煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制

井广成,曹安业,窦林名，王常彬,刘志刚,吴 芸

(1.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116;3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制

井广成1,2,3,曹安业1,2,3,窦林名3，王常彬1,2,3,刘志刚1,2,3,吴 芸1,2,3

(1.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116;3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

为实现对褶皱构造区冲击矿压震源机制的有效分析，基于震源机制矩张量反演方法，在优化震动波远场位移及破裂面产状求解方法的基础上，对甘肃华亭矿区砚北煤矿250204工作面回采期间冲击矿压震源破裂类型、破裂面产状及视应力等地震学参量进行系统分析，揭示了砚北煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制。研究结果表明：工作面回采扰动影响下，褶皱构造区冲击矿压震源破裂类型以拉张破裂为主，其矩张量以非双力偶部分占主导，表现为水平挤压构造应力、超前支承压力共同作用下煤岩体的应力释放；震源破裂面产状有明显分化趋势，小倾角(<35°)震源破裂面走向多垂直工作面推进方向，而大倾角(>35°)震源破裂面走向多平行于工作面推进方向且倾向实体煤一侧；褶皱构造区冲击矿压震源辐射能量和地震矩基本分布在一包络线内，随震源辐射能量增大，其地震矩大小分布更加集中；通过震源视应力计算，得到了回采扰动下工作面及其周边应力演化情况，与冲击矿压震源时空分布及巷道冲击显现结果基本吻合。

褶皱构造；冲击矿压；震源机制；矩张量；视应力

煤矿地下开采打破了煤岩体原始平衡状态，尤其在复杂褶皱构造环境中，受构造应力影响，易诱发冲击矿压事故，如抚顺矿务局老虎台矿、甘肃华亭砚北煤矿、陕西彬长胡家河煤矿等均处于褶皱构造发育区域，在工作面推进至褶曲轴部前后，矿震数量和能级倍增，导致巷道严重破坏和人员伤亡。

相关研究表明，构造型冲击事故是采矿活动与区域构造应力综合作用的结果，不仅与煤岩强度参数、采掘区域应力重新分布有关，还与构造应力分布相关，目前国内对褶皱构造区冲击矿压事故分析主要集中在现场数据调研和数值模拟方面，如贺虎等[1]通过研究褶曲构造区冲击矿压震源时空演化特征，对向背斜轴部矿震频次、能量和频谱特征进行了系统分析，为预测构造区冲击矿压提供了一定理论依据；陈国祥等[2]采用FLAC数值模拟软件反演了褶曲的形成过程及应力演化规律，分析了褶曲不同部位的应力状态；姜福兴等[3]通过分析微地震监测到的构造活化现象，将构造控制型冲击矿压分为增压型和减压型两类。尽管如此，目前对褶皱构造区冲击矿压孕育机理的研究仍不甚明晰。

高能量矿震活动源自高应力环境下的煤岩体破裂[4]，其破裂过程可由震源机制参数描述，随着煤矿矿震台网的建立和完善，以及矩张量反演理论的发展，利用矿震数据反演矿震震源机制的方法得到了较快发展[5-6]，如曹安业等[7-8]理论比较分析了煤岩体在剪切、拉伸等破裂模式下的应力降及应变能释放特征，揭示了采动影响下煤岩体不同破裂模式下的冲击危险差异，并对采场顶板破断型震源机制进行了分析；柴金飞等[9]对某磷矿异常矿震事件展开系统分析，通过判识震源破裂类型、破裂面方位初步确定了突水危险区域范围；Krystyna等[10-11]基于矩张量反演方法对工作面回采过程中冲击震源进行了系统分析，初步确定了工作面复合应力场分布特征；Krystyna等[12]对某煤矿工作面回采期间冲击矿压震源机制展开研究，得出覆岩变形及采场煤岩体应力集中程度是巷道冲击破坏的主要影响因素。

虽然如此，现有矩张量反演方法及其结果判别中仍有矿震远场位移识别不精确，矩张量分解物理意义不明确、适用性有限等缺点。为此，本文以华亭矿区砚北煤矿为研究背景，以褶皱构造区开采的250204工作面为例，在优化震动波远场位移及破裂面产状求解方法的基础上，对褶皱构造区冲击矿压震源矩张量、破裂面方位、破裂类型等细观参数及地震矩、视应力等地震学参量进行系统分析，并结合冲击震源与工作面相对空间位置等宏观参数判识砚北煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制。

1 矿震震源机制矩张量反演原理

1.1 震动波远场位移求解优化

砚北煤矿已安装SOS微震监测系统，采用单分量速度记传感器，根据弹性波理论及位移表示定理[13]可以得出震源远场位移：

式中，vp为P波传播速度；r为震源到微震记录仪的距离；ρ为岩石密度；γi为震源至微震记录仪的震动波射线对应于各坐标轴的分量，即γi=(xi-x0i)/r(xi为微震记录仪各坐标分量，x0i为震源各坐标分量，i=1,2,3)；Mij为作用于震源的矩张量。

由于P波比S波的传播速度快，传感器先接收到单纯的P波(含有少量背景噪声)，而后接收到的S波中可能含有部分P波成分，较为复杂，故本文主要利用P波波形数据进行反演。另外，因传感器距震源远近不同，仅通过P波初振幅值计算其远场位移误差较大，而矿震波形低频振幅计算无需任何源模型假设，且矿震波形双对数频率域振幅在低频部分是相对平直的常数，大小正比于地震标量矩，因此本文采用矿震波形低频位移幅值表示煤岩破裂的远场位移。

受井下复杂工程环境影响，应力波在传播过程中会产生一定衰减，因此在计算波形远场位移前需要对波形进行衰减修正，首先采用傅里叶时频变换将时间-振幅谱转化为频率-振幅谱：

其中，A(f)为时域速度谱；f为相应频率；v为P波速度；Q为衰减因子。

相比于地震监测，煤矿震源到传感器一般较近，可视为近震源观测情况，在波形衰减修正的基础上，可用Brune圆盘模型[14]计算波形震源参数，求解低频段位移：

1.2 震源破裂类型及破裂面产状求解

确定震源事件矩张量后，可以对其进行分解进而确定震源破裂类型。相关研究表明[15-16]，矩张量可分解为各项同性(MISO)、补偿线性矢量偶极子(MCLVD)以及双力偶(MDC)3个部分，其中：补偿线性矢量偶极子主要表征单轴压缩破坏和拉张破坏，具体表现为发生在高静水压力区域及保护煤岩柱区域的岩体破坏；双力偶部分主要描述剪切破裂，具体表现为巷道顶板破断及发生在断层区域的大能量矿震。如式(7)所示，通过计算双力偶部分所占比例可定量确定震源破裂类型[10]。

震源事件矩张量蕴含信息丰富，对其进一步分析可获得震源破裂面产状。根据Aki和Richards的理论[17]，震源矩张量可用破裂面位置与运动矢量表示为

式中,i，j，k为空间坐标系下的3个方向；Mij为矿震矩张量形式；u为破裂面运动方向的位移量；S为破裂面表面积；λ和μ为拉梅常数；v为破裂面运动方向，vi,vj,vk表示破裂面运动矢量在各坐标系方向上的分量；n为破裂面法向方向。

将式(8)矩张量本征值化可得到破裂面运动方向n和法向方向v与矩张量最大、最小特征值(M1和M3)对应特征矢量的关系：

式中，e1,e2,e3分别为矩张量的最大、中间和最小特征值对应的特征矢量，满足e1⊥e2⊥e3。根据破裂面法向方向的空间矢量可以得到破裂面的几何方程表达式，进而可以确定破裂面产状。

1.3 震源信息的地震学参量

视应力表征单位地震矩上地震释放能量的大小，它和煤岩层断裂速度、断面驱动力、断面摩擦力及滑动停止条件等多种因素有关[18]，相比于应力降，视应力物理意义比较明确，计算结果也更加稳定，本文主要通过分析冲击矿压震源视应力空间分布特征研究采场及其周边应力分布演化情况，其计算方法[19]如下：

式中，M0为地震矩;Mi为震源矩张量本征值；σapp为视应力;μ为震源介质剪切模量;Es为地震波辐射能量。

2 工程背景

2.1 砚北煤矿褶皱构造分布

如图1所示，甘肃华亭矿区砚北煤矿地处六盘山东麓，所处地质构造位于鄂尔多斯地块(陕甘宁盆地)西南缘，因长期受南西—北东向以及东西向的挤压作用，经燕山运动后煤田构造形态基本定形，为一个大体上呈北北西—南南东向展布的“S”型复式不对称向斜构造。

图1 华砚煤田地质及矿区分布情况

砚北煤矿地应力实测数据显示，该区域最大主应力值介于11.40～33.04 MPa，最大主应力方向基本与褶曲向背斜轴向方向垂直，与水平面夹角均小于18°，说明井田地应力中水平构造应力占据主导。同时根据煤岩冲击倾向性实测，砚北煤矿5号煤层属于III类，具有强冲击倾向性，部分区域原岩应力已接近甚至超过煤体强度极限，在回采扰动下，工作面具有较强冲击危险。

2.2 250204工作面开采地质条件

砚北煤矿主采2502采区，地表平均标高1 556 m，采区标高+1 171～+860 m，南北走向约2 600 m。2502采区5号煤层厚度18.2～54.5 m，平均31.0 m，采用分层综放采煤工艺，目前回采上分层，采高3.0 m，放煤高度9.0 m。

图2 砚北煤矿2502采区工作面及其覆岩情况

图2为2502采区工作面及覆岩分布情况，04综放工作面自2011年4月开始回采，至2013年5月回采结束，在此期间共发生50起冲击矿压事件，图3为巷道冲击破坏情况，巷道变形严重，尤其以底板冲击显现为主。

图3 巷道冲击破坏情况

2.3 冲击矿压震源时空演化规律

图4为250204工作面回采期间冲击矿压震源(简称冲击震源)空间分布，表1为部分冲击震源参量统计，由图4可知：冲击震源主要分布在向斜轴部附近，且多定位于煤层中，高位覆岩及底板分布较少，工作面推进至背斜轴部后，冲击震源数量锐减甚至消失。

图4 冲击震源空间分布

为进一步分析冲击震源空间位置及能量释放情况，本文从工作面推进方向和垂直方向展开统计分析，结果如图5所示，由图5可知震源事件主要分布于回采工作面前方250 m范围内，且在工作面前方50 m范围内发生频率较大，占总事件的27%，冲击矿压释放能量在工作面前方50～100，200～250 m相对较大，分别达到0.57 MJ和1.65 MJ。在垂直方向上(Z=0为巷道顶板位置)，震源主要分布在-75～+50 m范围内，60.00%冲击震源发生在煤层中，22.22%分布于煤层底板。可初步认为，工作面推进过程中超前支承压力是诱发巷道冲击的直接原因，在构造应力、侧向支承压力与超前支承压力共同作用下，工作面前方煤岩体在高静载环境下破裂，引发冲击矿压。

表1 部分冲击震源统计

Table 1 Statistics of some analyzed rockburst sources

序号日期X/mY/mZ/m能量/MJ12011-05-015652.46154.61074.50.57722011-05-115645.26194.41282.60.81932011-05-185447.76196.21060.85.3042011-06-075650.26233.31121.00.31652011-06-105634.06164.71012.20.39562011-06-155656.26169.91081.40.35472011-07-215305.36167.31052.10.45382011-09-255319.16128.61066.90.33292011-10-075307.66201.9931.30.214102011-10-165068.26164.31108.20.360112011-10-245047.56235.81062.30.488122011-10-315093.46181.11055.80.940132011-11-195125.76176.31060.51.12142011-11-244815.96189.01054.60.225152012-02-154927.06204.11149.80.315162012-04-204922.66216.41044.40.245

图5 冲击震源位置统计

为初步判断250204工作面回采期间冲击震源破裂特征，本文对筛选的45起冲击震源波形的横纵波能量比(ES/EP)[20]进行了统计分析(图6)，如图所示，45起冲击震源的ES/EP值均不超过5，且50%以上冲击震源ES/EP值在2以下，基于此可初步判断250204工作面回采期间震源破裂类型以拉张破裂为主，这与地震、采动影响下的断层活化、厚硬覆岩剪切失稳及滑移失稳有明显区别。

图6 横纵波能量比演化及其频率分布

3 褶皱构造区冲击矿压震源机制分析

为进一步分析褶皱构造区冲击矿压震源机制，采用矩张量反演方法对震源波形展开定量分析。

3.1 典型冲击矿压震源机制分析

图7为2011-11-24T22:16监测到的冲击矿压波形，该震源定位结果如图8所示，选择2，5，9，10，11，12，13，14，15九个通道波形数据进行矩张量反演，各通道波形低频段位移(远场位移)见表2。

图7 典型冲击矿压震源波形

进一步分析可知，该冲击震源MDC(双力偶部分)所占比例为2.76%，可判定该冲击震源以张拉破裂为主，具体震源机制参数如图9所示。

3.2 褶皱构造区冲击矿压震源机制规律分析

3.2.1 震源破裂类型

通过筛选矿震波形，本文对45起冲击矿压震源机制进行统计分析，如图10所示为震源矩张量各部分所占比例，MDC所占比例介于0.01%～27.64%，冲击震源全部表现为拉张破坏，图11为基于矩张量反演得到的震源机制上半球投影。

图8 震源事件相对位置示意

表2 各通道波形远场位移

图9 震源球及通道波形示意(箭头表示P波初振方向)

图10 破裂参数统计

图11 冲击矿压震源机制球统计

据前文所述，砚北煤矿实测地应力中水平构造应力占主导，发生在煤层中的冲击震源，接近90%定位于巷道底板煤层中，结合巷道冲击破坏情况，建立如图12所示褶皱构造区巷道破坏模型，主要表现为巷道底板煤层的拉张性破坏。

图12 巷道底板煤层的张性断裂

图13 破裂面产状统计

3.2.2 震源破裂面产状

为方便统计，本文将冲击矿压震源破裂面产状由赤平极射投影表示，如图13所示，其破裂面产状存在明显分化趋势，绝大多数破裂面倾角较小(图中Poles-2倾角均小于35°，平均8°)，震源破裂面走向WSW-ENE，与工作面推进方向大致垂直；同时，也存在部分大倾角冲击震源(图中Poles-1倾角超过35°，平均52°)，其破裂面走向介于340°～350°，基本与工作面推进方向平行，进一步分析可知，大倾角冲击震源全部分布在煤层内，位于工作面前方30～100 m范围内，加之震源靠近且破裂面倾向实体煤侧，可以推断这与高应力环境下受载煤体向巷道自由面扩容有关。

3.2.3 褶皱构造区冲击矿压地震学参量分析

(1)冲击矿压释放能量和地震矩的关系

大部分地震学者认为地震释放能量与地震矩成正比，但目前对煤矿开采尺度下冲击矿压释放能量与其地震矩之间的关系还未有过相关研究，以砚北煤矿250204工作面回采期间冲击事件为例(图14)，大能量冲击事件地震矩分布相对集中，其释放能量ES和地震矩M0基本分布在一包络线内，lnES=-8.8+24.6exp[-(lnM0-38.8)2/121.68](R2=0.9)。

图14 冲击震源释放能量与地震距的关系

(2)冲击震源视应力演化情况

早在1970年，Max Wyss等用传统地震学方法计算了南美海沟系统的37个地震视应力，后期Choy GL等利用NETIC和CMT结果，估计了全球地震视应力分布；夏永学等[21]通过矿震波形分析及反演，以视应力描述工作面超前支承压力分布特征，视应力分布结果与工作面实际情况较吻合。

本文以工作面回采期间冲击矿压震源视应力描述构造应力和采动应力综合影响下工作面及其周边围岩的应力分布特征。为真实反映回采区域应力分布情况，对视应力数值进行归一化处理式(13)，得到的工作面及其周边视应力演化如图14所示。

由图15(a)可知，250204工作面回采初期，高视应力区域主要集中在向斜轴部，最高值达到24.0 MPa；工作面回采中期(图15(b))，高视应力区域虽有所转移，但仍集中在向斜轴部与背斜轴部之间，视应力最高值达到23.2 MPa；随着工作面回采远离向斜轴部(图15(c))，构造应力对工作面影响相对降低，高视应力区域集中分布在推进面前后，此时工作面超前支承压力开始占据主导，且最高视应力值降至14.0 MPa。以上应力分布结果与实测情况基本吻合，水平构造应力在该区域原岩应力中占据主导，向斜轴部为高应力集中区域，近向斜区域冲击危险程度较高，随工作面推进远离向斜轴部，工作面冲击危险性有所降低。

图15 2502采区视应力分布

图16,17为50起冲击矿压发生时间间隔及释放能量情况、巷道底臌量统计，由图可知，随工作面回采远离向斜轴部，冲击矿压发生时间间隔快速增大、释放能量快速减小、巷道底臌量逐渐降低，说明随工作面回采远离向斜轴部，煤岩体达到临界冲击应力的时间增长、冲击释放的能量减小、冲击破坏程度降低，工作面冲击危险性相对降低。冲击震源时空分布及巷道冲击显现结果与视应力分布情况较吻合，说明通过冲击震源视应力反演工作面应力分布具有一定可行性。

图16 冲击矿压时间间隔、释放能量与工作面进尺的关系

图17 工作面底臌量统计

4 结论和讨论

(1)褶皱构造区工作面回采扰动下冲击矿压震源破裂类型全部表现为拉张破裂，主要表现为水平挤压构造应力作用下，高静载区域煤岩体的应力释放，该破裂类型明显区别于断层活化引起的煤岩体破裂，震源矩张量以非双力偶部分占主导。

(2)受褶皱构造及工作面采动影响，冲击震源破裂面产状有明显分化趋势，小倾角(<35°)震源破裂面走向多垂直工作面推进方向，而大倾角(>35°)震源破裂面多倾向实体煤侧，且其走向多平行于工作面推进方向。

(3)褶皱构造区冲击矿压震源辐射能量和地震矩基本分布在一包络线内，随震源辐射能量增大，其地震矩大小分布更加集中；通过冲击震源视应力统计，得到了工作面周边应力分布演化情况，与现场冲击震源时空分布及冲击显现结果拟合较好，说明通过冲击矿压震源视应力反演工作面应力分布具有一定可行性。

(4)对褶皱构造区冲击矿压震源机制进行了初步探索，本文提出的褶皱构造区冲击矿压震源机制分析方法及其结果对类似褶皱构造环境中采掘扰动下煤岩体破坏特征、冲击矿压及其孕育机制的研究有一定参考价值。

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Focal mechanism of rockburst in folded region in coal mine

JING Guang-cheng1,2,3,CAO An-ye1,2,3,DOU Lin-ming3,WANG Chang-bin1,2,3,LIU Zhi-gang1，2,3,WU Yun1，2,3

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.StateKeyLaboratoryofCoalResourceandMineSafety,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

Exploitation in longwall 250204 at Yan-bei coal mine within fold region had led to the occurrence of very high seismic activity,where 50 rockbursts took place from April 2011 to May 2013.To determine the cause of rockburst in fold region,the research employed the method of seismic moment tensor inversion which provides the parameters of focal mechanism (percentage share of its components:isotropic,uniaxial compression or tension,shear component;trend and dip of nodal planes,etc.) based on the analysis of geological and mining conditions.The test showed that the type of ruptures were all distinguished as tensile failure which represented that the stress-release of loaded coal and rock mass was caused by the multi-effect of horizontal tectonic stress and abutment pressure.The joints occurrence of ruptures had an obvious tendency of differentiation,and the trends of ruptures with dip angle below 35° were almost normal to the advancing direction of working face,while the other ruptures with angle above 35° were more or less parallel to advancing direction.The seismic moment and radiated energy of rockbursts were all distributed in an envelope,and the value of seismic moment had an obviously distributing center with radiated energy growth.The distribution of apparent stress was consistent with the actual situation of mined area which high-stress region concentrated in the axial part of syncline structure.

fold;rockburst;focal mechanism;moment tensor;apparent stress

10.13225/j.cnki.jccs.2016.0951

2016-07-09

2016-10-31责任编辑:常 琛

国家自然科学基金面上资助项目(51674253)；国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801403)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(SZBF2011-6-B35)

井广成(1989—)，男，山东滕州人，硕士研究生。E-mail:guangchengjing@126.com

TD324

A

0253-9993(2017)01-0203-09

井广成,曹安业,窦林名,等.煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制[J].煤炭学报,2017,42(1):203-211.

Jing Guangcheng,Cao Anye,Dou Linming,et al.Focal mechanism of rockburst in folded region in coal mine[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):203-211.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0951