沖擊地壓頻發(fā)區(qū)礦震破裂機(jī)制與震源參量響應(yīng)規(guī)律

曹安業(yè)，陳 凡，劉耀琪，竇林名，王常彬，楊 旭，白賢棲，宋士康

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

沖擊地壓作為一種煤礦中強(qiáng)烈動(dòng)力現(xiàn)象，其發(fā)生時(shí)往往伴隨礦震的產(chǎn)生，如我國(guó)歷史上曾發(fā)生過摧毀巷道500余米，礦震震級(jí)可達(dá)4.3級(jí)的沖擊地壓。近年來(lái)我國(guó)煤礦礦震現(xiàn)象以前所未有的頻度、強(qiáng)度和復(fù)雜性開始表現(xiàn)出來(lái)，2020年底以來(lái)，榆林金雞灘煤礦、山東星村煤礦、滕東煤礦、內(nèi)蒙古石拉烏素煤礦、紅慶河煤礦等區(qū)域陸續(xù)發(fā)生強(qiáng)礦震現(xiàn)象(最大震級(jí)3.1級(jí))，僅鄂爾多斯礦區(qū)2021年先后發(fā)生6次2.0級(jí)以上礦震事件，導(dǎo)致礦震成為敏感話題甚至引起社會(huì)恐慌。強(qiáng)烈礦震活動(dòng)不僅易引起井下沖擊地壓等動(dòng)力顯現(xiàn)，甚至導(dǎo)致地表晃動(dòng)、塌陷以及建筑物損毀等后果。目前，科學(xué)界和工程界對(duì)礦震現(xiàn)象的孕育演化機(jī)制、響應(yīng)信息特征等認(rèn)識(shí)不清，亟需從新的角度和更本質(zhì)的層面對(duì)礦震破裂與力學(xué)機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究。

礦震的破裂與致災(zāi)機(jī)制研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了初步嘗試。竇林名等將礦震劃分為采動(dòng)破裂型、巨厚覆巖型與高能礦震型，并開展了采空區(qū)礦震衰減規(guī)律研究。尚曉光等提出采用地面直井水壓致裂防治巨厚硬巖運(yùn)動(dòng)型礦震。朱斯陶等對(duì)隔離煤柱區(qū)沖擊地壓和礦震的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，提出沖擊地壓-礦震協(xié)同控制的隔離煤柱寬度設(shè)計(jì)方法。丁鑫等進(jìn)行了不同夾矸和原始裂隙煤巖單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了聲發(fā)射信號(hào)頻率、幅值與裂紋表征的定性關(guān)系。曹安業(yè)等理論分析了采動(dòng)煤巖在剪切、拉伸等破裂模式下的能量輻射與應(yīng)力降特征。ORLECKA等研究了礦井同一區(qū)域發(fā)生的2次強(qiáng)礦震引起的靜載荷應(yīng)力轉(zhuǎn)移對(duì)后續(xù)礦震活動(dòng)的影響。RUDZINSKI等研究了礦震震源位置和震源機(jī)制與坍塌隧道上方地表變形間的內(nèi)在聯(lián)系。MENDECKI等研究了強(qiáng)礦震發(fā)生前工作面前方的微震能量釋放規(guī)律。

隨著微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在沖擊地壓礦井的廣泛部署與應(yīng)用，基于微震全波形的矩張量反演理論在礦震破裂機(jī)制研究方面得到快速發(fā)展。陳棟等基于Brune模型求解了千秋煤礦震源參數(shù)，并分析了千秋煤礦微震震源參數(shù)以及震源機(jī)制特征。井廣成等在優(yōu)化震動(dòng)波位移以及破裂面產(chǎn)狀求解方法的基礎(chǔ)上，分析了褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓震源破裂機(jī)制。李楠等提出在煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入三分量傳感器收集高信噪比的P/S波信號(hào)，進(jìn)一步提高矩張量反演精度。明華軍等采用矩張量反演法分析了錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞典型巖爆孕育以及巖石破裂演化機(jī)制。DAHM等基于人工合成信號(hào)提出了巖石破裂的相對(duì)矩張量反演方法，并探索了該方法應(yīng)用于地震和聲發(fā)射事件破裂機(jī)制反演的可能。STEC K等通過對(duì)震源機(jī)制參數(shù)的分析確定了引起高能量礦震的力學(xué)條件。上述研究證明了矩張量理論用于礦震和巖石破裂機(jī)制反演的可能性，但是目前的矩張量反演方法多由地震或聲發(fā)射等領(lǐng)域引入，若直接應(yīng)用于煤礦礦震反演仍存在一定局限性，如在地震領(lǐng)域使用較為成熟的絕對(duì)矩張量反演法要求構(gòu)建精確的地層波速結(jié)構(gòu)模型以及足夠數(shù)量(至少6個(gè))的高信噪比遠(yuǎn)場(chǎng)波形等，而受困于煤礦復(fù)雜的采掘環(huán)境與不斷挪移的微震臺(tái)站，絕對(duì)矩張量反演在煤礦中的反演條件苛刻，并且精度有限，甚至對(duì)于低能量礦震或者臺(tái)站稀疏的情況下難以進(jìn)行反演；同時(shí)求得礦震震源機(jī)制解后如何將其應(yīng)用于礦震破裂類型的分析仍缺乏充足研究。

針對(duì)目前矩張量反演法在煤礦應(yīng)用條件苛刻，反演效率低等問題，筆者在分析矩張量反演礦震震源破裂機(jī)制原理的基礎(chǔ)上，提出以震源群為單位進(jìn)行反演，針對(duì)煤礦微震臺(tái)站稀疏、有效遠(yuǎn)場(chǎng)波形少的問題提出以臺(tái)站為對(duì)象構(gòu)建反演矩陣，并推導(dǎo)反演所需最低射線數(shù)與震源數(shù)條件，優(yōu)化礦震震源破裂類型判識(shí)方法，并計(jì)算相應(yīng)的震源力學(xué)參量。同時(shí)，以褶皺構(gòu)造區(qū)、深埋斷層區(qū)以及高應(yīng)力大巷煤柱區(qū)等沖擊地壓頻發(fā)區(qū)強(qiáng)礦震記錄為基礎(chǔ)，反演求解了強(qiáng)礦震震源破裂機(jī)制以及震源參量，并系統(tǒng)分析了震源類型與力學(xué)參量響應(yīng)規(guī)律，以期為礦震震源破裂力學(xué)機(jī)制分析提供新的途徑。

1 礦震震源破裂機(jī)制的相對(duì)矩張量反演方法

1.1 矩張量反演震源破裂機(jī)制原理

矩張量反演是震源機(jī)制反演的一種方法，目的是利用震源破裂時(shí)監(jiān)測(cè)到的遠(yuǎn)場(chǎng)位移和描述介質(zhì)響應(yīng)特征的脈沖函數(shù)來(lái)計(jì)算震源破裂的等效力。經(jīng)過不斷發(fā)展，等效力模型由單力模型到集中力偶再到目前廣泛接受的雙力偶模型。該模型用一個(gè)二階張量表示震源破裂所受的力，笛卡爾坐標(biāo)系下9個(gè)矩張量分量如圖1所示，矩張量可表示為

圖1 笛卡爾坐標(biāo)系下的9個(gè)矩張量分量示意

(1)

矩張量反演需滿足一定的假設(shè)：當(dāng)震源尺寸遠(yuǎn)小于觀測(cè)距離和地震波波長(zhǎng)時(shí)可將震源假設(shè)為點(diǎn)源，才可用矩張量表示震源的受力狀態(tài)；此外根據(jù)同步震源假設(shè)，在監(jiān)測(cè)端產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)位移振幅可表示為

(2)

其中，,為格林函數(shù)，表示震源和監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間介質(zhì)的脈沖響應(yīng)；為矩張量分量，下標(biāo)，分別代表張量的作用方向和指向(圖1)。式(2)的矩陣形式為

=

(3)

式中，為遠(yuǎn)場(chǎng)位移矩陣；為格林函數(shù)矩陣。研究證明低頻位移幅值可作為震動(dòng)的遠(yuǎn)場(chǎng)位移值，計(jì)算方法為

(4)

式中，2，2分別為速度平方譜和位移平方譜時(shí)域積分結(jié)果;為波形低頻位移幅值。

遠(yuǎn)場(chǎng)位移初動(dòng)方向需同時(shí)考慮震源和臺(tái)站的相對(duì)位置，判斷方法為

矩張量反演的任務(wù)是根據(jù)式(3)的關(guān)系求得的解，并對(duì)進(jìn)行分解以對(duì)震源破裂機(jī)制做出解釋。根據(jù)對(duì)格林函數(shù)的處理方式矩張量反演可分為絕對(duì)、相對(duì)以及混合反演法。

絕對(duì)矩張量反演原理如圖2所示(圖中A或B(=1,2,…，6)為描述震源A或B與不同臺(tái)站間介質(zhì)響應(yīng)特征的格林函數(shù)，為臺(tái)站編號(hào))。絕對(duì)矩張量法反演主要取決于格林函數(shù)的精度，混合矩張量法雖通過反復(fù)迭代降低了噪聲影響，但反演原理與絕對(duì)法相同。目前的格林函數(shù)多基于各向同性假設(shè)，而由于煤巖介質(zhì)的非均質(zhì)性以及各向異性影響，構(gòu)建適用于煤礦介質(zhì)的格林函數(shù)較困難，且我國(guó)沖擊地壓礦井建設(shè)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多為單分量探頭，或?qū)е芦@得的有效波形較少，多數(shù)情況下難以構(gòu)建反演矩陣。相對(duì)矩張量反演方法在一定程度上克服了上述缺點(diǎn)，為煤礦礦震震源機(jī)制高精度反演提供了思路。

圖2 絕對(duì)矩張量反演法原理示意

1.2 相對(duì)矩張量反演原理與反演矩陣構(gòu)建

相對(duì)矩張量反演法最早由德國(guó)學(xué)者DAHM提出，其核心理念是根據(jù)震動(dòng)波射線傳播理論對(duì)格林函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，避免直接求解格林函數(shù)，一定程度上降低了介質(zhì)各向異性以及非均質(zhì)性對(duì)構(gòu)建格林函數(shù)的影響。

圖3 相對(duì)矩張量反演法原理示意

(5)

式中，為矩張量分量的線性組合；為震源的輻射花樣部分，共分為P，SH和SV三種輻射花樣，(=1,2,…,6)為矩張量的6個(gè)主軸方向。

通過構(gòu)建合理的反演矩陣，可將式(5)中震動(dòng)波傳播的線性部分(項(xiàng))消除。當(dāng)認(rèn)為震源群內(nèi)所有震源具有相同的精度，并以臺(tái)站為對(duì)象構(gòu)建矩陣時(shí)，可得

(6)

式中，為根據(jù)第個(gè)臺(tái)站所構(gòu)建的矩張量反演系數(shù)矩陣((-1)2行，6列，為第個(gè)臺(tái)站接收的震源總數(shù))；為震源群內(nèi)第個(gè)震源矩張量構(gòu)成的列矩陣；任一行具體的形式為

(7)

式中，與均為被臺(tái)站所接收到的震源編號(hào)；0，0與0為單行零矩陣，其列數(shù)分別等于6(-1)，6(+-1)與6(-)，為震源總數(shù)；的具體形式為

(8)

1.3 反演條件核算

射線與震源數(shù)條件

假設(shè)反演過程中共有個(gè)臺(tái)站、個(gè)震源參與計(jì)算，并且各臺(tái)站監(jiān)測(cè)到的最少射線數(shù)為，個(gè)震源構(gòu)建的矩陣行數(shù)必然大于6，則單臺(tái)站射線數(shù)條件需滿足的條件為

(9)

同時(shí)，要求單臺(tái)站射線數(shù)不大于震源數(shù)，則有

(10)

聯(lián)立式(9)，(10)可得反演所需的最低射線與震源數(shù)條件為

(11)

遠(yuǎn)場(chǎng)條件

礦震矩張量反演的前提為震源與臺(tái)站需滿足遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)。文獻(xiàn)[22]指出在不考慮矩張量前提下，礦震震源激發(fā)的震動(dòng)波位移場(chǎng)傳播時(shí)其近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)項(xiàng)::近似有

(12)

其中，為震動(dòng)波傳播距離；為拐角頻率，且=1(2)；，分別為P波及S波波速；為震動(dòng)波具有最大振幅的單個(gè)脈沖寬度。大能量事件的通常小于40 Hz，假設(shè)=40 Hz，=3 000 m/s，當(dāng)=500 m時(shí)，::≈1∶1∶21，遠(yuǎn)場(chǎng)位移占主導(dǎo)，近、中場(chǎng)項(xiàng)基本可忽略，因此將礦震震源與臺(tái)站距離大于500 m作為遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

求解方法

當(dāng)完成礦震震源群篩選以及反演矩陣構(gòu)建后，需進(jìn)一步求解反演矩陣以獲得矩張量。式(6)的矩陣形式為=。由于矩陣并非方陣，無(wú)法直接對(duì)其求逆，因此需對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

(13)

因此，可將求轉(zhuǎn)化為求[]，可采用奇異值分解的方法進(jìn)行求解。對(duì)進(jìn)行奇異值分解可得

=

(14)

其中，，為維度為的方陣，因此[]的求解可轉(zhuǎn)化為

(15)

由于為正交矩陣，式(15)進(jìn)一步可轉(zhuǎn)化為

[]=[]

(16)

將式(16)代入式(13)可得

(17)

因此將求轉(zhuǎn)化為求方陣[]的特征值和特征向量，進(jìn)一步求解式(17)可獲得礦震震源群的矩張量。

2 礦震震源機(jī)制解與震源參量

礦震震源機(jī)制解包括震源破裂類型以及破裂面產(chǎn)狀。求得震源矩張量后，進(jìn)一步對(duì)后處理可用于判別震源破裂類型，目前最常用的方法其一為根據(jù)矩張量中雙力偶()的占比進(jìn)行劃分：≥60%為剪切破裂，40%<<60%為混合破裂，≤40%為拉張破裂；其劃分準(zhǔn)則為OHTSU根據(jù)室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)總結(jié)得出，在煤礦中的適用性仍有待考量。此外，明華軍等提出利用位錯(cuò)夾角作為判別依據(jù)，但其提出的角判別準(zhǔn)則研究對(duì)象為隧道開挖，將其直接用于煤礦開采的礦震破裂類型判別是不可取的，因此有必要建立適用于煤礦礦震破裂類型角判別準(zhǔn)則。

2.1 礦震震源破裂類型判識(shí)

當(dāng)煤巖體發(fā)生破裂后，破裂面將產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，圖4為簡(jiǎn)化后的震源位錯(cuò)模型示意。其中代表破裂面(法向向量、傾角與滑動(dòng)角均為0)；代表破裂面錯(cuò)動(dòng)向量(為剪切位移；為拉張(壓縮)位移)；為破裂面和間的位錯(cuò)夾角。

圖4 簡(jiǎn)化的位錯(cuò)模型示意

，與錯(cuò)動(dòng)位移向量在破裂面的投影向量為

=sin+cos

(18)

其與矩張量的關(guān)系為

(19)

其中，，分別為體積模量和剪切模量；為破裂面的錯(cuò)動(dòng)量；為破裂面的錯(cuò)動(dòng)面積。由式(19)可得

(20)

式中，，和分別為矩張量本征值化后的最大、中間以及最小特征值。

文獻(xiàn)[21]研究表明采用位錯(cuò)夾角用作判別準(zhǔn)則時(shí)需考慮判別對(duì)象的強(qiáng)度關(guān)系(單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度)。為得出基于的一般判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，筆者假設(shè)煤巖體的抗壓強(qiáng)度≈3倍抗剪強(qiáng)度≈10倍抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而可得出基于α的煤礦礦震破裂類型的判識(shí)準(zhǔn)則：

(21)

2.2 礦震破裂面產(chǎn)狀求解

將矩張量本征值化可得到破裂面和與，和的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(22)

式中，，分別為矩張量最大和最小特征值對(duì)應(yīng)的單位特征矢量，滿足⊥。通過對(duì)破裂面的和進(jìn)一步分解可獲得破裂面產(chǎn)狀，包括破裂面的走向角、傾向角以及滑動(dòng)方向。

2.3 震源力學(xué)參量計(jì)算

震源力學(xué)參量是表征礦震發(fā)生前后震源處應(yīng)力調(diào)整和狀態(tài)改變的物理量。不同的震源參量分別可表征震源的破裂強(qiáng)度、擾動(dòng)規(guī)模以及應(yīng)力調(diào)整。常見的震源參量及其物理含義見表1。

表1 常見震源參量以及物理含義

3 褶皺構(gòu)造區(qū)礦震震源破裂機(jī)制與震源參量響應(yīng)規(guī)律

以甘肅某礦為例，如圖5所示，該礦主采5號(hào)煤，煤厚為17.58～48.01 m，平均37.51 m，具有強(qiáng)沖擊傾向性。其中250105工作面位于該礦最東部，背向斜褶皺構(gòu)造發(fā)育，采深為500～700 m，受復(fù)雜褶曲構(gòu)造與大埋深等影響，250105工作面2014-03—2015-05回采期間發(fā)生沖擊顯現(xiàn)34次，并伴有大能量事件產(chǎn)生。

圖5 甘肅某礦煤層等高線

該礦250105工作面回采期間監(jiān)測(cè)到的典型強(qiáng)礦震波形如圖6所示。由圖6可知該次強(qiáng)礦震造成個(gè)別通道(如1號(hào)、2號(hào)、13號(hào)與16號(hào)通道)超限；而其余距離震源較遠(yuǎn)的臺(tái)站監(jiān)測(cè)到的波形則持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，衰減速度慢，說明該礦強(qiáng)礦震擾動(dòng)劇烈，危險(xiǎn)性高。

圖6 甘肅某礦典型強(qiáng)礦震波形

圖7為250105工作面34次沖擊型礦震震源機(jī)制與震源參量分布特征。如圖7(a)所示，250105工作面回采期間34起沖擊地壓事件中拉張破裂占20次，剪切破裂占14次，表明拉張破裂占主導(dǎo)；此外，拉張破裂震源主要位于頂板及煤層之中，而剪切破裂則主要位于煤層附近；由此可見工作面回采過程中高、低位頂板的離層與張性破斷是頂板型強(qiáng)礦震的主要原因；而高水平構(gòu)造應(yīng)力下底板的屈曲剪切破壞是強(qiáng)礦震顯現(xiàn)的主要因素。

如圖7(b)所示，沖擊型礦震活動(dòng)的破裂面走向無(wú)明顯趨勢(shì)，多數(shù)拉張型礦震破裂面傾角小于30°，而剪切型礦震傾角多大于30°，表明強(qiáng)礦震破裂面產(chǎn)狀與破裂類型關(guān)系密切；此外，位于頂板中的拉張型礦震與煤層中相比具有更大的破裂面傾角，而底板中的礦震破裂面傾角則均大于60°，表明強(qiáng)礦震破裂面產(chǎn)狀與震源層位密切相關(guān)。

圖7(c)為34起沖擊型礦震事件平均震源參量與破裂類型對(duì)比結(jié)果，由震源破裂強(qiáng)度來(lái)看(輻射能量和地震矩)，拉張型礦震與剪切型礦震的輻射能量相差較小，剪切型礦震的地震矩僅比拉張型礦震高出12%左右，表明2種破裂機(jī)制在震源強(qiáng)度方面差距較小；從震源擾動(dòng)程度來(lái)看(震源半徑和視體積)，2者的震源半徑差距極小，而拉張型礦震的視體積為剪切型礦震的1.28倍，表明褶皺構(gòu)造區(qū)拉張型礦震具有更大的擾動(dòng)規(guī)模；對(duì)于震源的應(yīng)力調(diào)整情況(應(yīng)力降和視應(yīng)力)，2者的視應(yīng)力差距不明顯，而剪切型礦震的應(yīng)力降比拉張型礦震高10%左右，表明強(qiáng)礦震破裂類型對(duì)震源處應(yīng)力調(diào)整幅度的影響較小。

圖7 褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊型礦震震源機(jī)制與震源參量響應(yīng)特征

4 深埋斷層構(gòu)造區(qū)礦震震源破裂機(jī)制與震源參量響應(yīng)規(guī)律

如圖8所示，山東某礦3302工作面埋深可達(dá)1 200 m，靜載水平較高，并且工作面中部受斷層切割，構(gòu)造應(yīng)力水平較高。3302工作面2015年6—8月回采期間連續(xù)監(jiān)測(cè)到35起大能量礦震事件(包括多起沖擊地壓顯現(xiàn))，這里以該35起大能量礦震事件為對(duì)象探究深埋斷層構(gòu)造區(qū)礦震震源破裂機(jī)制與震源參量響應(yīng)規(guī)律(圖8中序號(hào)①～⑦表示震源能量6次方以上的事件震源定位)。

圖8 山東某礦3302工作面沖擊型礦震震源平面定位結(jié)果

3302工作面回采期間監(jiān)測(cè)到的典型強(qiáng)礦震波形如圖9所示。由圖9可知該礦強(qiáng)礦震同樣可造成若干通道超限，同時(shí)其震動(dòng)主頻較高，極易誘發(fā)煤巖體產(chǎn)生破壞。

圖9 山東某礦3302工作面典型強(qiáng)礦震波形

圖10為深埋斷層構(gòu)造區(qū)礦震震源機(jī)制與震源參量分布特征。從震源的層位分布來(lái)看，其主要分布于煤層或低位頂板中，部分位于高位頂板中(圖10(a))；其中高低位頂板破裂震源均為拉張破裂，而煤體中的礦震震源以剪切破裂為主，剪切破裂源主要集中于工作面周圍。說明在深埋斷層構(gòu)造區(qū)開采時(shí)，工作面強(qiáng)擾動(dòng)易誘發(fā)斷層活化，斷層附近的煤巖體容易產(chǎn)生滑移破裂，矩張量中剪切成分占主導(dǎo)；同時(shí)由于斷層活化容易導(dǎo)致采空區(qū)頂板破斷失穩(wěn)，產(chǎn)生拉張型破裂模式。

如圖10(b)所示，不論是拉張破裂還是剪切破裂型震源其方位角約為150°或300°，與工作面推進(jìn)方向近似平行；此外，大部分礦震震源的傾角小于40°，只有個(gè)別震源傾角大于60°，表明深埋斷層構(gòu)造區(qū)開采時(shí)強(qiáng)礦震破裂產(chǎn)狀與工作面推進(jìn)方向以及斷層方位聯(lián)系密切。

圖10 深埋斷層區(qū)礦震震源機(jī)制與震源參量響應(yīng)特征

由圖10(c)可知，拉張型礦震的輻射能量顯著高于剪切型礦震，而剪切型礦震的地震矩則明顯高于拉張型礦震。這說明頂板破斷自身釋放的能量大，且由于頂板較為致密，傳播過程中衰減少，而斷層處煤巖體較為破碎，破裂產(chǎn)生的能量衰減較為迅速；同時(shí)由于斷層附近剪切破裂產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)面積大，造成其地震矩明顯高于拉張型礦震。

從擾動(dòng)規(guī)模來(lái)看，2類礦震的震源半徑相差較小，而視體積差距較大，剪切型礦震的平均視體積約為拉張型礦震的3倍，表明斷層構(gòu)造區(qū)異常的應(yīng)力分布可加劇震源破裂的擾動(dòng)規(guī)模。

從應(yīng)力調(diào)整程度來(lái)看，2類礦震的應(yīng)力降差距較小，而拉張型礦震的視應(yīng)力顯著高于剪切型礦震；表明礦震發(fā)生后頂板處仍可能具有較高的應(yīng)力集中水平，而斷層附近應(yīng)力可得到充分的釋放。

5 高應(yīng)力大巷煤柱區(qū)礦震震源破裂機(jī)制與震源參量響應(yīng)規(guī)律

彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦主采4煤層，平均煤厚9.43 m，埋深為800～1 000 m。礦井自2014年7月揭煤以來(lái)，受大埋深、巷道密集以及大面積采空等影響，該礦一盤區(qū)大巷掘進(jìn)和使用期間發(fā)生多起沖擊動(dòng)力顯現(xiàn)，沖擊顯現(xiàn)區(qū)域如圖11所示。這里選取該礦2018年8—10月期間大巷煤柱區(qū)發(fā)生的5起沖擊型礦震事件和45起大能量礦震事件為對(duì)象，探究高應(yīng)力大巷煤柱區(qū)礦震震源破裂機(jī)制與震源參量響應(yīng)規(guī)律。

圖11 彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦大巷布置與沖擊顯現(xiàn)區(qū)域示意

該礦某次強(qiáng)礦震波形如圖12所示。由圖12可知該礦強(qiáng)礦震波形具有震動(dòng)幅值大，衰減緩慢的特點(diǎn)，側(cè)面說明強(qiáng)礦震發(fā)生前震源區(qū)域應(yīng)力水平高，煤巖體積蓄了大量彈性能，震源破裂誘發(fā)沖擊的可能性也越高。

圖12 彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦強(qiáng)礦震典型波形

圖13為高應(yīng)力大巷煤柱區(qū)礦震震源機(jī)制與震源參量分布特征。由圖13(a)可知，50起強(qiáng)礦震事件中剪切破裂占46次，拉張破裂僅占4次，剪切破裂占主導(dǎo)。此外，5個(gè)沖擊震源的水平投影均位于大巷煤柱區(qū)，垂向上位于煤層或臨近煤層，說明在高應(yīng)力影響下，煤柱由于原生裂隙的存在，極易沿裂隙發(fā)生剪切失穩(wěn)。此外由圖13(b)可知，強(qiáng)礦震破裂面的走向角多集中于120°～150°與310°～330°，傾角多小于60°，結(jié)合巷道所處的地質(zhì)背景可知，煤柱區(qū)高靜載應(yīng)力(大埋深、孤立煤柱等)、巷道密集布置等原因影響下，煤柱極易在頂?shù)装宓膴A持作用下沿應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向發(fā)生連續(xù)性剪切破壞。

圖13 高應(yīng)力大巷煤柱區(qū)礦震震源機(jī)制與震源參量響應(yīng)特征

由圖13(c)可知，除視應(yīng)力外，剪切型礦震震源參量平均值均明顯高于拉張型礦震，表明當(dāng)高應(yīng)力巷道發(fā)生剪切型礦震時(shí)沖擊危險(xiǎn)性顯著高于拉張型礦震。

6 結(jié) 論

(1)提出采用相對(duì)矩張量法反演煤礦開采礦震破裂機(jī)制，并針對(duì)煤礦背景構(gòu)建了反演矩陣，推導(dǎo)了最低射線數(shù)與震源數(shù)條件，優(yōu)化了震源破裂類型判識(shí)方法，提高了反演精度與效率。

(2)典型褶皺構(gòu)造區(qū)開采頂板中礦震以拉張破裂占主導(dǎo)，煤體中礦震以剪切破裂占主導(dǎo)；礦震破裂面產(chǎn)狀與震源層位關(guān)系密切；拉張型與剪切型礦震的震源破裂強(qiáng)度與應(yīng)力調(diào)整程度差異較小，而拉張型礦震的擾動(dòng)規(guī)模更大。

(3)深埋斷層構(gòu)造區(qū)開采高低位頂板震源均為拉張型破斷，剪切破裂源主要集中于工作面周圍；拉張型礦震具有更高的輻射能量而剪切型礦震則地震矩更高；兩者震源半徑相差較小，而剪切型礦震的視體積約為拉張型礦震的3倍；2類礦震的應(yīng)力降差距較小但拉張型礦震的視應(yīng)力明顯高于剪切型礦震，表明礦震發(fā)生后頂板處仍存在應(yīng)力集中，而斷層附近應(yīng)力可得到有效釋放。

(4)高應(yīng)力大巷煤柱區(qū)強(qiáng)礦震以剪切破裂為主導(dǎo)，高應(yīng)力條件下煤柱原生裂隙極易在頂?shù)装宓膴A持下沿應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向發(fā)生連續(xù)性剪切破壞；剪切型礦震震源參量平均值(除視應(yīng)力)明顯高于拉張型礦震。

(5)特殊構(gòu)造與采掘環(huán)境下礦震的孕育破裂機(jī)制與震源參量特征顯著不同。震源破裂前所處的地質(zhì)構(gòu)造情況，應(yīng)力環(huán)境以及震源層位等影響突出，不同條件下礦震震源參量與破裂機(jī)制特征可為強(qiáng)礦震精準(zhǔn)判識(shí)和力學(xué)機(jī)制及沖擊地壓預(yù)測(cè)研究提供依據(jù)。