Evaluation of focal mechanism and inducing burst ability of large energy mine earthquakes in deep thick overburden mine
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摘要:
深部厚覆岩矿井在采掘期间常面临矿震频发现象，其中大能量矿震可能诱发冲击地压现象。为探究强震诱冲能力，以鄂尔多斯矿区门克庆煤矿3106工作面为工程背景，基于矩张量力学机制修正了强震垂直高度，分析了强震时空分布特征，结合钻孔资料探究了临空侧强震频发的影响因素；同时基于矩张量反演方法研究了厚覆岩条件下强震的力学类型及震源机制。结果表明：强震由工作面生产帮一侧的低位厚覆岩层破断产生，震源机制主要呈现拉伸破断型，少数为压缩破断型。基于震动波衰减规律，建立了强震衰减模型，将3106工作面回采期间产生的12次强震划分成3种类型；并根据现场支护条件及开采条件建立了FLAC3D数值模型，采用动力计算方法获取了3106工作面临空侧巷道所能抵抗的质点峰值振动速度（peak particle vibration velocity，PPV）为0.35 m/s；进一步根据建立的能量E、传播距离r和PPV关系模型，计算分析确定除第２种类型对巷道有一定影响之外，其他2种类型的强震诱冲能力都偏弱，阐释了现场没有发生破坏的原因。研究结果为类似厚覆岩条件下强震产生机制及诱冲能力分析提供了理论支撑。
Abstract:Deep thick overlying strata mine often faces frequent occurrence of mine earthquake during mining, among which large energy mine earthquakes may induce rock burst. In order to investigate the burst inducing ability of large energy earthquakes, based on the engineering background of the 3106 working face of Menkeqing Coal Mine in Ordos mining area, the vertical height of large energy mine earthquakes is modified based on the moment tensor mechanics mechanism, the temporal and spatial distribution characteristics of large energy mine earthquakes are analyzed, and the factors influencing the frequent occurrence of large energy mine earthquakes near the goaf side are explored combined with drilling data. Based on the moment tensor inversion method, the mechanical types and focal mechanisms of large energy mine earthquakes under the condition of thick overlying strata are studied. The results show that the large energy mine earthquake is caused by the fracture of the low thick overburden on one side of the production wall of the working face, and the focal mechanism is mainly tensile fracture type, and a few are compression fracture type. Based on the attenuation law of vibration wave, the large energy mine earthquake attenuation model is established, and the 12 large energy mine earthquakes produced during the mining of 3106 working face are divided into three types. The FLAC3D numerical model is established according to the field support and mining conditions, and the peak particle vibration velocity (PPV) of the roadway near the goaf side of 3106 working face is 0.35 m/s by using the dynamic calculation method. Further, according to the established relationship model of energy E, propagation distance r and PPV, the calculation and analysis confirm that except the second type has a certain influence on the roadway, the other two types of the large energy mine earthquake burst inducing ability is weak, which explains the reason why there is no damage at the site. The research results provide theoretical support for the generation mechanism and induced burst ability analysis of large energy mine earthquakes under similar thick overburden conditions.
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0. 引 言
坚硬厚覆岩是冲击地压、矿震发生的主要因素[1-4]，其厚度大、整体性强的特性极易积聚大量弹性能，破断时将引起巨大的震动甚至诱冲效应，对地下巷道和生产设施可能造成严重破坏[5-8]。为探索厚覆岩层产生矿震机制，众多学者对上覆厚硬顶板的运动冲击规律进行了研究。姜福兴等[9-10]对厚坚硬岩层的空间结构特征进行了研究，提出了不同形式的厚坚硬岩层破坏形态，揭示了高能量矿震事件与岩层运动间的关系。徐学锋等[11]利用微震监测技术对巨厚上覆岩层破断规律进行了分析，认为大尺度的覆岩结构在破断过程中会释放巨大能量进而产生矿震。蒋金泉等[12]通过分析现场数据发现在高位硬厚岩层破断及运移过程中微震活动加剧，甚至产生强矿震进而引起强烈的动力响应。王树立等[13]分析了超厚高位红层砂岩破断矿震活动规律，认为强矿震事件的分布与红层的破断运动密切相关。赵科等[14]基于采场上覆岩层活动规律和冲击地压相关理论，研究了上覆巨厚岩层的运动规律及诱发矿震的因素，验证了矿震事件与上覆岩层运动间的相关性。王康康[15]研究了高位巨厚覆岩采动应力场与强矿震关系，揭示了采空区域高位巨厚覆岩破裂诱发三向应力集中区弹性能释放的强矿震发生机制，并基于能量衰减规律构建了高位巨厚覆岩强矿震致灾风险安全评估体系。
白贤栖等[16-17]针对鄂尔多斯矿区的巨厚层状砂岩组，根据微震监测情况结合关键层破断条件分析了巨厚覆岩破断触发矿震机制。曹晋荣[18]通过定义矿震关键层，揭示了巨厚覆岩型矿震发生机理，并基于能量和震动速度的相关性阐明了巨厚覆岩型矿震井下致灾机制和诱发地面损害机制。杨耀[19]聚焦鄂尔多斯矿区白垩系巨厚覆岩，采用矩张量反演方法揭示了巨厚覆岩临空采动强矿震孕育发生机理，同时基于震源破裂辐射与应力反演方法，研究了强矿震扰动致灾机制。
已有研究表明，煤岩体破裂释放的能量会以震动波的形式向外传播，且震动波能量会随传播距离的增加而衰减[5, 20]。基于此，矿震对巷道的破坏程度和是否诱冲不仅取决于能量的大小，还会受到震源距离巷道远近的影响，当大能量矿震距离巷道较远时，也将很难引起巷道破坏。而目前对矿震诱冲能力的研究，没能给出矿震能量及位置综合影响作用下对巷道的动力响应。同时，目前的研究对象多集中于高位厚覆岩层，但在某些条件下，低位厚覆岩破断也能产生强震。
门克庆煤矿3106工作面在回采期间产生了12次强震，但均未造成现场破坏。为探究其诱冲能力，笔者基于震源机制反演及震动波传播规律，研究了12次强震产生机制，并根据微震数据建立了矿震的PPV传播模型及诱冲模型，阐释了现场没有冲击显现的原因。研究成果对确保3106工作面和其他类似条件下工作面的安全高效开采提供了参考依据。
1. 矿井概况
门克庆煤矿位于内蒙古鄂尔多斯矿区，目前主采的3-1煤层近水平分布，煤层埋深约为680 m，煤层结构整体简单，无夹矸分布。煤厚总体稳定，煤层最厚处达5.60 m，最薄处达3.52 m，煤厚平均为4.76 m。
3106工作面位于3-1煤层11采区，工作面宽为320 m，推进长度为
2927 m。其北侧为已回采的3104工作面采空区，中间留设6 m的区段煤柱；东侧为南翼3条大巷，西侧为3-1煤南翼泄水巷，南侧则是未回采的实体。在3106工作面回采期间（2022−02−21—2022−03−20），微震监测系统记录到3106工作面共发生12次强震事件（能量超过1.00×105 J），但是均未造成现场破坏。期间工作面共推进151.3 m，推进范围见图1。根据图2所示3106工作面综合柱状，其顶板主要由砂质泥岩、粉砂岩及细砂岩组成。其中，直接顶为砂质泥岩，厚度0.26～5.53 m，平均厚度为2.66 m，呈灰色，具有水平层理，表现为块状结构和参差状的断口；基本顶为粉砂岩，厚度1.67～11.45 m，平均厚度为5.19 m，呈灰色，含有泥质条带和植物碎屑化石。直接底是砂质泥岩，厚度4.15～10.95 m，平均厚度达到10.25 m，同样呈灰色，具有厚层状、泥质粉砂状结构和水平纹理。根据综合柱状图及关键层理论[21]，煤层上方60 m处的中粒砂岩（厚度为19.30 m）为主关键层；煤层上方10 m左右的细粒砂岩（厚度为12.28 m）为亚关键层。同时根据3106工作面附近的MS32号钻孔，钻孔位置见图1，其顶板覆岩存在较厚的砂质泥岩组。
2. 3106工作面强震时空分布规律
3106工作面安装了微震监测系统，用于监测生产期间产生的震动信号。强震发生期间的台网布置情况如图3所示，可以看出3106工作面附近的台站数量较多，且分布较为合理，能形成良好的包络，因此台站接收的微震信号质量较好，震源平面定位及能量计算较为可靠。在该台网布设下，微震监测系统记录并求解了强震发生位置，投影至平面图中可以发现12次强震事件出现位置相对集中（图4）。走向上，强震主要集中在距切眼785～925 m，而倾向上主要分布在回风巷生产帮以里15～63 m。此外，根据工作面推进位置，12个强震里有9次发生在工作面前方，2次发生在工作面后方，1次正好位于工作面推进位置。9次发生在工作面前方的强震里，最远距离工作面37.5 m，最近仅有3 m；采空区后方的2次强震里最远距离工作面后方22 m，最近仅有4 m。可见，在此期间，强震主要位于工作面前后−22～37.5 m，其中绝大多数强震位于工作面前方。倾向上强震则主要集中在临空侧的工作面实体内，由图4b可以看出，小煤柱由于不具备承载作用，其支撑点将向位于临空侧的工作面实体围岩内转移，转移后的侧向影响范围约为60 m。
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图 4 3106工作面强震分布规律Figure 4. Distribution law of strong mine tremors in3106 working face为进一步探究矿震在纵向上的分布特征，考虑到现有微震监测系统垂直定位精度较低，本文基于震源机制的矩张量反演理论对其进行了修正。在简化围岩为均匀介质条件下，具有矩张量力学机制M = Mpq（p=1，2，3，q=1，2，3）的震源，其在远场位置x的探头上产生的P波初动峰值位移理论值为
$$ {u_n}\left( x \right) = \sum\limits_{p = 1}^3 {\sum\limits_{q = 1}^3 {\frac{{{{\boldsymbol{\gamma}} _n}{{\boldsymbol{\gamma}} _p}{{\boldsymbol{\gamma}} _q}}}{{4\pi \rho {\alpha ^3}}}} } \frac{1}{{\boldsymbol{r}}}{{{M}}_{pq}} $$ (1) 式中：ρ为围岩密度，Kg/m3；α为P波传播速度，m/s；r为震源ξ与探头x之间的距离，$r = \left| {x - \xi } \right|$，m；方向向量$ {\gamma }_{i}=\dfrac{{x}_{i}-{\xi }_{i}}{r}，i={1, 2, 3}；n=\mathrm{1, 2, 3} $，代表空间3个方向，分别为2个相互垂直的水平向，以及1个垂直向。当仅使用垂直向的单分量传感器时，un(x)为垂直向P波初动峰值位移。
在处理传感器记录波形并获得至少6个方向上的P波初动峰值位移后，即可通过线性最小二乘法求得矩张量M，其中M12 = M
21、M13 = M31、M23 = M32。进一步，通过式(5)可计算各垂直高度下理论值与实际值的相关系数R2，选取相关系数最大的深度作为修正后的震源垂直高度。各个矿震事件不同垂直高度下相关系数的计算结果如图5所示，例如2号强震（图5a中的红色曲线），在560 m时的R2约为0.5，而在632.93 m处的R2接近1，达到最大，因此2号矿震的垂直高度修正为632.93 m。 ![]()
图 5 12个强震垂直定位修正曲线Figure 5. 12 Strong mine tremors vertical positioning correction curve$$ \bar y = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{y_i}} $$ (2) $$ {S_{{\mathrm{tot}}}} = {\sum\limits_i {\left( {{y_i} - \bar y} \right)} ^2} $$ (3) $$ {S_{{\mathrm{reg}}}} = {\sum\limits_i {\left( {{f_i} - \bar y} \right)} ^2} $$ (4) $$ {R^2} = \frac{{{S_{{\mathrm{reg}}}}}}{{{S_{{\mathrm{tot}}}}}} $$ (5) 式中：Stot为总平方和；Sreg为回归平方和，m2；n为每个矿震事件用于震源机制反演的检波器个数，n≥0；yi为各检波器实际接收信号的P波初动幅值，m；fi为各垂直高度下各检波器理论P波初动幅值，m。
纵向上，根据3106工作面井下钻孔资料，绘制了如图6所示沿3106工作面走向推进方向的钻孔柱状剖面图，并覆盖煤层以上约90 m范围的岩层。3106工作面顶板岩层大致可归类为由下位的砂质泥岩、细砂岩及中砂岩等组成。将修正后震源坐标投影至图6，可以发现，强震在垂直向整体距离煤层较近，主要集中在砂质泥岩及砂岩和中砂岩内，而位置最高的一次强震（2022−03−17）距离煤层也仅有约16 m，因此可以推断强震主要由工作面生产帮一侧的低位岩层破断产生。
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图 6 强震沿走向的垂直剖面分布图Figure 6. Vertical profile distribution of strong mine tremors along strike为进一步排除其他因素影响，绘制工作面二次见方、工作面进尺与强震发生时间的关系图，如图7所示。与其他时间段相比，3106工作面整体推进速度相对稳定，平均推进速度为5.7 m/d。因此，3106工作面多次发生的强震与推进速度之间关系并不密切。二次见方阶段与强震频发阶段在时间上并无交集，说明二次见方也与强震关系不大。
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图 7 二次见方前后50 m范围与强震发生时间段的关系图Figure 7. The relationship between the 50m range before and after quadratic square and the time period of strong mine tremors根据图1、图7，虽然二次见方阶段与强震频发阶段在时间和空间上并无交集，但却较为接近，因此认为3104采空区为3106工作面临空侧上覆岩层的破断提供了必要的外部条件，即二次见方及临空侧是3106工作面强震频发的重要影响因素。同时结合图6岩层的垂直剖面分布情况，可以推断中砂岩与细砂岩交替互层的特点可能是强震频发的主控内因。
3. 3106工作面强震震源机制分析
不同矿震因诱发成因和震源破裂机理的不同，导致其能量释放大小和诱冲能力也各不相同，探究矿震事件的破裂机制对于区分不同类型的矿震事件具有重要意义[22]。震源矩张量不依赖双力偶震源假设，常被用于研究煤矿采动诱发矿震震源破裂机理[22]。根据相关研究[23]，矩张量M可进一步分解为3个基本部分：各向同性分量(ISO)、双力偶分量(DC)和补偿线性矢量偶极分量(CLVD)，即：
$$ {\boldsymbol{M}}={{\boldsymbol{M}}}_{\text{ISO}}+{{\boldsymbol{M}}}_{\text{CLVD}}+{{\boldsymbol{M}}}_{\text{DC}} $$ (6) 式中：M为标量地震矩；MISO、MDC和MCLVD是三维震源类型空间中ISO、DC和CLVD的坐标，其中：
$$ {{\boldsymbol{M}}}_{\text{ISO}}\text=\frac{\text{1}}{\text{3}}\left({{\boldsymbol{M}}}_{\text{1}}\text+{{\boldsymbol{M}}}_{\text{2}}\text+{{\boldsymbol{M}}}_{\text{3}}\right) $$ (7) $$ {{\boldsymbol{M}}}_{\text{CLVD}}\text=\frac{\text{2}}{\text{3}}\left({{\boldsymbol{M}}}_{\text{1}}\text+{{\boldsymbol{M}}}_{\text{3}}{-2}{{\boldsymbol{M}}}_{\text{2}}\right) $$ (8) $$ {{\boldsymbol{M}}}_{\text{DC}}\text=\frac{\text{1}}{\text{2}}\left({{\boldsymbol{M}}}_{\text{1}}-{{\boldsymbol{M}}}_{\text{3}}-\left|{{\boldsymbol{M}}}_{\text{1}}\text+{{\boldsymbol{M}}}_{\text{3}}{-2}{{\boldsymbol{M}}}_{\text{2}}\right|\right) $$ (9) 式中：M1、M2、M3为矩张量M分解后得到的3个特征值，且假设M1≥M2≥M3。进一步，标量地震矩M和各成分的相对比例因子定义[24]为
$$ \left[\begin{array}{c}{{C}}_{\text{ISO}}\\ {{C}}_{\text{CLVD}}\\ {{C}}_{\text{DC}}\end{array}\right]\text=\frac{\text{1}}{{\boldsymbol{M}}}\left[\begin{array}{c}{{\boldsymbol{M}}}_{\text{ISO}}\\ {{\boldsymbol{M}}}_{\text{CLVD}}\\ {{\boldsymbol{M}}}_{\text{DC}}\end{array}\right] $$ (10) 式中：CISO、CDC、CCLVD分别为各向同性分量、双力偶分量和补偿线性矢量偶极分量的成分百分比。
各分量成分百分比的计算结果对震源破裂类型判识具有重要影响。根据CISO、CDC、CCLVD的值，矿震力学类型可分为压缩主导型、剪切压缩型、剪切主导型、剪切拉伸型、拉伸主导型、内爆主导型和外爆主导型，判识标准如下：
压缩主导型：CDC<10%，CISO<0，CCLVD<0，|CISO|+|CCLVD|≥90%；
剪切压缩型：10%≤CDC<60%，CISO<0，CCLVD<0，40%<|CISO|+|CCLVD|≤90%；
剪切主导型：60%≤CDC，|CISO|+|CCLVD|≤40%；
剪切拉伸型：10%≤CDC<60%，CISO>0，CCLVD>0，40%<CISO+CCLVD≤90%；
拉伸主导型：CDC<10%，CISO>0，CCLVD>0，CISO+CCLVD≥90%；
内爆主导型：CISO<0，|CISO|≥90%；
外爆主导型：CISO>0，CISO≥90%。
根据求解得到的各分量成分百分比可以绘制CLVD−ISO钻石图，能显示震源在CLVD−ISO坐标系中的位置，该坐标系中CLVD轴和ISO轴的范围为−1～1，空间DC轴的范围为0～1，且DC轴的大小由钻石图的颜色深度表示。
对门克庆3106工作面12次强震进行了震源关键参数计算，结果如图8强震震源机制沙滩球和图9强震震源机制钻石图所示。震源机制计算结果显示，强震力学类型主要呈现拉伸主导型，少数为压缩主导型。
4. 3106工作面强震诱冲能力评估
4.1 强震衰减特征
煤岩体破裂诱发矿震会向外辐射震动波，并释放弹性能，此过程可导致震动波能量的衰减和损耗[25]。因此，对矿震诱冲能力的研究不仅要考虑矿震能量的大小，还应关注震源与巷道之间距离的影响。同时，研究震动波在相关介质中传播衰减的规律是分析震动波诱冲能力的关键环节[26]，而质点峰值振动速度（PPV）则是影响矿震诱冲能力的关键因素。因此，质点峰值振动速度被广泛应用于评价震动对地下设施的影响。
在考虑应力波几何扩散即岩体介质的阻尼影响时，矿震动载从震源到达接收点时，其震动速度会发生变化。这种变化主要源于波前的扩散和介质的吸收，前者与距离成反比，后者与距离成负指数关系。随着微震监测系统在矿井普遍安装，质点峰值速度的传播规律可表示[22, 27]为
$$ {{A}}_{{ij}}={{A}}_{{i0}}\frac{{1}}{{{r}}_{{ij}}}{{{\mathrm{e}}}}^{-{\textit{α}}_{{i}}{{r}}_{{ij}}} $$ (11) 式中：Aij为传感器j记录的矿震i的PPV，m/s; Ai0为矿震i在震源处的PPV，m/s; rij为矿震i从震源到传感器j的距离, m; αi为矿震i的峰值速度衰减系数。
震动波在传播过程中，会造成粒子在震源处沿平衡位置的往返振动和介质的弹性变形，质点处的能量E即为其单位体积的最大动能。因此，震动波能量与质点峰值速度的平方成正比[28]：
$$ {{A}}_{\text{0}}={C}\sqrt{{E}} $$ (12) 式中：C为质点峰值速度和能量之间的拟合系数。
基于对强矿震震动波衰减规律的分析，将建立基于震动波传播机制的3106工作面强震PPV传播模型。表1即为根据3106工作面12次强震建立的PPV传播模型，其衰减曲线如图10所示。
表 1 3106工作面强矿震PPV传播模型Table 1. PPV propagation model of strong mine tremors at 3106 working face强震序号 震源发生时间 PPV传播模型 能量/J 1号 2022−02−22 T 20:27:17 $ {{A}}_{{i}}{=}{1.449}\;{5}\dfrac{{1}}{{{r}}_{{i}}}{{\rm{e}}}^{{-0.000}\;{5}{{r}}_{{i}}} $ 4.97×106 2号 2022−02−25 T 00:02:38 $ {A}_{i}=2.342\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;1{r}_{i}} $ 3.85×106 3号 2022−02−27 T 18:48:57 $ {A}_{i}=2.984\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;9{r}_{i}} $ 1.97×106 4号 2022−03−04 T 06:51:06 $ {A}_{i}=2.172\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;8{r}_{i}} $ 5.96×106 5号 2022−03−06 T 04:36:34 $ {A}_{i}=2.206\;6\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;2{r}_{i}} $ 3.04×106 6号 2022−03−08 T 23:35:31 $ {A}_{i}=0.807\;2\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;5{r}_{i}} $ 1.41×106 7号 2022−03−11 T 02:40:16 $ {A}_{i}=1.622\;9\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;1{r}_{i}} $ 2.12×106 8号 2022−03−13 T 21:48:14 $ {A}_{i}=1.328\;2\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-5.1 \times 10^{-5}{r}_{i}} $ 1.01×107 9号 2022−03−13 T 21:48:31 $ {A}_{i}=0.896\;8\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;7{r}_{i}} $ 9.15×105 10号 2022−03−16 T 02:21:30 $ {A}_{i}=1.082\;3\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;5{r}_{i}} $ 3.27×106 11号 2022−03−16 T 22:17:55 $ {A}_{i}=0.260\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;8{r}_{i}} $ 1.45×105 12号 2022−03−17 T 08:23:36 $ {A}_{i}=1.331\;6\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;7{r}_{i}} $ 2.33×106 ![]()
图 10 12次强震震动波幅值衰减规律曲线Figure 10. Amplitude attenuation curve of 12 strong mine tremors综合以上分析，根据强震能量与PPV的关系，将上述12次强震分为3种类型，其中第1类对应9次拉伸型破断，第2类对应2次压缩型破断，第3类对应能量最大的1次拉伸型破断。第1类及第2类可根据式12进行拟合，第3类则直接将数据带入式12求解系数C，结果如图11及表2所示。
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图 11 3类强震能量E与质点峰值振动速度A0的关系Figure 11. The relationship between the energy E of three kinds of strong mine tremors and the peak particle vibration velocity A0表 2 3类矿震PPV传播模型Table 2. PV propagation model of three types of mine tremors类型 能量E与$ {A}_{0} $的关系 PPV传播模型 第1类 $ {A}_{0}=0.000\;8\sqrt{E} $ $ A=0.000\;8\sqrt{E}\dfrac{1}{r}{{\mathrm{e}}}^{-0.000\;8\;r} $ 第2类 $ {A}_{0}=0.002\;0\sqrt{E} $ $ A=0.002\;0\sqrt{E}\dfrac{1}{r}{{\mathrm{e}}}^{-0.001\;9\;r} $ 第3类 $ {A}_{0}=0.000\;4\sqrt{E} $ $ A=0.000\;4\sqrt{E}\dfrac{1}{r}{{\mathrm{e}}}^{-0.000\;1\;r} $ 4.2 临界抗冲能力数值求解
一般来说，PPV要足够大才能够导致巷道出现冲击，根据国外大量统计来看，当PPV超过0.05 m/s时，巷道就有可能出现冲击现象[29]。冲击临界PPV与围岩强度、巷道支护质量等有关，本文根据文献提出的方法[28]，建立三维数值模型，进一步确定门克庆煤矿3106工作面临空侧巷道能够抵抗的临界PPV数值。依据临空侧巷道支护（图12）所建立的数值网格模型图如图13所示，模型大小为100 m×10 m×40 m（X×Y×Z），煤层网格尺寸为0.2 m，远离煤层网格尺寸逐渐变大，煤岩体物理力学参数见表3，支护构件参数见表4。
表 3 煤岩体物理力学参数Table 3. Physical and mechanical parameters of coal and rock mass岩性 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/（°） 抗拉强度/MPa 密度/（kg·m−3） 砂质泥岩 4.82 2.90 3.0 32 1.7 2549 细砂岩 11.60 9.50 6.2 34 4.0 2450 粉砂岩 7.40 4.70 4.6 34 2.1 2426 煤层 2.00 1.40 3.0 30 1.0 1369 表 4 支护构件参数Table 4. Supporting member parameter构体 位置 长度/mm 直径/mm 抗拉强度/kN 预紧力/kN 间排距/（mm×mm） 锚杆 顶部 4300 21.8 190 150 1400 ×1000 帮部 2800 22.0 190 150 900× 1000 锚索 顶部 7300 28.6 710 280 1400 ×2000 帮部 4000 21.8 710 280 1400 ×1000 模型开挖平衡后在临空侧巷道上方施加不同幅值的半正弦动载，根据模拟结果（图14）可以看出，相较巷道围岩其他位置，左帮位移最大，即左帮最先发生破坏。因此在动载施加过程中，对巷道左帮位移和质点峰值振动速度进行监测，当巷道左帮质点峰值速度为0.35 m/s时，巷道左帮位移达到0.182 m，即巷道相对位移达到3.4%，此时可视为巷道发生破坏[28]。因此通过数值模拟求解3106工作面临空侧巷道所能抵抗的临界PPV为0.35 m/s。
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图 14 施加动载后巷道围岩及锚杆、锚索位移云图Figure 14. Displacement cloud map of roadway surrounding rock, bolt and cable after dynamic load is applied4.3 强震诱冲能力分析
根据表2，3类传播模型绘制如图15所示强震能量E、震源与巷道的直线距离（震巷距）r和PPV的关系云图。由图15中云图的图例中可以看出，等值线最小值为0.05 m/s。在取此值时，除第2类外，其他两类条件下，巷道可抵抗104.0 J以下的近距离矿震；当PPV取0.35 m/s时，要发生冲击，第1类中至少要发生200×105 J即2×105 J以上的近距离矿震，第2类中至少要发生3.16×104 J即3.09×104 J以上的近距离矿震，第3类则很难发生冲击。若能够充分卸压，使得强震发生位置至少在巷道50 m以外，则第1类需要发生1.00×107 J即1.06×107 J以上的矿震，第2类需要发生1.58×106 J即1.71×106 J以上的矿震，第3类则需要发生3.98×107 J即3.95×107 J以上的矿震。
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图 15 矿震能量、距离和PPV关系云图Figure 15. The relationship between mine tremors energy, distance and PPV根据建立的能量、距离和PPV的关系模型，计算分析得出除第2类对巷道有一定影响之外，其他两种类型的强震诱冲能力都偏弱。因此，只要门克庆煤矿做好、做实临空侧低位岩层的断顶工作，应能够确保巷道安全。
5. 结 论
1）分析了3106工作面12次强震的时空分布特征，在基于矩张量反演修正震源高度后，发现强震在垂直向整体距离煤层较近，主要集中在砂质泥岩及砂岩和中砂岩内，最高不超过16 m。
2）基于矩张量反演法对门克庆3106工作面12次强震进行了震源关键参数计算，结果显示覆岩破断产生强震的力学类型主要呈现拉伸主导型，少数为压缩主导型。结合震源分布特征，可以推断强震主要由工作面回风巷生产帮一侧的低位厚覆岩破断产生。
3）依据强震力学类型和震动波衰减规律，可把12次强震划分成3种类型，其中绝大多数属于第一种类型。此类条件出现的强震多表现为拉伸破断机制，其诱冲能力偏弱，并能够通过低位顶板的卸压工程对强震发生位置及其对巷道的影响进行调控。
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图 4 3106工作面强震分布规律
Figure 4. Distribution law of strong mine tremors in3106 working face
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图 5 12个强震垂直定位修正曲线
Figure 5. 12 Strong mine tremors vertical positioning correction curve
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图 6 强震沿走向的垂直剖面分布图
Figure 6. Vertical profile distribution of strong mine tremors along strike
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图 7 二次见方前后50 m范围与强震发生时间段的关系图
Figure 7. The relationship between the 50m range before and after quadratic square and the time period of strong mine tremors
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图 10 12次强震震动波幅值衰减规律曲线
Figure 10. Amplitude attenuation curve of 12 strong mine tremors
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图 11 3类强震能量E与质点峰值振动速度A0的关系
Figure 11. The relationship between the energy E of three kinds of strong mine tremors and the peak particle vibration velocity A0
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图 14 施加动载后巷道围岩及锚杆、锚索位移云图
Figure 14. Displacement cloud map of roadway surrounding rock, bolt and cable after dynamic load is applied
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图 15 矿震能量、距离和PPV关系云图
Figure 15. The relationship between mine tremors energy, distance and PPV
表 1 3106工作面强矿震PPV传播模型
Table 1 PPV propagation model of strong mine tremors at 3106 working face
强震序号 震源发生时间 PPV传播模型 能量/J 1号 2022−02−22 T 20:27:17 $ {{A}}_{{i}}{=}{1.449}\;{5}\dfrac{{1}}{{{r}}_{{i}}}{{\rm{e}}}^{{-0.000}\;{5}{{r}}_{{i}}} $ 4.97×106 2号 2022−02−25 T 00:02:38 $ {A}_{i}=2.342\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;1{r}_{i}} $ 3.85×106 3号 2022−02−27 T 18:48:57 $ {A}_{i}=2.984\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;9{r}_{i}} $ 1.97×106 4号 2022−03−04 T 06:51:06 $ {A}_{i}=2.172\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;8{r}_{i}} $ 5.96×106 5号 2022−03−06 T 04:36:34 $ {A}_{i}=2.206\;6\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;2{r}_{i}} $ 3.04×106 6号 2022−03−08 T 23:35:31 $ {A}_{i}=0.807\;2\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;5{r}_{i}} $ 1.41×106 7号 2022−03−11 T 02:40:16 $ {A}_{i}=1.622\;9\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.001\;1{r}_{i}} $ 2.12×106 8号 2022−03−13 T 21:48:14 $ {A}_{i}=1.328\;2\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-5.1 \times 10^{-5}{r}_{i}} $ 1.01×107 9号 2022−03−13 T 21:48:31 $ {A}_{i}=0.896\;8\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;7{r}_{i}} $ 9.15×105 10号 2022−03−16 T 02:21:30 $ {A}_{i}=1.082\;3\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;5{r}_{i}} $ 3.27×106 11号 2022−03−16 T 22:17:55 $ {A}_{i}=0.260\;4\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;8{r}_{i}} $ 1.45×105 12号 2022−03−17 T 08:23:36 $ {A}_{i}=1.331\;6\dfrac{1}{{r}_{i}}{\rm{e}}^{-0.000\;7{r}_{i}} $ 2.33×106 
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表 2 3类矿震PPV传播模型
Table 2 PV propagation model of three types of mine tremors
类型 能量E与$ {A}_{0} $的关系 PPV传播模型 第1类 $ {A}_{0}=0.000\;8\sqrt{E} $ $ A=0.000\;8\sqrt{E}\dfrac{1}{r}{{\mathrm{e}}}^{-0.000\;8\;r} $ 第2类 $ {A}_{0}=0.002\;0\sqrt{E} $ $ A=0.002\;0\sqrt{E}\dfrac{1}{r}{{\mathrm{e}}}^{-0.001\;9\;r} $ 第3类 $ {A}_{0}=0.000\;4\sqrt{E} $ $ A=0.000\;4\sqrt{E}\dfrac{1}{r}{{\mathrm{e}}}^{-0.000\;1\;r} $
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表 3 煤岩体物理力学参数
Table 3 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass
岩性 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/（°） 抗拉强度/MPa 密度/（kg·m−3） 砂质泥岩 4.82 2.90 3.0 32 1.7 2549 细砂岩 11.60 9.50 6.2 34 4.0 2450 粉砂岩 7.40 4.70 4.6 34 2.1 2426 煤层 2.00 1.40 3.0 30 1.0 1369
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表 4 支护构件参数
Table 4 Supporting member parameter
构体 位置 长度/mm 直径/mm 抗拉强度/kN 预紧力/kN 间排距/（mm×mm） 锚杆 顶部 4300 21.8 190 150 1400 ×1000 帮部 2800 22.0 190 150 900× 1000 锚索 顶部 7300 28.6 710 280 1400 ×2000 帮部 4000 21.8 710 280 1400 ×1000
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