煤矿矿震与冲击地压的区别与联系及矿震扰动诱冲初探

朱建波，马斌文，谢和平，高 峰，周宏伟，周昌台，郑福润

(1.深圳大学 广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室，广东 深圳 518060；2.深圳大学 深地科学与绿色能源研究院，广东 深圳 518060；3.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；4.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221006；5.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

地下矿产资源是人类经济与社会发展的重要物质基础，“向地下要资源”是探索人类可持续发展的重要途径。同时，煤、盐、金属矿物等地下固体矿产资源开采后形成大量地下空间资源，其合理开发利用维护也受到越来越多的重视。地下矿产资源开采与地下空间开发利用维护过程中，都不可避免地对地下空间围岩产生人为扰动，造成围岩体空间结构失稳与破断，从而产生矿震现象。

矿震是诱发地震的一种，与天然地震、注(蓄)水诱发地震不同，矿震是由大面积岩体开挖引起的岩体破断而产生的。矿震伴随着大量弹性能快速释放，并以震动波的形式在周围岩体中向外传递，易诱发次生灾害，对地下工程结构、地面构筑物及人民生命财产安全构成了巨大威胁。1738年，英国南斯坦福煤田首次记录有矿震现象，我国记录的最早矿震是1933年于抚顺胜利矿发生的。近百年来，由于矿产资源开采强度与地下空间面积不断增大，世界各国矿震现象愈演愈烈，比如南非、加拿大、澳大利亚、波兰等。而且随着浅部资源日趋枯竭，矿产资源开采深度不断增加，目前煤矿最大采深达1 500 m，有色金属矿最大采深达4 350 m。开采深度的增加导致原位环境作用更加显著，工程扰动响应更加剧烈，矿震活动性增强，产生高能级矿震，进而诱发高量级地质灾害的可能性急剧增大，地下工程灾害的破坏力与社会影响力更加凸显，使得矿震问题正由资源安全开采问题演化为社会公共安全问题。因此，揭示矿震致灾机制、提高矿震治理水平、丰富与发展矿震相关理论迫在眉睫。

已有的矿震致灾方面的研究可根据扰动对象的空间位置，将其分为矿震影响地下空间围岩稳定性的研究和矿震影响地面构筑物稳定性的研究。矿震对地面构筑物影响的已有研究主要通过分析矿震作用下地表震动峰值速度、峰值加速度、峰值位移、频谱特征、持续时间等参数，进一步评价矿震扰动对地基及构筑物稳定性的影响。矿震影响地下空间围岩稳定性的研究，重点分析了震动波的传播衰减模型及诱发坚硬岩体岩爆、煤矿冲击地压等动力灾害的作用机制。

煤矿采掘空间围岩在矿震扰动作用下易发生非稳定性失稳破坏，形成冲击地压灾害。煤矿矿震最早被简单地认为是冲击地压，在很长时间内，很多学者对煤矿矿震与冲击地压的理解不够清晰，简单地将两者同等对待并相互替换使用，造成对矿震与冲击地压概念认识的片面性和模糊性，一定程度上导致了冲击地压问题的扩大化，加剧了煤矿企业和政府监管部门对矿震与冲击地压问题的管理难度。同时，由于两者概念界定不清，很多学者面临矿震与冲击地压问题时缺乏针对性，忽略了矿震与冲击地压之间的内在联系，对相关研究造成了非常不利的影响，大量研究投入未能取得预期效果。

随着对煤矿矿震与冲击地压认识的加深，关于两者区别与联系的讨论是近年来冲击地压研究的重要问题。很多学者将煤矿矿震看作诱发冲击地压的动载来源之一，研究了矿震扰动诱发冲击地压机理，一定程度上能够解释部分矿震诱发冲击地压的作用机制。然而，由于对矿震与冲击地压基本概念的认识不足，忽略了矿震扰动的本真特征，无法准确揭示矿震诱发冲击地压机制，使得已有研究成果对矿震诱发型冲击地压的指导具有局限性。正确界定煤矿矿震与冲击地压，厘清两者的区别与联系，并分别开展针对性的基础研究，是有效分析矿震诱发型冲击地压、提高矿震治理水平的重要前提。

基于此，笔者首先分析总结了矿震和冲击地压的定义、特点与分类，并将煤矿矿震与冲击地压进行了对比分析，在此基础上阐述了矿震对冲击地压的影响，理论分析了不同类型煤矿矿震对采掘空间围岩的扰动作用，为厘清煤矿矿震与冲击地压的区别，揭示矿震诱发冲击地压机制，丰富与发展冲击地压理论提供支撑。

1 矿震与冲击地压的定义与分类

1.1 矿震与冲击地压的定义与特点

1.1.1 矿震的定义与特点

国际上关于矿震的定义是比较统一的，认为矿震是采矿诱发地震，但此定义未能体现出矿震的工程背景、发生机制和显现特征等因素。国内学者从不同研究角度对矿震进行了定义，使得目前矿震定义众多，不尽一致。姜耀东等认为矿震是指采掘空间围岩突然在瞬间发生伴有巨响和冲击波的震动但不发生煤岩抛出的弹性变形能释放现象。李铁等认为岩体破裂释放弹性能产生可被微震设备检测的弹性波，此类事件可称为矿震。李世愚等提出矿震是煤岩体破裂时向外辐射的弹性波。姜福兴等认为矿震是指矿区范围内有震感的动力现象。刘金海等认为矿震是一种由采矿活动诱发的矿井微地震。张华等将矿区范围内由区域应力和构造应力所诱发的矿山动力现象称为矿震。惠乃玲等提出矿震是区域应力和采动应力作用下局部能量释放而产生的岩层震动。张兆平等认为矿震是矿体-围岩系统力学平衡状态被打破导致剩余能量释放的瞬间震动。已有的矿震定义多是根据某一研究角度所提出的，对于矿震现象的总结概括不够完备。因此，笔者在总结前人研究成果的基础上，提出能够概括矿震基本特征与内涵的矿震定义。

矿震，又称采矿诱发地震，是伴随地下固体资源开发的因开采扰动岩体快速释放弹性能所造成的震动现象。根据矿震定义，其具有以下特点：

(1)广泛性。矿震活动广泛存在于煤炭矿山和金矿、铜矿、钾矿、石膏矿等非煤矿山，只要进行地下固体资源开采，一定会有矿震产生。

(2)震动性。矿震会伴随大量弹性能释放，以震动波的形式向外传递，引起周围岩体震动。震动性是判断矿震是否发生的重要标志，也是工程实践中矿震监测的主要对象，是矿震最根本的显现特征。因此，震动性是矿震的首要特点。

(3)致灾性。地下空间围岩在矿震震动波作用下可能发生非稳定性破坏，从而诱发岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害，甚至对地面构筑物造成损伤破坏。矿震的致灾性表示其具备诱发灾害的能力，但并不代表其本身具有灾害性。

1.1.2 冲击地压的定义与特点

冲击地压是煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象，常伴随煤岩体的瞬间位移与抛出、巨响及气浪，严重时会造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而导致局部地震。是否具有破坏性并形成灾害是判断冲击地压是否发生的重要标志。

1.2 煤矿矿震与冲击地压的分类

1.2.1 煤矿矿震的分类

根据矿井类型可将矿震分为煤矿矿震、钾矿矿震和金属矿矿震等，而本文的主要研究对象为煤矿矿震。国内外学者从不同角度对煤矿矿震进行了分类。张少泉等依据围岩结构与应力特征将矿震划分为顶板冒落型、顶板开裂型、矿柱冲击型和断层活动型。朱佩武等根据震相特征将矿震划分为冲击型矿震和重力型矿震。SCOTT D F等根据矿震震级、最大震动振幅与岩体抛出量，将震级大于0.5、振幅大于30 mm、岩石抛出量大于1 t的矿震划分为大矿震，反之称为小矿震。李铁等按矿震发生地点，将其分为邻近开采面的矿震和地质间断面处的矿震。HORMER R B等根据围岩的破坏形式将矿震分为顶板冒落型、顶板张拉破坏型和断层滑移型。潘一山等根据煤岩体失稳机理，将矿震分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型。窦林名等综合分析矿震震源位置、释放能量和波形特征等监测数据，将矿震分为采动破裂型、巨厚覆岩型和高能震动型。

已有研究主要根据实际工况背景与显现特征对矿震进行了分类，且部分矿震分类结果与冲击地压的分类是相同的(见1.2.2节)，这是由于冲击地压发生会伴随有弹性能释放产生震动，而震动性是矿震的基本特征之一，因此冲击地压也被认为是矿震。表现出煤岩体冲击破坏、剧烈抛出等灾害特征的矿震一般属于冲击地压的研究范畴。从矿震诱发动力灾害的角度出发，矿震研究应重点分析矿震震源机制、震动波能量辐射特征与震动波影响下的巷道围岩力学响应，为后续评价矿震活动的危险性提供基础。对于矿震监测而言，煤矿微震监测系统记录到的震动波信息是矿震震源机制、震动波传播效应及监测系统设备响应共同作用的结果。因此，矿震震源机制的研究是探究矿震诱发动力灾害机制的前提和基础。

矿震震源机制与岩体破裂特征密切相关，以往的矿震分类忽略了产生矿震的岩体破断形式。矿震震源的岩体破断形式是复杂的，有张拉型、剪切型、压剪混合型、拉剪混合型、内爆型等，但基本破坏形式可分为张拉破坏与剪切破坏2种。如顶板破断、冒顶、回转失稳等矿震震源以张拉破坏为主；如断层滑移、高应力区煤体剪切破坏等矿震震源以剪切破坏为主。基于岩体基本破坏形式划分矿震震源，有助于进一步采用理论分析、实验室试验、数值模拟等方法来针对性地研究矿震发生的机制、前兆信息、预警指标及防治方法等，并在此基础上分析破裂形式更为复杂的矿震活动。基于此，笔者将煤矿矿震分为张拉型矿震与剪切型矿震。

(1)张拉型矿震。张拉型矿震主要由开采扰动岩体张拉失稳破坏导致，并伴随大量弹性能转化为动能以震动波形式向外释放形成震动现象。如图1所示，随着煤炭资源的不断采出，采空区面积不断扩大，在重力作用下上覆顶板岩层自下而上发生初次破断与周期性破断形成矿震，典型的张拉型矿震活动还包括巷道侧向顶板断裂、巷道底板破断、顶板冒落、回转失稳等。

图1 典型张拉型矿震的岩体破断示意

(2)剪切型矿震。剪切型矿震是存在地质弱面的岩体在开采扰动作用下，沿弱面发生剪切滑移破坏并以震动波形式向外辐射能量的震动现象。有地震研究学者认为，岩体剪切滑移过程中的黏滑现象是弹性能大量释放并引起地层震动的重要原因。如图2所示，典型的剪切型矿震活动有距离采场较远控制范围较大的断层剪切滑移、采掘空间近场围岩附近的小尺度结构弱面剪切破坏。

图2 典型剪切型矿震的岩体破断示意

1.2.2 冲击地压的分类

由于冲击地压的孕灾条件复杂、致灾因素众多、显现特征不同、且发生冲击的时空分布特征随机性强，导致冲击地压类型繁多。诸多学者从不同角度提出了大量的冲击地压分类方法，笔者从煤岩体的受力条件、能量释放特征和冲击破坏特征3方面对已有分类方法进行了总结。

(1)根据煤岩体的受力条件分类。潘一山等根据煤岩体所受主要应力状态将冲击地压划分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型。窦林名等通过分析冲击力源将冲击地压划分为煤柱型、坚硬顶板型、褶曲构造型和断层型。潘俊锋等基于深部矿井动静荷载来源提出了深部动静载叠加型、深部高静载加载型和深部高静载卸荷型冲击地压。翟明华等提出了8种冲击力源类型和10种巷道围岩结构，通过两两组合对深部矿井冲击地压进行了综合分类。朱斯陶等针对大范围冲击地压显现，根据煤柱体的受力边界特征，提出了孤岛工作面整体失稳型冲击地压、大巷煤柱整体失稳型冲击地压和底煤整体滑移失稳型冲击地压。

(2)根据煤岩体的能量释放特征分类。何满潮等根据煤岩冲击失稳的能量来源将冲击地压分为单一能量诱发型和复合能量转化诱发型。窦林名等根据能量释放大小将冲击地压分为微冲击、弱冲击、中等冲击、强冲击和灾害性冲击。施天威等认为冲击显现是能量释放的结果，并根据能量来源将冲击地压分为煤体贮存及释放能量型、顶板贮存及释放能量型和断层带及围岩贮存及释放能量型。谭云亮等根据深部煤岩体能量积聚特征将深部煤矿冲击地压分为应变型、断层滑移型和坚硬顶板型。钱七虎等根据冲击地压能量释放与岩体破坏特征，将冲击地压分为应变型与滑移断裂型。

(3)根据煤岩体的冲击破坏特征分类。齐庆新等综合分析了我国冲击地压实例，根据煤岩体冲击破坏特征将其划分为煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型和断层滑移错动型。姜耀东等基于应力诱发的煤岩体失稳现象，将冲击地压分为材料失稳型、滑移错动型和结构失稳型。

2 煤矿矿震与冲击地压的区别

2.1 区别煤矿矿震与冲击地压的必要性

长久以来，由于各方面原因，人们对煤矿矿震与冲击地压概念的认识与理解不够清晰。20世纪初，大量文献中将“矿震”与“冲击地压”等同使用，用以表示煤矿开采过程中的煤岩冲击动力灾害，简单地认为矿震就是冲击地压，冲击地压也是矿震。随着对两者本质认识的不断加深，尤其是齐庆新和窦林名等提出的冲击地压定义得到行业普遍认可后，越来越多学者意识到矿震与冲击地压存在着明显不同，这也频繁成为国内冲击地压学术会议讨论的焦点。

由上述矿震与冲击地压的定义与特点可知，尽管矿震与冲击地压均为开采活动所导致的动力现象，但两者在显现特点、发生机理与控制方法上，仍然具有实质性的差别。以往采用冲击地压防治方法治理矿震，导致大量投入未能取得预期效果；用控制矿震的方法防治冲击地压，结果冲击地压灾害依然发生。因而，矿震不等同于冲击地压，应有针对性地开展矿震与冲击地压在发生机理、监测方法、预警指标与防治方法等方面的研究，以提高煤矿动力灾害防治水平。值得注意的是，由于矿震与冲击地压在监测手段、危险性评价、预测防治措施上是相通的，对于两者的区别与针对性研究并不意味着在工程实践过程中要对两者完全区别对待。

2.2 煤矿矿震与冲击地压的主要区别

准确理解煤矿矿震与冲击地压、明确两者的区别与联系是深入研究矿震诱发冲击地压机制的重要前提。基于此，我国学者针对矿震与冲击地压的概念、显现特征等方面进行了对比分析。张少泉等认为矿震与冲击地压均为围岩系统破坏导致的，伴随大量弹性能释放的瞬间震动，采掘空间围岩是否产生明显破坏是两者的重要区别。李铁等将地震监测设备所能监测到的全部矿山震动事件称为矿震，认为冲击地压为矿震的子集，在矿震全集的占比非常小。齐庆新等提出矿震是区域应力场和采掘活动影响下，岩体中集聚的弹性能释放所导致的岩层震动，冲击地压可能导致矿震的发生，且矿震与冲击地压这2个术语不能等同使用。姜耀东等将区域应力作用下开采活动诱发的地震称为矿震，而冲击地压通常是指需要采取治理措施的岩石破坏动力现象，两者可互为诱发因素。窦林名等认为矿震以地震波形式向外辐射能量，对采掘空间周围煤岩体产生动载扰动，是诱发冲击地压的重要因素。姜福兴等认为矿震和冲击地压分别为有震感的动力现象和灾害性的动力现象，两者治理难度上存在明显区别，与冲击地压可防可治不同，矿震治理是极其困难的。王恩元等认为矿震产生的应力波会导致冲击地压的发生，并提出了应力波诱发冲击地压的作用机理。目前对煤矿矿震与冲击地压区别的研究，缺乏全面深入地分析与总结，未能突出两者的本质区别。因此，以下将对煤矿矿震与冲击地压的区别进行系统分析与阐述。

(1)岩体破断的空间分布不同。对煤炭矿山而言，虽然冲击地压与矿震均由煤岩体破断产生，但其发生的空间范围存在明显区别。如图3所示，直接导致冲击地压灾害的煤岩体破断主要发生在煤矿回采工作面、掘进工作面和正在使用的煤矿巷道或硐室周围的近场围岩；从岩层垂直方向看，岩层破断主要集中在煤层及顶底板岩层附近的小范围区域。而产生矿震的煤岩体破断在受开采扰动的大范围岩层中均有可能发生。图4为张双楼煤矿西一采区矿震源的纵向分布，在开采煤层上下约100 m的岩层范围内均有矿震记录。因此，产生冲击地压的岩体破断主要发生在采掘空间近场围岩，而矿震在采掘空间近场与远场围岩中均有发生，其分布范围更广。

图3 典型冲击地压灾害煤岩体破断范围[19,33]

图4 张双楼煤矿西一采区主要矿震源纵向分布[56]

(2)能量释放与动力显现的位置对应关系不同。由于巷道周围煤体在采动形成的应力集中作用下一般处于塑性或破碎状态，其所能储存的弹性能较小，大量能量储存在围岩深处弹性区煤体与顶底板岩层中。当顶底板作用力或煤层与顶底板之间的剪切作用力增大到一定程度后，围岩中储存的大量弹性能得以释放，并传递至破碎煤体，从而产生冲击地压灾害。因此，冲击地压的能量释放位置与煤岩体抛出位置是不同的，即冲击地压的动力显现位置与能量释放位置是不一致的。矿震多发生在采掘空间远场坚硬岩体中。其完整性好，承载能力较高，在地应力与采动应力作用下能够储存大量弹性能，一旦满足岩体破断条件，大量弹性能得以释放，并以震动波的形式向外传递。矿震震源处的岩体破断诱发弹性能大量释放，引起周围岩体震动，形成矿震，即产生矿震的岩体破断位置与能量释放位置是一致的。例如，吉林龙家堡煤矿“6·9”冲击地压事故中，矿震震源位于工作面前方F13正断层处，工作面放顶煤开采诱发断层滑移破坏，大量弹性能得以释放，引起周围岩体震动，诱发了巷道围岩大面积破坏，形成冲击地压。冲击地压的主要能量来源为断层周围岩体的能量释放，但冲击地压的煤岩体破坏与抛出主要出现在巷道围岩附近，可见冲击地压的岩体破断与能量释放的位置是不一致的。内蒙古石拉乌素煤矿“3·24”矿震震源位于工作面后方距离采空区300 m的高位厚砂岩层，其破断使得弹性能大量释放，形成矿震，产生矿震的岩体破断与能量释放均位于厚砂岩层，可见产生矿震的岩体破断与能量释放的位置是一致的。

(3)主要动力显现特征不同。矿震是岩体中储存的弹性应变能快速释放引起周围岩层震动的现象，其产生的震动波由震源向外传播，对采掘空间围岩及地面构筑物的稳定性产生显著影响。震动性是矿震最根本的显现特征。冲击地压是以突然、急剧、猛烈的煤岩体动力破坏为主要特点的动力灾害显现，是否形成灾害是判别冲击地压是否发生的重要标志。因此，虽然煤矿矿震和冲击地压均为弹性能的快速释放，但两者最首要的动力显现特征分别是震动性和灾害性。首要动力显现特征不同是冲击地压与矿震最重要的区别。例如，由煤矿微震监测系统和地震台网监测可知，龙家堡煤矿“6·9”矿震与石拉乌素煤矿“3·24”矿震均表现出明显的震动性，这是矿震的首要特征，也是确定矿震是否发生的关键指标。龙家堡煤矿“6·9”矿震诱发巷道围岩失稳、设备损坏和人员伤亡，表现出明显的灾害性，因此也称为矿震诱发型冲击地压。而石拉乌素煤矿“3·24”矿震并未诱发任何动力灾害，其仅为强烈的矿震事件。通过对比2个案例可知，矿震是否诱发冲击地压，不仅取决于矿震震级或矿震释放的能量大小，还与震源特征、地层条件、围岩应力环境和支护结构等因素有关，因此，矿震具有诱发灾害的能力，但并非所有矿震均能诱发动力灾害。

(4)2者从属关系不同。冲击地压的形成伴随着大量弹性能的释放，会引起周围一定范围内岩体的震动。因此，一次冲击地压同时也可被认为是一次矿震。反之，未能引起煤岩体冲击破坏，造成巷道、人员或设备损坏的，未表现出灾害性的矿震均不属于冲击地压，即矿震并不一定是冲击地压。除冲击地压外，煤与瓦斯突出、煤柱体破断、大面积顶板冒落等动力显现过程同样伴随着弹性能释放并引起周围岩体震动，也可被认为是矿震，但与其所具有的震动性相比，以上动力现象产生的煤岩体冲击破坏、煤与瓦斯瞬间抛出、大面积岩体垮落等所表现的灾害性才是其首要特点，不同动力显现的诱发机制是主要研究对象。因此，尽管冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害也是矿震，但与“矿震”这一术语相比，“冲击地压”、“煤与瓦斯突出”、“顶板冒落”等更能凸显其所产生的灾害性。

(5)2者防治目标不同。工程实践中对于冲击地压与煤矿矿震的防治目标也是有区别的。煤矿开采过程中的矿震活动是不可能消除的，只要进行煤炭开采就一定会有矿震的产生，因此需要加强对矿震的监测预警，并采用深孔爆破、水力压裂等措施控制矿震能量有序无灾释放。而冲击地压的防治要综合分析开采前后全过程的冲击危险，借助冲击地压综合监测预警平台，采用冲击地压解危技术，以消除冲击地压灾害为目标。

3 矿震与冲击地压的联系

煤矿开采中上覆顶板岩层破断、断层活化、煤柱体破坏等均可能诱发矿震，其作用在采掘空间近场围岩，可能导致处于临界稳定状态的煤岩体发生非稳定性破坏，从而产生冲击地压灾害。冲击地压显现过程伴随震动波的产生，同时煤岩体冲击破坏也会造成巷道围岩支护结构失效，可能导致巷道上覆岩层发生失稳破断，进一步产生矿震现象。本文重点关注矿震诱发冲击地压。

矿震产生的震动波传播至回采工作面、掘进工作面或正在使用的煤矿巷道和硐室周围的近场围岩，会对采掘空间近场围岩产生扰动作用，一旦满足煤岩体发生冲击的力学条件，冲击地压就会发生。例如：龙家堡煤矿“6·9”冲击地压事故，正是由放顶煤开采形成的矿震扰动所导致的。矿震震动波扰动作用的持续时间、频次与煤岩体的冲击破坏规律也密切相关，频繁的矿震扰动作用可能造成采掘空间围岩的疲劳性损伤破坏，甚至导致冲击地压的发生。

当产生矿震的岩体破断位置距离近场围岩较近时(例如：基本顶岩层破断、沿空巷道侧向顶板破断、巷道附近结构面弱化等)，除产生震动波扰动作用外，还可能会导致近场围岩劣化与围岩结构迅速调整，引起近场围岩应力与能量的重新分布，易诱发围岩结构整体性冲击失稳，这也是矿震诱发冲击地压的重要原因之一。

矿震对采掘空间近场围岩扰动的应变率是影响煤岩体冲击破坏力学响应的重要参数。由于煤矿地质条件与开采条件的复杂性，矿震震源的空间位置、震源机制、释放能量大小等震源参数具有较强的不确定性，矿震产生的震动波对采掘空间围岩作用的应变率具有较强的随机性。目前我国煤矿已大量采用微震、地音与声发射等监测系统，可实时获取矿震扰动作用下采掘空间近场围岩的位移响应谱、速度响应谱、加速度响应谱等特征，从而可进一步分析围岩所受矿震扰动的应变率特征。如窦林名团队提出：

(1)

根据矿震扰动荷载的应变率大小(表1)，可以将其对采掘空间近场围岩的作用分为静态、动态与超动态。大量试验结果表明，当应变率小于10s时，岩石力学特性的应变率效应可以忽略。因此，应变率10s是划分矿震静载作用与动载扰动的临界值。根据荷载应变率大小，可将矿震诱发冲击地压分为2类：

表1 基于应变率的矿震扰动荷载划分

(1)矿震的静载作用诱发冲击地压。矿震产生的震动波荷载应变率小于10s，或产生矿震的岩体破断导致围岩结构缓慢调整时，会对采掘空间近场围岩产生静载作用。在研究矿震诱发冲击地压时，可根据叠加原理，综合考虑煤岩体预静应力状态与矿震荷载，从应力叠加、能量叠加等角度分析矿震诱发冲击地压的作用机理。例如，窦林名等从应力叠加角度出发，提出当采掘空间围岩静荷载与矿震静载作用超过煤岩体冲击破坏的临界荷载时，冲击地压就会发生。潘俊锋等基于能量叠加原理提出了冲击地压启动理论。

(2)矿震的动载扰动诱发冲击地压。矿震震动波扰动作用的应变率大于10s，甚至大于10 s时，采掘空间近场围岩所受矿震扰动为动荷载，此时煤岩体的力学响应、本构关系、破断规律与能量演化特征等会表现出明显的应变率效应。在研究矿震诱发冲击地压时，上述叠加原理不再适用，应基于工程扰动岩石动力学理论与动静组合加载原理，分析静载预应力与动载扰动组合作用下煤岩体的动态力学响应，研究矿震动载扰动下煤岩体冲击破坏的应变率效应，从而提出动载扰动型矿震诱发冲击地压的作用机理。

4 矿震扰动位移场与诱冲初探

矿震震动波扰动作用引起采掘空间近场围岩的位移变化，是围岩应力变化与动力灾害发生的主要原因。矿震扰动位移直接决定矿震扰动强度的大小，可用于分析矿震扰动作用下的采掘空间围岩的冲击危险程度。因此，下面对矿震扰动位移场的分布规律进行分析。

4.1 矿震扰动的位移场特征

一般情况下，发生矿震的断裂面尺寸远小于震动波波长与传播距离，因此可把矿震震源看作点源。根据定量地震学相关理论，张拉型矿震震源的等效点源作用力满足一对大小相等、方向相反的张力的点源模型，如图5(a)所示；剪切型矿震震源的等效点源作用力满足对轴相等的双力偶点源模型，如图5(b)所示。图5中球坐标系下，，分别代表围岩中一点相对震源点的径向距离、倾角与方位角，()为矿震点源作用力，为时间，可得到张拉型与剪切型矿震震动波作用下的位移场分布。周围岩体在张拉型矿震震动波作用下的位移场分布为

图5 张拉型与剪切型矿震的点源作用力示意

(2)

周围岩体在剪切型矿震震动波作用下的位移场分布为

(3)

式中，，，为2类震动波影响下的周围煤岩体在，，方向上的位移分量，上标t和s分别为张拉型与剪切型矿震；为介质密度；和分别为以P波速度和S波速度传播至处的球面波：

(4)

(5)

(6)

由式(5)，(6)可知，矿震扰动位移与岩体的破断形式、破断面内部的应力特征、介质密度与波速和围岩所处空间位置有关。下面将理论分析张拉型与剪切型矿震作用下采掘空间围岩挠动位移随围岩空间方位的变化规律。

4.2 张拉型矿震扰动位移场的空间分布规律

由式(5)可知，采掘空间围岩在矿震扰动作用下的径向、倾向与环向位移均随传播距离快速降低。由于产生矿震的岩体破断与介质初动具有方向性，因此，矿震震动波对围岩的挠动位移会随岩体所处的空间位置发生显著变化。根据式(5)，在传播距离一定时，保持其他变量恒定，矿震产生的扰动作用会随倾角与方位角发生改变，由此可得张拉型矿震扰动位移的空间分布规律，如图6所示。

图6 张拉型矿震扰动作用下围岩相对位移的空间分布

考虑到矿震扰动作用到采掘空间围岩容易诱发冲击地压等动力灾害，下面继续分析张拉型矿震扰动对下部采掘空间围岩的作用。

图7为过震源位置、垂直于岩层沿其走向、倾向和45°方位的截面上矿震挠动位移的分布规律。图中曲线上一点距离震源位置越远代表矿震扰动位移越大，也即挠动位移越大。图7(a)为沿岩层走向方向的截面上扰动位移场的分布规律，蓝色与红色曲线分别代表径向、倾向扰动位移的相对大小，且在该截面上岩层未产生环向的扰动位移。震源下部AB区域围岩在矿震扰动作用下，产生的径向位移明显大于倾向方向的位移；AB两侧其他区域的岩层，在矿震扰动作用下的径向与倾向位移相当。与其他区域相比，AB区域岩层与震源的距离较小，其会受到更剧烈的矿震扰动作用，具有较高的冲击危险性，该区域所受矿震扰动以径向扰动为主。

图7 过震源垂直岩层截面上围岩相对位移场的分布

图7(b)为沿岩层倾斜方向的截面上扰动位移场的分布规律，在该截面上岩层仅产生径向扰动位移，未产生倾向与环向的扰动位移。图7(c)为沿45°方位的截面上扰动位移场的分布规律，图中蓝色、红色与洋红色曲线分别代表距震源处，围岩的径向、倾向与环向扰动位移的相对值。震源下部AB区域围岩的径向扰动位移明显大于其他方向，在AB区域两侧的其他区域，径向扰动位移急剧减小，倾向与环向扰动位移相当，且明显大于径向方向的扰动位移。

4.3 剪切型矿震扰动位移场的空间分布规律

由式(6)可知，与张拉型矿震类似，围岩受剪切型矿震扰动产生的位移随的增大快速降低。同样地，当一定时，保持其他变量恒定，可得采掘空间围岩受剪切型矿震挠动位移随空间方位的变化规律，如图8所示。

图8 剪切型矿震扰动作用下围岩相对位移场的空间分布

由图8(a)和(b)可知，剪切型矿震扰动在过震源位置平行于岩层断裂面(平面)沿走向与倾斜方向仅受环向扰动作用，径向与倾向扰动位移均为0；过震源位置垂直于岩层断裂面，沿走向与倾斜方向上的围岩同样仅受环向扰动作用。而过震源位置垂直于岩层断裂面，在震源45°方位截面上仅受矿震径向与倾向扰动，且径向扰动位移明显大于倾向扰动。

4.4 矿震扰动诱冲分析

以上主要分析了张拉型与剪切型矿震对采掘空间围岩的扰动位移随空间方位的变化规律。在已知岩体破断形式和震源位置的前提下，可获得围岩所受的矿震挠动位移与作用方向的分布规律。张拉型与剪切型矿震对采掘空间围岩的挠动位移，与震动波传播距离和围岩所处的空间方位有关，当矿震震源与具有冲击危险性的采掘空间围岩相距较近时，与震源的相对空间方位对矿震挠动位移的影响占主导地位。

矿震对采掘空间围岩的扰动位移，是判断围岩应力变化与结构稳定性、进而分析冲击地压危险性的重要依据。对于采掘空间深部围岩，其一般处于三向应力状态，矿震扰动位移的增加，使得围岩应力增大，一旦超过其峰值强度，大量弹性应变能得以释放从而诱发围岩失稳破坏。对于采掘空间附近围岩，在采动应力与地应力作用下，岩体局部应力已超过其峰值强度而处于塑性软化状态，在矿震扰动作用下，可能发生非稳定性变形失稳，导致冲击地压的发生。

对于同一回采巷道，不同区域的巷道围岩所受到的矿震挠动位移与扰动方向存在巨大差异，这为分区域研究矿震扰动诱发冲击地压提供了理论依据。以预静应力为基础，考虑不同区域围岩所受的矿震扰动特征，可确定采掘空间围岩的弹性能聚集区域与变形失稳区域，进而研究巷道围岩的冲击破坏机制、相应的监测方法和针对性的冲击地压防治方法。

5 结 论

(1)矿震具有广泛性、震动性与致灾性。震动性是矿震的首要特点，是矿震最根本的显现特征。根据矿震震源岩体的基本断裂形式，将煤矿矿震分为张拉型矿震与剪切型矿震。

(2)煤矿矿震与冲击地压均伴随有弹性能释放，但两者在岩体破断空间分布、能量释放与动力现象的位置对应关系、主要动力显现特征、从属关系与防治目标等方面存在明显区别。煤矿矿震与冲击地压最首要的动力显现特征分别是震动性和灾害性，首要动力显现特征不同是矿震与冲击地压最重要的区别。

(3)矿震扰动作用的应变率小于10s时，岩石力学特性的应变率效应可以忽略，可基于叠加原理分析矿震诱发冲击地压的作用机制；而矿震扰动作用的应变率大于10s时，采掘空间围岩所受矿震扰动为动载作用，可基于工程扰动岩石动力学理论与动静组合加载原理，考虑矿震扰动作用下煤岩体冲击破坏的应变率效应，分析矿震动载扰动诱发冲击地压的作用机理。

(4)距张拉型矿震震源较近的下部采掘空间围岩，在过震源位置垂直于岩层，沿岩层走向、倾向与震源45°方位的截面上，主要受径向方向的矿震扰动。对于剪切型矿震，在岩层断裂面的走向与倾斜方向上仅受环向方向的矿震扰动；在岩层断裂面上，震源位置45°方位上受径向与倾向方向矿震扰动，且径向挠动位移明显大于环向扰动。矿震对采掘空间围岩的扰动位移，是判断围岩应力变化与结构稳定性，进而分析冲击地压危险性的重要依据。

本文撰写过程中辽宁大学潘一山教授、中国矿业大学窦林名教授参与讨论并提出宝贵建议，在此一并表示衷心感谢。