度关系 第二节 矿震的时间分布、震级分布 第三节 矿震的空间分布

第四节 矿震与区域地震的相关性分析 第五节 区域强震对矿区的地震烈度影响 第六节 区域地震与矿震应力场分析

第七节 固体潮对矿震和瓦斯突出现象的影响 第八节 矿震和瓦斯突出的伴随现象分析

第十章 防治和预防建议

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第一章 绪言

黑龙江省部分重点煤矿是指鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河四大煤矿。矿区附近历史上曾发生多次破坏性地震，对矿区有不同程度的影响。且现今煤矿区内时有矿震、瓦斯爆炸等动力地质灾害发生。本项研究通过地震活动和现代构造活动的考察研究、预测煤矿区的地震灾害，震害与煤矿动力灾害相迭加的综合因素，研究讨论减轻煤矿地震灾害的相应措施。

第一节 黑龙江省部分重点煤矿矿震与瓦斯突出研究现状

发生在地球系统中的对人类的生存和生活造成危害和威胁的各种自然界的变异事件称为地质动力灾害。地球内动力地质作用构架了地质灾害发生的本底和物质基础，地震活动是地球内动力地质作用的一种地质灾害。

我国是世界上第三大矿业大国，矿业在保障国民经济发展需要的同时，矿区的环境地质问题越来越突出。这里说的矿山地质灾害是指由于自然作用产生和矿山与地下工程活动诱发的导致地质体或地质环境发生变化。查明矿山主要环境地质问题及其危害、合理开发矿产资源、保护矿山地质环境、矿山环境整治、矿山生态恢复与重建、实施矿山地质环境监督管理显得越来越重要了。

一、矿震

矿山生产诱发的地震是一种动力地质现象本报告中简称矿震。目前研究动力地质灾害广泛采用地震学方法,探求矿震的孕育机理、防御和治理矿震动力灾害，我们研究的重要内容是应用地震学将矿井地震作为天然地震中小尺度的实验室，可使地震灾害和矿山灾害研究相得益彰。本项目研究分析了黑龙江省东部重点矿区附近区域地震活动的时空活动特征，在讨论矿山开采诱发地震的机理的基础上，着重应用地震学方法讨论矿震活动性。分析区域天然地震和矿震活动的可能相互关系，估计预测区域地震和矿震活动水平与灾害，提出相关减灾建议。

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图1.1煤矿环境地质灾害分类

根据图1.1的技术思路分析矿山灾害。在一定构造环境下，由于应力集中引起岩石破裂和应变能释放卸载都是煤矿开采过程中常见的工程诱发动力地质灾害，是人为外动力与自然力复合类的动力地质灾害，是世界范围内煤矿矿井中最严重地质动力灾害之一。矿震发生时，如同在煤岩体内装有大量炸药一样，煤和岩石突然被抛出。造成井下几米到几百米的巷道或采煤工作面被瞬间摧毁，支架折损，巷道堵塞，并伴有巨大声响和岩体震动，形成大量煤尘和强烈的空气波，其猛烈程度是人工支护难以抵挡的。被抛出的煤和岩石从几吨到几百吨，巨大声响和岩体震动，形成大量煤尘和强烈的空气波。形成矿区区域性地震，强烈矿震还会使地面建筑物受到一定程度的破坏。目前世界上记录到的最大震级己超过里氏5级。矿震的震动持续时间几秒到几十秒。由于震源多在地表下的数百至千米，矿震的烈度和破坏远大于同级天然地震。在瓦斯煤层，往往还伴有大量瓦斯涌出,造成矿井矿难。此外，开采还可能直接引起崩塌、冒落、瓦斯突出、采空区塌陷。

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由采矿引起的瓦斯爆炸、矿山地震（矿震，采掘界称冲击地压）频频出现，引起各国政府的高度重视。国际上瓦斯突出的机理研究始于20世纪60年代中期，南非的库克和前苏联的霍多特分别提出瓦斯突出（溢出）和冲击地压（矿震）的能量理论。近年来较先进的国家如加拿大、南非、波兰等国家已经形成了综合矿山地质灾害的概念，并研制综合监测硬件系统和相应的分析预警软件。国内至少已有101个煤矿有矿震的报道，对综合防御尚未形成共识，各种矿山动力地质灾害的监测和防治处于由相互分割向协同作战过渡的状态。

经过长时间的地下煤炭资源开采，引起矿区应力分布状态急剧变化，导致局部应力场调整加剧，诱发产生矿山地震和产生新的断层。矿井下的断层活化，致使井下煤层底板岩石突出，巷道受损，威胁井下生产安全；采空区塌陷地震及地表的大幅沉降和地表裂缝越来越严重，造成井坑和地面建筑物破坏加剧。矿山开采诱发地震和活断层对城市的危害很大。因此采矿诱发的动力地质灾害的潜在危险不断增强。

自1738年英国南斯塔福煤田发生了世界上首例矿震，目前世界上几乎所有采矿国家都有矿震发生。我国1933年在抚顺胜利矿发生了首例矿震，1960年1月20日南非的Coalbrock North煤矿发生了一次矿震，井下破坏面积达300万平方米，死亡432人，是目前煤矿矿震最大的一次灾难。1974年10月25日北京矿务局城子矿在回收煤柱时发生了震级为3. 9级的矿震，造成29人死亡。抚顺龙风矿1978年5月13日发生在602东翼采区1煤门5/4东工作面的震级为3.6级的矿震，造成煤炭破坏突出138. 6吨，4人死亡，6人被埋。

黑龙江省煤矿开采诱发的地震灾害也日益突出，1998年6月15日鹤岗富力煤矿2.5级矿震井下工作面严重破坏,造成1名矿工死亡。2001年2月1日鹤岗南山煤矿的M L：3.7矿震,这次矿震鹤岗市区震强烈,极震区部分矿工住宅出现损坏。2008年2月28日双鸭山东荣矿区发生2.8级和2.9级地震，中及邻近地区居民普遍有感，个别房屋震出裂缝。

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二、瓦斯突出

1834年法国鲁阿雷煤田伊萨克矿井发生了世界上第一次煤与瓦斯突出。十九世纪80年代，比利时的阿格拉普矿发生的一次煤与瓦斯突出，122名矿工丧生。据统计，目前大约有18个国家和地区有煤与瓦斯突出发生较为严重，其中中国、法国、俄罗斯、波兰、日本这五个国家的突出情况最为严重。突出的气体主要有CH4,CO2等。 中国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家，据统计突出总次数占世界各国总突出次数的三分之一以上。全国高瓦斯和突出矿井占全国矿井总数的40%以上。不完全统计1950年至2008年期间我国共发生煤与瓦斯突出15000余次，最大瓦斯突出强度8500吨，突出瓦斯主要为甲烷。黑龙江省东部矿区的一些煤矿是突出严重的地区。其中2005年11月27日七台河东风矿瓦斯突出爆炸死亡171人。

矿区大面积采空区的形成，严重影响矿山城市的环境。我国政府对矿山动力地质灾害十分重视。在发改委和科技部支持下，煤炭部门先后实施“九五”、“十五”煤矿安全生产科技攻关，就矿山地质灾害机理取得一系列基础性研究成果：采空区往往是煤矿大型地质灾害的主要原因；煤矿瓦斯突出和冲击地压不仅在动力学意义上具有内在的统一性，而且发生过程密切相关，较大矿震可能是高瓦斯煤矿瓦斯溢出的预警信号。“十一五”期间，国家科技部已经把煤矿安全的基础科学问题纳入国家重大研究973计划。

减轻构造地震与矿山动力地质过程迭加在一起的地质灾害要托高新技术，发展和完善新的探测手段（中小尺度台网），增强监测能力；探索煤矿地震灾害形成机制，增强预测能力；建立重点煤矿和大城市预警系统，提高应急救助的能力。

第二节 东部重点煤矿区是地震活跃与动力地质灾害严重地区 鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河等大型煤矿分别位于依兰—舒兰大断裂系、敦化—密山大断裂系附近，受这些大断裂系控制，在构造交汇处附近发生一系列破坏性地震活动。如1963年萝北5.8级地震、1948年穆棱5.7级、1979年桦南4.8级、1962年密山5.2级地震，

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均造成一定的破坏和伤亡。近年来煤矿区地震活动趋于活跃，依—舒断裂带尤其是北段几乎每个年度都被列重点监视危险区。

黑龙江省是采煤产煤大省，上述大型煤矿开采时间均在50～100年以上，随着开采深度的增加和采空区的不断扩大，自20世纪90年代以来，以矿震和瓦斯爆炸、采空区塌陷、崩塌、矿井突水为主的矿山动力地质灾害的问题越来越突出。前一节中介绍的煤矿动力地质灾害说明近十多年来,我省煤矿事故呈高发形势，威胁着矿区人员，尤其是第一线生产人员的生命安全，影响社会稳定、环境生态和经济的可持续发展，成为关系到国家战略安全的问题之一。

20世纪80年代以前限于当时的认识能力和矿山开采状况，人们还考虑不到构造地震和矿山灾害的关系。自20世纪90年代开始，随着矿山动力地质灾害越来越突出，日益引起政府和有关部门的重视，省政府领导多次批示有关部门加强监测和研究。我们从20世纪90年代开始研究煤矿地区地震和矿山灾害的关系。在研究鹤岗煤矿矿震发现，ML3.0级以上矿震时曾出现瓦斯气体益处量超出正常状态数倍的现象,表明矿震活动与瓦斯突出可能有一定关系，且矿震活动与区域应力场增强也有密切的关系。

第三节 项目研究的任务及完成情况 一、目的任务

研究本项期望通过地震活动和地质构造活动的调查和研究，进行黑龙江省四大煤矿、四大煤城地区地震危险性分析，预测煤矿区发生5级以上地震灾害，尤其是构造地震与煤矿动力灾害相迭加的综合震害，包括研究煤矿开采诱发动力地质灾害潜在危险、矿山地震及煤矿新产生的活断层对工程结构的影响，并针对四大煤矿的灾害特点，研究讨论减轻煤矿地震灾害的减灾对策和措施。

地质构造受到地壳运动的影响，其活动性影响地质灾害的发生。地球内部产生了构造应力，正是发生地质动力灾害的能量基础。构造规模大小及构造组合方式的不同导致了区域应力场包括主应力大小、主应力方向的不同，岩体应力状态的区域性分布恰好解释了地质动力

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灾害区域性、条带性分布的特点。矿区地震的“应力窗口”效应能够反映出矿区地质构造分布和应力场的变化，因此将矿区地震和矿井动力现象二者与地质构造和区域岩体应力场统一起来，结合地震和矿井动力现象发生的特点和机理，在时空关系上探讨地震和矿井动力现象之间的相关性。为预测矿井动力现象发生的危险区域提供了宏观上的指导作用。

二、工作方法及工作量

按项目计划完成研究区及附近地区地震活动性研究和地震危险及其对矿区影响判定；项目工作专门收集部分国内外采矿、地质、地震、地球物理研究矿震（矿山开采诱发地震）的成果和国内矿山冲击地震研究资料300余项，了解全球性矿山动力灾害状况和研究进展，学习和吸收已有科技成果。借助天然地震的分析方法,研究本研究区矿区矿山地震活动性时、空、强分布规律性，分析了鹤岗、双鸭山等矿区矿震及其矿区附近构造活动相关性。通过地震波反演计算矿山地震震源机制解，分析其与区域应力场关系。结合井下冲击地震震源调查和地表陷落区调查、瓦斯突出和相关工作检测结果，开展相关分析研究。讨论部分典型矿山开采诱发动力地质灾害与构造环境、开采范围、采空区及各种破坏事件的相互关系，与构造地质及构造地震关系。

项目组还专门收集黑龙江省煤田地质资料；收集和处理鹤岗地震台、双鸭山地震台的矿震记录资料；实地收集双鸭山、鹤岗、鸡西、七台河矿区开采和采空区及其相关治理资料；双鸭山、鹤岗、鸡西、七台河等矿区瓦斯溢出及检测资料。收集国家矿产部门统计的与黑龙江省煤矿相关的瓦斯突出矿难资料。开展了部分矿区地表陷落区调查，对几个较大矿震进行震源调查或专项资料的收集。在此基础上开展研究工作。

三、工作完成情况

在区域构造环境背景下，讨论构造与地震活动，用地震学方法研究区域地震活动特征，分析地震危险。研究工作着重将矿山动力灾害

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机理和特征作为工作重点，讨论矿震灾害及潜在危险。本项研究工作将地震监测设备所能监测到的全部矿山震动事件称为采矿诱发地震。而关于矿山动力灾害的称谓目前尚不规范,各类文献中使用的名称有10余种之多，其中以岩爆和矿震最为常见。

本项研究得到省科技厅的资助，预期1年，但研究期间发生汶川大地震，使研究工作推迟3个月完成。经过一年多的时间，完成下述工作任务和研究工作:

1.工作任务

（1）收集并总结了黑龙江省东部矿区的地震和黑龙江省东部重点矿区矿井动力现象的现有研究成果，分析了二者形成和显现的共性特点，讨论了矿井动力现象的发生机理。认为矿山开采生产活动是影响煤矿矿井动力现象的动力因素，它直接对区域应力场及其空间分布的变化产生作用；

（2）讨论了区域构造条件和地震活动的相关性，地震的发生特别是M≥4级以上地震,反映了断裂新活动导致的区域应力场分布的不均衡性和应力集中的特点。

（3）地质构造活动性影响地震现象和矿井动力现象的发生，地球内部的构造应力场是二者发生的能量基础。在此基础上，将地震现象和矿井动力现象统一起来进行研究，对导致地质动力现象的共性因素――全球板块运动所引起的区域构造活动和应力场变化以及宇宙天体活动对地球的影响进行了研究，讨论地震和煤与瓦斯等动力现象之间的可能联系。

（4）对天然地震和矿山开采诱发的地震的地震学讨论、对多个天然地震和矿山开采诱发的地震的震源机制解的研究所得出的区域各断层产状和力学性质进行分析及其矿区应力场变化的分析，推断出该区现代构造应力场(大小和方向)的分布特征。

2.研究工作

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主要进行了以下的研究工作:

（1）以区域构造环境为基础，讨论区域地震活动水平，分析各矿区及邻近地区的地震活动背景；

（2）对国内外关于地震和矿井动力现象的现有研究成果进行了总结;

（3）研究黑龙江省东部重点矿区相关地质灾害的分布特点，分析地质构造形迹、构造组合方式和应力场对地震和矿井动力现象的统一控制机理;

（4）利用区域构造、地震活动、矿井动力现象研理论对矿区地震和煤与瓦斯突出和频繁发生的现象进行解释;讨论了固体潮对本地区地震和煤与瓦斯突出现象的影响情况;

（5）分析本地区的地震和煤与瓦斯突出资料，从时间和空间上论证二者的可能相关性。

突出用研究天然地震的方法来研究矿震，探讨矿震与地震之间存在着的关系。包括以下几个方面:

a.区域矿震及其活动现象； b.论述材料失稳的一般概念;

c.对矿震的机理进行研究，讨论煤体压缩矿震的发生准则和发生条件，从能量角度探讨了压缩矿一震的震级并与统计数据分析比较; 对比探讨顶板拉伸矿震的发生机理和发生准则，并对工作面拉伸矿震进行解析分析，从统计数据对矿震震级进行估计；

d.探讨断层矿震的成因，给出其发生准则和发生条件，从统计数据对矿震震级进行估计;

e.对收集的现场矿震数据进行统计，从矿震发生次数与震级分析来研究矿震与地震的相关性；

f.对收集的现场矿震数据进行统计，从矿震发生次数与震级分析来研究矿震与地震的相关性；

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g.试图从矿震与地球固体潮关系来研究矿震与地震的相关性; h.从矿震时空分布来探讨其与天然地震的相关性。

项目资助金额为人民币20000元,2008年初一次拨款,项目执行期限2008年1月---2008年12月,2008年12月完成计划任务。2009年3月完成报告初稿，4月再度修改，5月完成最终上报稿。

希望本项研究有可能为减轻地震灾害、为煤矿城市的安全生产和土地规划决策提供一个方面的科学依据，能够发挥保障矿区人民生命财产安全的现实社会意义。

3.组织实施

项目工作负责：张凤鸣 郭德明

主要工作人员：张天雷（黑龙江省地震监测中心），郭悦立（黑龙江省地震监测中心），杨文东（黑龙江省地震局监测预报处），张震（鹤岗地震台），夏凤伟（双鸭地震台）。

本项目研究得到双鸭山、鹤岗、鸡西、七台河矿务局；双鸭山、鹤岗、鸡西、七台河市地震局；鹤岗地震台；黑龙江省煤田地质研究所等有关单位和人员的大力支持和协助，为研究工作的进行提供方便和资料。在此一并深致谢意！

第二章 本项研究的特色与创新

一.构造活动和地震对矿井动力现象的影响

在矿井动力现象的研究工作中，过去地震部门参与的较少，主要是山矿山部门来进行的，地震方面取得的成熟理论和经验未得到充分的利用，矿井动力现象和矿区地震这二者之间的关系还没有引起足够的重视，将二者结合起来进行研究的更是少之又少。地震机制解的研究结果在时间上和空间上都能反映出矿区应力场变化特征，起到“应力窗口”效应。试图透过这个应力窗口来研究煤与瓦斯突出与地震之间存在某种内在联系，讨论严重突出矿井的分布与地震的分布关系，地震影响矿山动力现象的发生等问题。

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本研究项目从地震与矿震的相关性的角度研究矿震发生机理。矿震是在煤矿或岩石工程的采掘过程中发生的一种破坏性的失稳，其突然性、破坏性与地震存在相似之处。但以往国内外专家学者较少或没有从地震的角度去研究矿震，大都就矿震而研究矿震。从矿井下已经感觉到的来自采掘面之下的一些深部震动的实际情况，我们认为在浅部开采层发生的地质体或岩石工程的突然失稳是矿震，而震动向深部开采层以下发展成为地震。

研究工作尝试将地震和矿井动力显现结合起来研究，对导致地质动力现象的共性影响因素，大区域构造活动所引起的局部区域构造活动和应力场变化以及宇宙天体活动影响进行了讨论。讨论了大范围内地质灾害之间的内在联系。一方面是对矿井动力现象的有益探讨，也是对矿区构造地震和矿震研究的有益补充。

二.地质构造对矿震的影响及矿山开采诱发地震研究

地震发生在地下深处，是岩石圈断裂在构造应力作用下突发失稳的结果，岩石圈是地震孕育和发生的母体，地震则是岩石圈变形和运动的表现力方式之一。晚第四纪一直持续至今的岩石圈构造变动是产生地震的最根本因素。正是这一现今构造变动造就了中国大陆活动地质构造的框架，使得中国大陆在这一基本框架的制约下，在周围板块的挤压、板内局部地幔对流等动力输入和各块体之间相互作用下，在广阔的时空域内不断地进行着复杂的构造变动，控制着强烈地震的频繁发生并影响地下采掘活动。研究区的煤矿分布广而多，发生构造矿震的煤矿有几十座。这说明构造矿震具有特殊的环境条件。地层在构造应力场的作用下，形成各种各样的地质构造，这样的构造如断层、褶曲等对矿井动力现象的发生有较大的影响。地下采掘活动使地层中原始应力场的平衡状态遭到破坏，现今构造变动极为强烈。加之产生附加应力。在附加应力作用下，受采动影响的岩体将发生极为复杂的运动过程，产生这种运动的发生前提条件是开采空间的存在。受采动

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影响上覆岩层在重力作用下运动。采空区上方覆岩中某一层位的岩层(簇)弯曲形式不仅取决于本身的物理力学性质(几何尺寸、力学参数)，而且与采空区尺寸(开采跨度)密不可分。煤矿区覆岩是以沉积形式为主要特点，在成岩过程中，层间的粘结力各不相同，在剪应力和拉应力作用下，极易于层面拉开，岩层以单层或多层(层簇)形式弯曲下沉。在开采跨度很小时，弯曲下沉影响。形成大面积采空区时，就会发生沉降或塌陷。

三.地质构造对煤与瓦斯突出的影响

国内外突出事例的统计分析表明，煤与瓦斯突出在矿井(田)中的分布是不均匀的，比较集中的分布在某些地质构造带，特别是对矿区或矿井总体上起控制作用的断层及褶皱，往往对突出条件及突出地点的分布起着显著的作用和影响，称之为区域性分布。

研究区多为在地质异常地段，由于在构造变动过程中煤岩体遭到了不同程度的破坏，煤岩体的坚固性系数变小，瓦斯放散初速度大大提高，地质异常区往往也存在着较大的地应力，如果这一地区瓦斯封闭良好，瓦斯含量和瓦斯压力相应增高，给突出的发生创造了有利的条件。而断层对突出的影响最为复杂，产生断层是地应力释放的结果，因此，在这个意义上讲，断层在某种程度上可以减少突出，但是，很多时候断层又作为突出的初始通道或突破口，反而增大了突出的危险性。一般情况，压性或压扭性断层为封闭构造，瓦斯含量较高，瓦斯压力大，突出危险性高。

四.矿井动力现象发生的统一机理分析

据煤岩体变形破坏机理学说，煤岩体在外力作用下变形破坏的过程是煤岩体内裂纹裂缝发生发展为主导的过程，在临近峰值强度附一近，裂纹在局部区域密集出现裂缝。超过峰值强度后，裂纹裂缝密集开始出现破坏，出现了包括裂纹在内的广义应变集中区，区内煤岩介质的性质发生显著变化，其抵抗变形的能力随变形增大而提高，突变

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