基于震源機(jī)制解析的巨厚覆巖礦震破裂機(jī)制

白賢棲 ， 曹安業(yè) ， 劉耀琪 ， 王常彬 ， 楊 旭 ， 趙迎春 ， 楊 耀

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；2.煤炭精細(xì)勘探與智能開發(fā)全國重點實驗室, 江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；4.內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤層是我國西部煤炭開發(fā)重要的主采煤層[1]，其上覆巖層中常見巨厚層狀砂巖組，巨厚覆巖下煤層開采大能量礦震事件頻發(fā)，2021年鄂爾多斯礦區(qū)先后發(fā)生6 次地震震級2.0 級以上的強(qiáng)礦震，嚴(yán)重制約了礦井的正常生產(chǎn)[2]。同時，由于煤系地層非均質(zhì)性強(qiáng)且多變，礦震震源的破裂過程與震動波響應(yīng)特征難以明晰[3]，如何準(zhǔn)確判識大能量礦震的產(chǎn)生機(jī)制、破裂面信息、震動波傳播特征等已成為鄂爾多斯礦區(qū)安全高效開采的重要難題。因此，深入研究巨厚覆巖下煤層開采礦震源破裂機(jī)制，是保障我國西部煤炭資源安全高效開采的重大需求。

針對采礦誘發(fā)煤巖體破裂機(jī)制的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了較多積極的探索，早期GIBOWICZ 等[4]通過研究波蘭煤礦與銅礦的礦震震源機(jī)制，發(fā)現(xiàn)礦山煤巖破裂與天然地震的震源機(jī)制具有一定的相似性，高能級礦震事件主要由斷層面剪切滑移破裂引起；MCGARR 等[5]通過進(jìn)一步研究采場附近的礦震事件，認(rèn)為拉伸、內(nèi)爆等非剪切破裂方式與板狀礦山開采更為密切相關(guān)；井廣成等[6]研究了褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓震源破裂機(jī)制，得到褶皺構(gòu)造區(qū)受水平擠壓應(yīng)力影響大多表現(xiàn)為張拉破裂；陳棟等[7]基于Brune 模型研究了千秋煤礦礦震震源破裂機(jī)制，受斷層滑動影響千秋煤礦典型礦震事件基本均為剪切滑移破裂；WU 等[8]研究了巨厚紅層破斷誘發(fā)強(qiáng)礦震機(jī)制，發(fā)現(xiàn)巨厚紅層剪切、張拉破裂均會誘發(fā)強(qiáng)礦震，但剪切滑移破裂更容易誘發(fā)地面有震感的強(qiáng)礦震；HE 等[9]研究了厚硬頂板不同位置破斷誘發(fā)強(qiáng)礦震機(jī)制，得到工作面中部采空區(qū)頂板破斷極易發(fā)生張拉破裂。上述研究證明了矩張量理論用于礦震破裂機(jī)制反演的可能性，但以上僅簡單給出了震源的破裂類型，對于震源破裂過程、破裂面信息等缺乏定量描述。

同時，上述研究均采用絕對矩張量反演方法求解，受震動波傳播介質(zhì)的影響難以準(zhǔn)確求解格林函數(shù)，反演精度較低[10]。為了消除過分依賴格林函數(shù)的缺點，德國學(xué)者DAHM[11]提出了相對矩張量反演方法。MANTHEI 等[12]對比分析了P 波和S 波的絕對矩張量法、相對矩張量法對鹽巖水力壓裂聲發(fā)射事件的震源機(jī)制反演結(jié)果；陳凡[13]提出了適用于煤礦礦震震源機(jī)制的相對矩張量反演算法，優(yōu)化了矩張量反演矩陣的構(gòu)建；曹安業(yè)等[2]等基于相對矩張量反演原理提出以震源群為單位進(jìn)行震源機(jī)制反演計算，并優(yōu)化了礦震震源破裂類型判識方法。以上研究表明針對煤礦地層條件復(fù)雜、微震臺站挪移頻繁等特點，采用相對矩張量反演煤礦震源機(jī)制具有反演精度高、計算效率快等優(yōu)點。

因此，筆者以相對矩張量反演方法為基礎(chǔ)，結(jié)合震動波P 波輻射位移場，提出以微震臺站為對象構(gòu)建反演矩陣進(jìn)行煤礦礦震震源機(jī)制反演，并采用頂板爆破數(shù)據(jù)，驗證了該方法的適用性。同時，求解了巨厚覆巖下實體煤段與臨空段工作面回采誘發(fā)大能量礦震事件的震源機(jī)制，定量分析了頂板破裂演化特征與震動波輻射影響方位；基于巨厚覆巖破斷誘發(fā)強(qiáng)礦震機(jī)制，給出了巨厚覆巖型礦震的防治思路。以期為巨厚覆巖下煤層開采礦震的預(yù)測預(yù)報、危險性評估以及災(zāi)害治理等提供參考。

1 工程背景

1.1 巨厚覆巖分布情況

鄂爾多斯某礦位于內(nèi)蒙古東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)東南部，礦井從老到新發(fā)育有三疊系上統(tǒng)延長組(T3y)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)和第四系(Q)，其中，含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組。通過排查全井田勘探鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)井田范圍內(nèi)存在一層距煤層約300 m，層厚為250～350 m 的白堊系砂巖層，該巖層以中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖等厚層砂巖為主，局部夾薄層泥質(zhì)砂巖，具有單層厚度大、整體性好、層理較發(fā)育等特點。礦井白堊系砂巖厚度等值線如圖1 所示。

圖1 鄂爾多斯某礦工作面布置及白堊系巨厚覆巖厚度分布等值線Fig.1 Contour map of working face layout and thickness distribution of Cretaceous extremely thick strata in Ordos Mine

礦井SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)與工作面布置如圖1 所示，采用南北兩翼開采，其中南翼221上08 工作面開采2-2 煤層，煤層埋深640～660 m，平均厚度9.26 m，采用綜合放頂煤開采，煤層及頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性。根據(jù)221上08 工作面地表鉆孔探測情況[14]，實體煤段工作面回采時，白堊系巖層完整性較好、無裂隙產(chǎn)生，白堊系巖層下方產(chǎn)生裂隙；臨空段工作面回采時，白堊系巖層內(nèi)套管斷開，開始產(chǎn)生裂隙。表明工作面進(jìn)入臨空段回采，隨采空區(qū)面積增加，采空區(qū)低位巖層不斷破斷，頂板破裂高度逐漸擴(kuò)展至高位白堊系砂巖層。

1.2 礦震活動情況

221上08 工作面2019 年12 月開始回采，2021 年4 月進(jìn)入221上06A 采空區(qū)段回采，截至2021-12-31，工作面回采期間地表沉降與礦震監(jiān)測情況如圖2 所示。工作面回采前段四周均為實體煤，地表沉降量較為穩(wěn)定，維持在0.2 m 左右；工作面進(jìn)入臨空段回采后，臨空段地表沉降量開始增加，2021-08-19，臨空段地表沉降量增加至0.4 m，開始出現(xiàn)地面有震感的強(qiáng)礦震；隨后臨空段地表沉降量迅速增加，在221上08 采空區(qū)后方達(dá)到0.9 m。

圖2 221上08 工作面回采期間地表沉降與礦震分布Fig.2 Map of surface subsidence and mine earthquake distribution during mining of 221upper08 working face

同時，礦震分布情況與地表沉降監(jiān)測重合度較高，實體煤回采階段，均以1×105J 以下的礦震事件為主，在地表沉降最大的區(qū)域，礦震分布較為密集；臨空回采階段，大能量礦震分布較實體煤階段更為密集，并且地震臺網(wǎng)開始監(jiān)測到2.0 級以上的強(qiáng)礦震事件，社會影響劇烈。根據(jù)礦震剖面定位圖可知，221上08 工作面回采期間大部分大能量礦震位于工作面垮落帶區(qū)域，高位頂板分布較少；但臨空回采階段大能量礦震事件有向高位擴(kuò)展的趨勢，并且高位巨厚砂巖層破斷，開始出現(xiàn)地面有震感的強(qiáng)礦震。

統(tǒng)計工作面回采期間礦震數(shù)據(jù)與相對工作面推進(jìn)位置關(guān)系[15]，如圖3 所示。實體煤段工作面回采礦震事件大多位于-160～80 m，其中工作面后方礦震頻次占比57%；臨空段工作面回采礦震事件主要位于-100～60、300～420 m 兩個區(qū)間，其中300～420 m的礦震事件大多為頂板爆破誘發(fā)，占比約21%，其余位于工作面后方的礦震頻次占比60%。

圖3 工作面相對推進(jìn)位置礦震統(tǒng)計Fig.3 Microseismic statistics map of relative advance position of working face

221上08 工作面地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，斷層、褶曲等構(gòu)造不發(fā)育，僅煤層上方存在多層厚層砂巖層，其中白堊系砂巖層累計厚度達(dá)250 m 以上。工作面回采期間大能量礦震事件頻發(fā)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)大部分礦震事件由采空區(qū)后方頂板破斷誘發(fā)，同時當(dāng)工作面進(jìn)入臨空段回采時，大能量礦震事件更密集，頂板破斷高度向上擴(kuò)展。因此，工作面回采期間大能量礦震事件與工作面后方采空區(qū)頂板破斷、滑移密切相關(guān)，但巨厚覆巖下開采頂板破斷誘發(fā)大能量礦震事件的破裂機(jī)制、破裂面信息等尚不明確。

2 礦震震源破裂機(jī)制求解方法

2.1 礦震震源破裂輻射模式

震源破裂的過程較為復(fù)雜，但大多數(shù)破裂可以描述為震源在平面上的滑動，因此可以用破裂面的走向角、傾向角和沿破裂面的滑動角、拉伸角來描述震源[16]，如圖4 所示。

圖4 震源破裂幾何學(xué)Fig.4 Source fault geometry

破裂面方位由正北向順時針測量的走向角φ(0°～360°)和破裂面的傾角θ(0°～90°)確定；破裂面運動方向由上盤相對下盤運動的任意位移矢量?u表示，n為垂直破裂面的標(biāo)準(zhǔn)矢量，d為破裂面的滑動矢量，滑動定義為破裂面沿走向逆時針測量的滑動角λ(-180°～180°)，與滑動矢量至位移矢量夾角的拉伸角γ(0°～90°，0°為純剪切破裂，90°為純張拉破裂)。

破裂面滑動時，破裂面兩側(cè)將向相反的方向移動，當(dāng)破裂面一側(cè)向監(jiān)測臺站移動時，則第一運動為壓縮變形；遠(yuǎn)離臺站的一側(cè)為張拉變形，這在微震傳感器上分別對應(yīng)初動向上或向下的運動，如圖5 所示[17]。圖中，破裂面上的2 個箭頭分別表示破裂面的相對滑動方向，同時箭頭也可認(rèn)為是驅(qū)動運動的力，震源力的輻射花樣可用力偶來描述。

圖5 不同方向上相對破裂面的第1 次運動Fig.5 First motion of observed at different directions relative to the fault plane for a strike-slip fault

煤巖體在震源力的作用下將產(chǎn)生2 種變形，分別以2 種不同的波進(jìn)行傳播，即縱波(P 波)和橫波(S 波，分為垂直剪切橫波SV 波、水平剪切橫波SH 波)，其波速分別為vP和vS。其中P 波振動方向與傳播方向平行，質(zhì)點產(chǎn)生水平壓縮運動，對煤巖體向外突出影響較大；S 波振動方向與傳播方向垂直，質(zhì)點產(chǎn)生縱向剪切運動，對煤巖體破碎滑移影響較大。在各向同性、無界、均勻的彈性介質(zhì)中，遠(yuǎn)場位移場由力源f(r,t)產(chǎn)生的位移[18]為

式中，uP、uSV、uSH分別為P 波、SV 波、SH 波的遠(yuǎn)場位移；ρ為密度；r為震源與監(jiān)測點之間的距離；f(t)為礦震的點源作用力；t為時間；rP、rSV、rSH分別為P 波、SV 波、SH 波的遠(yuǎn)場項輻射花樣；?、Θ、Φ均為球坐標(biāo)系統(tǒng)的單位矢量，其中，?為震源與監(jiān)測點的徑向方向，Θ為正切于子午線方向，Φ為正切于在z方向上無向量分量的平行線，即

當(dāng)巨厚覆巖結(jié)構(gòu)破斷以水平張拉破裂為主時，主要在x方向產(chǎn)生一對水平拉力，在破裂面為(x，z)平面(走 向 角φ=0°，傾 角θ=90°)，P 波、S 波(uS=的震動位移場輻射花樣如圖6(a)、(b)所示；當(dāng)巨厚覆巖結(jié)構(gòu)以剪切滑移破裂為主時，主要產(chǎn)生2 對相互正交的雙力偶，以近水平巖層層間滑移為例，P 波、S 波的震動位移場輻射花樣如圖6(c)、(d)所示。

圖6 礦震震源位移場輻射花樣Fig.6 Source displacement field radiation pattern of mine earthquake

不同頂板破裂方向下震動波產(chǎn)生的位移場輻射花樣不同[19]。通過確定震源、臺站位置，判別P 波初動方向及震動波位移振幅，可確定震源破裂類型及破裂面產(chǎn)狀。頂板張拉破裂產(chǎn)生向外壓的壓縮P 波，對應(yīng)的P 波初動方向均為“+”；頂板剪切滑移破裂產(chǎn)生對稱的壓縮波與膨脹波，對應(yīng)的P 波初動方向在空間上呈四象限分布(P 波初動方向“+”表示震源位于監(jiān)測臺站上方、且波形初動方向向上，或震源位于監(jiān)測臺站下方、且波形初動方向向下；反之則為“-”[20])。

2.2 礦震震源破裂機(jī)制求解

礦震主要由高應(yīng)力環(huán)境下煤巖體突然破裂產(chǎn)生，通常采用一個等效力模型來近似描述震源。隨著地震學(xué)的發(fā)展，雙力偶模型逐漸得到了普遍的認(rèn)可[21]，該模型用9 組力與力臂方向的組合來表達(dá)震源破裂的等效力，這9 項力偶矩構(gòu)成的集稱為震源的矩張量。同時，該震源等效力所產(chǎn)生的位移則為各個力偶所產(chǎn)生的位移總和，AKI 等[22]研究表明，監(jiān)測記錄的遠(yuǎn)場位移與矩張量之間滿足如下線性關(guān)系：

式中，uk(x,t)為t時刻在點x產(chǎn)生的遠(yuǎn)場位移；Mij為矩張量分量；,i為格林函數(shù)，表示模型介質(zhì)的單位脈沖響應(yīng)，描述了介質(zhì)對震動波傳播效應(yīng)的影響；s(t)為震源時間函數(shù)；* 表示卷積運算。

由于低頻位移振幅的計算無需任何源模型的假設(shè)，且振幅是相對平直的常數(shù)，其大小正比于震動波標(biāo)量矩，因此，可采用低頻位移振幅來表征煤巖破裂的遠(yuǎn)場位移[23]，計算公式為

式中，SD2、SV2分別為度平方譜和位移平方譜時域積分結(jié)果；(f)為考慮自由面影響乘以1/4 的修正速度功率譜；D(f)為對應(yīng)的位移功率譜；u為監(jiān)測記錄波形的低頻位移；κ為P 波初動方向，初動方向為“+”取值+1，初動方向為“-”則為-1。

根據(jù)格林函數(shù)的求解方式不同，可將矩張量求解分為絕對、相對以及混合矩張量反演。相對矩張量反演認(rèn)為震源群內(nèi)各震源傳播到同一臺站的線性部分是相同的，通過消除格林函數(shù)中的線性部分，以微震臺站為對象構(gòu)建反演矩陣求解[24]。相對矩張量反演原理為

式中，uij為第i個震源被第j個臺站觀測到的n方向位移，i為震源編號，j為臺站編號，n=1,2,3；Ij、ajk,i分別為格林函數(shù)簡化的線性部分和射線權(quán)重部分，其中ajR,i由射線的離源角和方位角決定；mRi為震源矩張量分量的線性組合；R為矩張量的6 個主軸方向。

之后，以微震臺站為對象構(gòu)建G矩陣

式中，Gj為j臺站接收震源所構(gòu)成的矩張量反演系數(shù)矩陣，為ij(ij-1)/2×6i矩陣；Si為震源群內(nèi)i震源矩張量構(gòu)成的列矩陣。

根據(jù)上述反演方法得到震源等價矩張量矩陣后，為進(jìn)一步確定震源的破裂成分和破裂特征，需對矩張量矩陣進(jìn)行分解。相關(guān)研究表明，矩張量矩陣M可分解為各項同性(ISO)部分、補(bǔ)償線性矢量偶極子(CLVD)部分和雙力偶(DC)部分：

其中，P、C、D分別為各項同性(ISO)部分、補(bǔ)償線性矢量偶極子(CLVD)部分和雙力偶(DC)部分的特征值。各項同性(ISO)部分表征震源的體積變化量，即膨脹(壓縮)；補(bǔ)償線性矢量偶極子(CLVD)部分主要表征煤巖體單軸壓縮和張拉破壞；雙力偶(DC)部分則為震源的剪切破裂成分，具體表現(xiàn)為斷層滑移或頂板錯動滑移破裂。根據(jù)雙力偶部分所占比例可定量確定震源的破裂類型[25]：

同時，震源事件的矩張量可用破裂面位置與運動矢量表示[26]，即

式中，M為礦震矩張量形式；o，p，q為空間坐標(biāo)系下的3 個方向；w為破裂面運動方向的位移量；S為破裂面表面積；λ1和μ為拉梅常數(shù)；v為破裂面運動方向；l為破裂面法向方向。

將矩張量矩陣本征化，可得到破裂面產(chǎn)狀與矩張量特征值的關(guān)系

其中，M1、M2、M3為矩張量的最大、中間和最小特征值；e1、e3分別為矩張量的最大、最小特征值對應(yīng)的特征矢量。根據(jù)破裂面的空間矢量，可進(jìn)一步獲得破裂面的產(chǎn)狀信息，包括破裂面走向角、傾向角以及滑動角等。

2.3 頂板爆破信號震源機(jī)制驗證

221上08 工作面為降低頂板破斷誘發(fā)大能量礦震對工作面的沖擊擾動效應(yīng)，在工作面超前300 m 外兩巷道施工頂板爆破孔，孔深70 m、傾角70°、裝藥35 m、裝藥量3 kg/m，頂板爆破孔傾向布置如圖7 所示。為驗證相對矩張量反演方法對巨厚覆巖下煤層開采震源破裂機(jī)制的適用性，選取221上08 工作面進(jìn)入臨空回采階段后，兩巷道頂板爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行震源機(jī)制求解(共60 個)，兩巷道頂板爆破震源沙灘球分布情況如圖8 所示。

圖7 頂板爆破孔傾向布置Fig.7 Layout of roof blasting hole inclination

圖8 頂板爆破震源沙灘球分布情況Fig.8 Distribution of beach balls in roof blasting source

圖9 為頂板爆破事件的震源機(jī)制求解情況，大部分爆破事件的CLVD 成分占比較大，僅有2 次爆破事件的DC 部分在40%～60%，表明煤巖體主要以爆破產(chǎn)生的張拉破裂為主，震源位移場向外輻射；結(jié)合破裂面產(chǎn)狀信息可知，爆破震源的走向角各方位均有分布，但破裂面傾角大多在30°以下，表明頂板爆破后破裂面沿鉆孔向四周擴(kuò)散，但破裂面傾角一般與水平面成0°～30°。

圖9 爆破信息震源機(jī)制解Fig.9 Focal mechanism solution of moment tensor of roof blasting information

以爆破震源的平均破裂面產(chǎn)狀做震動波輻射花樣，如圖10 所示。頂板爆破孔傾角為70°，破裂面平均傾角與水平面成19.0°，大致與爆破孔垂直；P 波位移場沿破裂面向外輻射，在爆破孔傾向方向存在最大值，S 波最大位移方向與爆破孔成±45°。因此，頂板爆破產(chǎn)生的裂紋一般與鉆孔方向垂直，采用相對矩張量求解震源破裂機(jī)制與爆破裂紋擴(kuò)張的實際情況較為吻合。

3 巨厚覆巖下開采礦震震源機(jī)制分析

3.1 實體煤段回采礦震震源機(jī)制分析

221上08 工作面實體煤回采階段，工作面推進(jìn)約1 000 m 范圍，工作面附近共發(fā)生大能量礦震事件193 起，其空間分布及震源機(jī)制求解情況如圖11 所示，大能量礦震大多位于頂板上方30 m 范圍內(nèi)。統(tǒng)計各震源的破裂類型，得到約85.5%的震源DC 部分≤40%，屬于張拉破裂，并且其中69.1%為壓縮震源；12.5%的震源DC 部分在40%～60%，為混合破裂；僅2.0%的震源DC 部分＞60%，為剪切破裂，表現(xiàn)為頂板錯動滑移。

圖11 實體煤段回采礦震震源機(jī)制解Fig.11 Focal mechanism solution of mining earthquake in solid coal section

根據(jù)震源破裂面產(chǎn)狀分布情況可知，震源破裂面走向角在30°、90°、150°、210°、330°附近分布較為密集；傾向方向大多分布在0°～30°，占比約47.2%，60°～90°以上的占比20.2%；破裂面滑動角分布較為均勻，55.4%的震源具有向下滑動的趨勢。表明實體煤回采階段誘發(fā)的大能量礦震事件，大多以頂板張拉破裂、回轉(zhuǎn)壓縮為主，僅存在少量剪切滑移破裂；并且破裂面走向方向大致與工作面推進(jìn)方向一致或與工作面推進(jìn)方向成約30°的“X”型分布。

3.2 臨空段回采礦震震源機(jī)制分析

221上08 工作面臨空段回采期間，工作面推進(jìn)約400 m，共發(fā)生大能量礦震事件170 起，其空間分布及震源機(jī)制求解情況如圖12 所示，大能量礦震相對實體煤回采階段分布更密集，有向更高位頂板發(fā)育的趨勢。

圖12 臨空段工作面回采礦震震源機(jī)制解Fig.12 Focal mechanism solution of mining earthquake on one side of the goaf

根據(jù)震源破裂類型可知，臨空段回采期間，震源DC 部分≤40%的占比85.3%，DC 部分在40%～60%的占比8.2%，DC 部分＞60%的占比大致為6.5%，相對實體煤回采階段剪切滑移破裂有所增加。根據(jù)震源破裂面產(chǎn)狀分布情況可知，震源破裂面走向角在45°、90°、135°、225°附近分布較為密集，相對實體煤回采階段走向夾角有所增加；傾向方向上0°～30°占比為48.2%，60°～90°的震源占比為23.5%；破裂面滑動角與實體煤段分布較為相似，53.5%的震源具有向下滑動的趨勢。

綜上可知，臨空段回采期間誘發(fā)的大能量礦震事件有向上擴(kuò)展的趨勢，大多以頂板張拉破裂、回轉(zhuǎn)壓縮為主，同時剪切滑移破裂相對實體煤回采階段有所增加；破裂面產(chǎn)狀分布情況與實體煤段回采較為相似，但走向方向“X”夾角有所增加。

同時221上08 工作面臨空段回采期間多次發(fā)生地震震級2.0 級以上的強(qiáng)礦震，強(qiáng)礦震均位于較高位頂板。“8·29”礦震DC 部分占比較大，為剪切破裂；“8·20”礦震、“12·20”礦震CLVD 部分占比較大，表現(xiàn)為煤巖體張拉破壞；并且“8·20”礦震、“8·29”礦震破裂面產(chǎn)狀相近，走向角均在135°左右，傾角大致為65°；“12·20”礦震破裂面走向角大致為335°，傾角為85°。

4 巨厚覆巖下開采礦震破裂過程解析

煤層地下開采將引起上覆巖層的破斷垮落，當(dāng)采空區(qū)寬度較小時頂板破斷高度較小，低位亞關(guān)鍵層發(fā)生破斷；當(dāng)采空區(qū)寬度較大時，隨工作面繼續(xù)推采，頂板破斷高度向上擴(kuò)展，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)懸露寬度增加，達(dá)到極限跨距時開始產(chǎn)生破斷現(xiàn)象，震源破裂面走向破壞特征如圖13(a)、(b)所示。巨厚覆巖下頂板破斷主要包含頂板剪切滑移、頂板斷裂張拉、頂板離層張拉以及頂板回轉(zhuǎn)壓縮4 種失穩(wěn)模式，高位巨厚覆巖破斷產(chǎn)生強(qiáng)礦震以頂板斷裂張拉、頂板剪切滑移失穩(wěn)為主。

圖13 巨厚覆巖下開采頂板破斷特征Fig.13 Fracture characteristics of mining roof under extremely thick strata

礦震震源P 波位移場輻射花樣如圖13(c)所示，剪切滑移破裂的破裂面傾角較大，大多在60°以上，P波最大位移振幅與破裂面成±45°，位于空間四象限內(nèi)，向外傳播壓縮波與膨脹波，對采場周圍煤巖體影響較大；頂板斷裂張拉的破裂面傾角較大，P 波最大位移振幅大致與水平方向平行，向外傳遞壓縮波，可能對工作面前方煤巖體造成影響；頂板離層張拉破裂的破裂面傾角大致與水平面平行，P 波最大位移振幅與水平方向垂直，向外傳遞壓縮波，僅對采空區(qū)內(nèi)煤巖體造成影響，對工作面影響較??；頂板回轉(zhuǎn)壓縮破裂，破裂面傾角同樣大致與水平面平行，P 波輻射花樣與離層張拉破裂類似，但傳播方向為向內(nèi)傳遞膨脹波。

巨厚覆巖下開采頂板破裂演化規(guī)律如圖13(d)所示。實體煤段工作面開采時，低位頂板呈“O-X”型破斷，頂板破裂面走向角為以30°、90°、150°等為主；工作面進(jìn)入臨空回采階段時，采空區(qū)寬度增加，根據(jù)關(guān)鍵層破斷理論[27]，達(dá)到關(guān)鍵層破斷的面寬條件時，隨關(guān)鍵層懸露寬度增加，巖層破斷步距逐漸減小，因此同一巖層破裂面走向角增加，以45°、90°、135°等為主，與現(xiàn)場實際情況較為吻合。

綜上，巨厚覆巖下開采頂板以水平離層張拉、頂板回轉(zhuǎn)壓縮失穩(wěn)為主，頂板斷裂張拉與頂板剪切滑移失穩(wěn)占比較少。表明巨厚覆巖下開采頂板破裂產(chǎn)生的P 波大多向下方采空區(qū)傳播，對工作面回采影響較?。粌H少量頂板斷裂張拉與剪切滑移失穩(wěn)產(chǎn)生的震源可能對工作面影響較大。這也印證了221上08 工作面回采期間雖然頻繁發(fā)生大能量礦震事件，但工作面大多無明顯變化。

同時，結(jié)合強(qiáng)礦震發(fā)生位置與巨厚覆巖破斷情況可得，“8·20”礦震為高位巨厚覆巖初次破斷誘發(fā)；并且高位巨厚覆巖發(fā)生初次破斷后，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，高位巨厚覆巖再次發(fā)生剪切滑移破裂誘發(fā)了“8·29”礦震，因此“8·20”礦震、“8·29”礦震破裂面產(chǎn)狀類似；“12·20”礦震為隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，高位巨厚覆巖發(fā)生周期性破斷誘發(fā)。并且強(qiáng)礦震破裂面傾角普遍較大，震動波具有向四周煤巖體傳播的趨勢，可能對工作面影響較大。因此，巨厚覆巖型礦震的防治思路可從弱化巨厚覆巖的整體性、使巨厚覆巖結(jié)構(gòu)分層破斷的角度出發(fā)，降低巨厚覆巖整體破斷誘發(fā)礦震對工作面沖擊危險性的影響。

5 結(jié) 論

(1) 221上08 工作面實體煤回采階段白堊系砂巖層未發(fā)生破斷，地表沉降較小，均以1×105J 以下的礦震事件為主；臨空回采階段白堊系砂巖層開始產(chǎn)生破斷，地表沉降量快速上升，開始出現(xiàn)1×105J 以上的礦震事件，礦震分布較實體煤階段更為密集，并且多次發(fā)生2.0 級以上強(qiáng)礦震；同時，大部分礦震由采空區(qū)后方頂板破斷誘發(fā)，與煤層上方厚層頂板破斷、滑移密切相關(guān)。

(2)利用震動波輻射位移場與相對矩張量反演方法，構(gòu)建了以煤礦微震臺站為對象的反演矩陣；采用頂板爆破微震信號求解了爆破震源的破裂類型及破裂面產(chǎn)狀信息，驗證了該方法對巨厚覆巖下煤層開采震源破裂機(jī)制求解的適用性。

(3)巨厚覆巖下煤層開采誘發(fā)的震源大多以頂板張拉破裂為主，臨空段回采期間震源有向上擴(kuò)展的趨勢，剪切滑移破裂相對實體煤回采階段有所增加；并且破裂面走向方向大致與工作面推進(jìn)方向一致或與工作面推進(jìn)方向成“X”夾角，但臨空回采階段走向

“X”夾角有所增加。(4)巨厚覆巖下開采震源破裂面傾角0°～30°占比較大，頂板以水平離層張拉、頂板回轉(zhuǎn)壓縮失穩(wěn)為主，產(chǎn)生的P 波大多向下方采空區(qū)傳播，對工作面回采影響較??；僅部分頂板斷裂張拉與剪切滑移失穩(wěn)產(chǎn)生的P 波向周圍采場傳遞，可能對工作面影響較大。(5)采用震源機(jī)制解析對巨厚覆巖下煤層開采礦震破裂過程進(jìn)行了初步探索，礦震破裂過程與現(xiàn)場實際情況較為吻合，結(jié)論對進(jìn)一步研究類似條件下礦震的預(yù)測預(yù)報、危險性評估以及災(zāi)害治理等有一定的參考價值。