卢
闯（1986—），男，助理工程师，130500吉林省长春市九台区。
龙家堡煤矿矿震机制反演研究
卢
闯1
任合欢2
许海亮2（1.吉林省龙家堡矿业有限责任公司；2.北方工业大学土木工程学院）
摘要采用微震技术和矩张量反演方法，分析了吉林省龙家堡煤矿513外段工作面3次微震
事件的破坏类型及频谱特征，并提出了防治措施。研究结果表明：龙家堡煤矿3次微震事件分别为顶板断裂破坏、断层错动破坏以及顶板断裂和断层错动耦合破坏；断层错动破坏的微震主频集中在0~10Hz ，其次高频区域振幅也很丰富；顶板断裂破坏主频集中在50~150Hz ，其他频率振幅较少；顶板断裂和断层错动耦合破坏，既包含顶板断裂频谱曲线特征，又包含断层错动频谱曲线特征，主频集中在0~150Hz ，主频
较不明显。针对以上研究结果，提出了增设圆弧顶梁巷道防冲液压支架来加强支护，增加卸压钻孔深度及顶板切缝卸压技术来补强卸压，对类似矿震灾害具有指导作用。
关键词微震技术矩张量反演方法震源破裂机制频谱特征DOI ：10.3969/j.issn.1674-6082.2021.02.053
Research on Inversion of Seismic Mechanism in Longjiabao Coal Mine
LU Chuang 1
REN Hehuan 2
XU Hailiang 2（1.Jilin Province Longjiapu Mining Co.，Ltd.；2.School of Civil Engineering ，North China University of
Technology ）
Abstract
By using microseismic technology and moment tensor inversion method ，the failure types
and frequency spectrum characteristics of three microseismic events at the working face of 513outer s
ection
of Longjiabao Coal Mine in Jilin Province were analyzed ，and the prevention measures were put forward.The results show that the three microseismic events in Longjiabao Coal Mine are roof fracture failure ，fault dislocation failure ，and roof fracture and fault dislocation coupling failure.The main frequency of fault dislo⁃cation is concentrated in 0~10Hz ，and the amplitude of high frequency region is also very rich.The main frequency of roof fracture is concentrated in 50~150Hz ，and the amplitude of other frequencies is less.The coupling failure of roof fracture and fault dislocation includes both the characteristics of roof fracture spec⁃trum curve and fault dislocation spectrum curve.The main frequency is concentrated in the range of 0~150Hz ，and the main frequency is not obvious.In view of the above research results ，it is proposed to add the anti -scour hydraulic support of circular roof beam roadway to strengthen the support ，and to increase the
depth of pressure relief borehole and the pressure relief technology of roof cutting seam to strengthen the pressure relief ，which has guiding significance for similar mine earthquake disasters.Keywords
microseismic technology ，moment tensor inversion method ，focal rupture mechanism ，fre⁃
quency spectrum characteristics
总第622期2021年2月第2期
现
代矿业
MODERN MINING
Serial No.622Feburary .2021
矿震是煤岩变形破裂动态演化导致的突发性动力显现，其诱发因素主要是有厚顶板、断层等存在［1］。矿震成因及其发生的部位多种多样［2-6］，不同类型矿震对应的防治方法也不同。在对矿震的预测预报技术中，微震监测是较为先进和有效的手段之一。微震监测系统接收到的每一个微震信号都包含着丰富且重要的岩体内部状态信息，采用微震技术判断矿
震类型并提出针对性的防治措施具有重要意义。国
内外采用微震技术对矿震机制做了大量研究［7-8］，但对破坏类型的判别还存在判别指标单一等问题，需要开展更深入的研究工作。
本研究以龙家堡煤矿为工程背景，利用微震技术构建矿震过程中的物理信息监测系统，根据矩张量反演方法计算矿震过程中的微震指标，对513外段工作面回采过程中发生的3次微震事件破坏类型进行分析，并提出相应的防治措施。
198
现代矿业2021年2月第2期
总第622期1
工程背景
1.1
工作面开采条件
龙家堡煤矿现开采513外段工作面，矿床西翼为
515外段工作面（未发展）；东翼为411工作面（开采时间：2015年9月—2017年9月），
采空区，留设保安煤柱6m；南翼为S4断层，留设断层保护煤柱50m，工作面保护煤柱40~99m，513外
段工作面相对位置关系如图1所示。
513外段工作面煤层为稳定的主采煤层，工作面开采深度为1082~1212m，工作面走向长度600m，
倾向回采长度182m，煤层厚度为8~12m，平均厚度10m，倾角为10~20°，平均倾角15°。煤层含2~6层夹矸，夹石厚0.2~0.5m （局部1.5m ），岩性为灰、灰黑泥岩和灰白粗砂岩，泥岩遇水易泥化。采用综采放顶煤开采，采放高度比不大于1∶3。煤层伪顶为炭质泥岩，厚0.5m，较软易冒落。直接顶为黑、灰泥岩，层理较发育，块状构造，夹薄层白砂岩，性脆
较易冒落。老顶为灰绿凝灰岩及灰绿砾岩，坚硬较脆。煤层老底为角砾岩，灰至灰白，以凝灰岩砾为主，灰黑泥岩次之，较硬。直接底为炭质泥岩，其中夹有薄层砂岩，厚0.5m。图2为513外段工作面顶底板岩性图。1.2
微震监测方案
龙家堡煤矿513
外段工作面微震监测台站布置
11台拾震器，在回采过程中利用513外段工作面两侧顺槽安设拾震器。具体位置分别在513外段工作面运
输顺槽距开切160、380m 处和回风顺槽距开切210、410m 处，如图1所示。回采过程中保证运输顺槽、回风顺槽内2台拾震器间隔不小于200m，并随着工作面不断推进，逐步往外挪动拾震器，保证300m 范围内有拾震器包围回采工作面。1.3
微震监测结果
微震监测系统先后监测到3次高能微震事件（如图1），除运输顺槽超前工作面50m 范围内有零星喷浆碎屑掉落，局部卸压钻孔金属网破损处漏货外，无支护异常、无底鼓现象。
2矩张量反演分析方法
根据弹性波动力学理论，由裂纹扩展在x 位置处
t 时刻产生的位移可表示成［9］
u i ()x ,t =M jk G ij ,k ()x ,x 0,t ×s ()t ，
（1）
式中，G ij ,k ()x ,x 0,t 为弹性动力学格林函数的空间导
数；s ()t 为震源时间函数，并假设其是一个脉冲函数；M jk 为声发射源矩张量，是对声发射源力学性质的描
述。
Ohstu ［10］引入脉冲函数而忽略了时间函数s ()t ，得到半无限空间条件下根据SiGMA 法简化的P 波在声发射探头处的初到振幅A ()
x 199
卢闯任合欢等：龙家堡煤矿矿震机制反演研究2021年2月第2期
A()x=C
s
Ref(t,r)
R
()
r1r2r3()
m11m12m13
m21m22m23
m31m32m33
()r1r2
r3
，（2）
其中，C s为声发射传感器探头的校正系数；R为破裂点到检出点（探头）的距离，m；r1、r2、r3表示破裂点到探头间的方向余弦；Ref(t,r)为传感器反射系数，可以
表示为Ref(t,r)=
2k2a[]
k2-2(1-a2)
姚宏[]
k2-2(1-a2)2+4a(1-a2k2-1+a2)
，（3）
其中，k=v p/v s；v p为弹性纵波波速，m/s；v s为横波波速，m/s；a=r∙t；t为传感器方位矢量。当信号波由垂直方向到达试样表面时，a=1，Re()
t,r=2。
采用优势分类方法判断微裂纹类型，主要依据最大特征值对矩张量的3个特征值进行正则化
m1/m1=X+Y+Z m2/m1=0-0.5Y+Z m3/m1=-X-0.5Y+Z ，（4）
其中，X代表剪切部分比例；Y代表张拉偏量部分比例；Z代表静水拉应力部分比例。若X≤40%，判断为拉伸裂纹；X≥60%，判断为剪切型裂纹；40%<X<60%则为混合型裂纹［11］。
3微震事件类型分析
按照上述计算方法对龙家堡煤矿3次微震事件进行矩张量反演，并结合微震频谱图分析其破裂类型。表1
为龙家堡煤矿3次微震事件矩张量反演计算结果。图3为3次微震事件典型频谱曲线图。3月3日微震事件的震源点位于S4断层附近。此次微震事件矩张量计算结果为X=72.52%，破裂类型为剪切破裂，结果表明S4断层发生剪切破坏，由此认为此次微震事件是断层错动破坏。由图3（a）可见，在频谱曲线图中，震动信号的频带较宽，主要在0~250Hz，主频较为明显，震动能量主要集中在0~10Hz，但高
频区域振幅也很丰富。
6月4日微震事件的震源点位于S4断层附近及411综放采空区老顶岩层附近。此次事件矩张量计算结果为X=50.06%，破裂类型为混合破裂，表明在S4断层的切割作用下，工作面初采段顶板覆岩呈孤立的断续岩体，形成弹性能积聚；经过移架、割煤、放煤活动，导致顶板覆岩活动发生弯曲破坏，诱发了S4断层（走向）剪切滑移，由此认为此次微震事件为顶板断裂和断层错动耦合破坏。由图3（b）可见，在频谱曲线图中，震动信号的频带较宽，主要在0~200Hz。主频较不明显，震动能量主要集中在0~150Hz，既包含顶板断裂频谱曲线特征、又包含断层错动频谱曲线特征。
8月27日微震事件的震源点位于采空区老顶岩层附近。此次事件的矩张量计算结果为X=10.98%，破裂类型为张拉破裂，表明工作面长时间停产，造成采空区老顶岩层弯曲下沉量不断增加，弯曲弹性能逐渐积聚；复产后工作面开采扰动进一步加剧了顶板下沉，由此认为此次微震事件是顶板断裂破坏。由图3（c）可见，在频谱曲线图中，震动信号的频带较宽，主要在0~200Hz。主频较为明显，震动能量主要
200
［1］［2］［3］［4］［5］［6］［7］［8］［9］［10］［11］集中在50~150Hz，其他频率振幅较少。4矿震防治措施
在前述微震事件破坏类型分析的基础上，针对
龙家堡煤矿具体情况提出冲击地压防治措施。
（1）做到生产服从防冲需要。回风顺槽向下30m 范围、运输顺槽向上30m 范围严禁放顶煤，且初次见方前和见方后的50m 范围采放高度不得超过8m。
（2）确保超前支护强度和有效性。在工作面推采至60m 前，两巷逐步安装圆弧顶梁巷道防冲液压支架加强支护，且在两巷圆弧顶梁巷道防冲液压支架安装完成前通过降低开采速度来减缓开采扰动。
（3）施工卸压钻孔孔深增加到30m，S 4断层区域孔深增加到40m，孔间距不得超过1m，孔径不小于153mm。
（4）采取顶板切缝卸压技术，对工作面上下顺槽围岩及顶板进一步补强卸压，爆破施工前开切及两顺槽，与爆破无关作业人员全部撤离，躲炮半径不小于300m，躲炮时间不小于30min。
5结论
（1）根据矩张量反演方法计算得出，龙家堡煤矿3次微震事件分别为顶板断裂破坏、断层错动破坏以及顶板断裂和断层错动耦合破坏。
（2）断层错动破坏主频主要集中在0~10Hz，其次高频区域振幅也很丰富；顶板断裂破坏主频主要集中在50~150Hz，其他频率振幅较少；顶板断裂和断层错动耦合破坏，既包含顶板断裂频谱曲线特征、又包含断层错动频谱曲线特征，主频主要集中在0~150Hz，主频较不明显。
（3）应在工作面推采至60m 前，两巷增设圆弧顶
梁巷道防冲液压支架加强支护；将卸压钻孔孔深增加到30m，并采取顶板切缝卸压技术，对工作面上下顺槽围岩及顶板进一步补强卸压。
参
考
文
献
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（收稿日期2020-10-29）
现代矿业2021年2月第2期
总第622期201