朱建波，馬斌文，謝和平，高 峰，周宏偉，周昌臺，鄭福潤

(1.深圳大學(xué) 廣東省深地科學(xué)與地?zé)崮荛_發(fā)利用重點實驗室，廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；4.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221006；5.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

地下礦產(chǎn)資源是人類經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，“向地下要資源”是探索人類可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。同時，煤、鹽、金屬礦物等地下固體礦產(chǎn)資源開采后形成大量地下空間資源，其合理開發(fā)利用維護(hù)也受到越來越多的重視。地下礦產(chǎn)資源開采與地下空間開發(fā)利用維護(hù)過程中，都不可避免地對地下空間圍巖產(chǎn)生人為擾動，造成圍巖體空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與破斷，從而產(chǎn)生礦震現(xiàn)象。

礦震是誘發(fā)地震的一種，與天然地震、注(蓄)水誘發(fā)地震不同，礦震是由大面積巖體開挖引起的巖體破斷而產(chǎn)生的。礦震伴隨著大量彈性能快速釋放，并以震動波的形式在周圍巖體中向外傳遞，易誘發(fā)次生災(zāi)害，對地下工程結(jié)構(gòu)、地面構(gòu)筑物及人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大威脅。1738年，英國南斯坦福煤田首次記錄有礦震現(xiàn)象，我國記錄的最早礦震是1933年于撫順勝利礦發(fā)生的。近百年來，由于礦產(chǎn)資源開采強(qiáng)度與地下空間面積不斷增大，世界各國礦震現(xiàn)象愈演愈烈，比如南非、加拿大、澳大利亞、波蘭等。而且隨著淺部資源日趨枯竭，礦產(chǎn)資源開采深度不斷增加，目前煤礦最大采深達(dá)1 500 m，有色金屬礦最大采深達(dá)4 350 m。開采深度的增加導(dǎo)致原位環(huán)境作用更加顯著，工程擾動響應(yīng)更加劇烈，礦震活動性增強(qiáng)，產(chǎn)生高能級礦震，進(jìn)而誘發(fā)高量級地質(zhì)災(zāi)害的可能性急劇增大，地下工程災(zāi)害的破壞力與社會影響力更加凸顯，使得礦震問題正由資源安全開采問題演化為社會公共安全問題。因此，揭示礦震致災(zāi)機(jī)制、提高礦震治理水平、豐富與發(fā)展礦震相關(guān)理論迫在眉睫。

已有的礦震致災(zāi)方面的研究可根據(jù)擾動對象的空間位置，將其分為礦震影響地下空間圍巖穩(wěn)定性的研究和礦震影響地面構(gòu)筑物穩(wěn)定性的研究。礦震對地面構(gòu)筑物影響的已有研究主要通過分析礦震作用下地表震動峰值速度、峰值加速度、峰值位移、頻譜特征、持續(xù)時間等參數(shù)，進(jìn)一步評價礦震擾動對地基及構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響。礦震影響地下空間圍巖穩(wěn)定性的研究，重點分析了震動波的傳播衰減模型及誘發(fā)堅硬巖體巖爆、煤礦沖擊地壓等動力災(zāi)害的作用機(jī)制。

煤礦采掘空間圍巖在礦震擾動作用下易發(fā)生非穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞，形成沖擊地壓災(zāi)害。煤礦礦震最早被簡單地認(rèn)為是沖擊地壓，在很長時間內(nèi)，很多學(xué)者對煤礦礦震與沖擊地壓的理解不夠清晰，簡單地將兩者同等對待并相互替換使用，造成對礦震與沖擊地壓概念認(rèn)識的片面性和模糊性，一定程度上導(dǎo)致了沖擊地壓問題的擴(kuò)大化，加劇了煤礦企業(yè)和政府監(jiān)管部門對礦震與沖擊地壓問題的管理難度。同時，由于兩者概念界定不清，很多學(xué)者面臨礦震與沖擊地壓問題時缺乏針對性，忽略了礦震與沖擊地壓之間的內(nèi)在聯(lián)系，對相關(guān)研究造成了非常不利的影響，大量研究投入未能取得預(yù)期效果。

隨著對煤礦礦震與沖擊地壓認(rèn)識的加深，關(guān)于兩者區(qū)別與聯(lián)系的討論是近年來沖擊地壓研究的重要問題。很多學(xué)者將煤礦礦震看作誘發(fā)沖擊地壓的動載來源之一，研究了礦震擾動誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理，一定程度上能夠解釋部分礦震誘發(fā)沖擊地壓的作用機(jī)制。然而，由于對礦震與沖擊地壓基本概念的認(rèn)識不足，忽略了礦震擾動的本真特征，無法準(zhǔn)確揭示礦震誘發(fā)沖擊地壓機(jī)制，使得已有研究成果對礦震誘發(fā)型沖擊地壓的指導(dǎo)具有局限性。正確界定煤礦礦震與沖擊地壓，厘清兩者的區(qū)別與聯(lián)系，并分別開展針對性的基礎(chǔ)研究，是有效分析礦震誘發(fā)型沖擊地壓、提高礦震治理水平的重要前提。

基于此，筆者首先分析總結(jié)了礦震和沖擊地壓的定義、特點與分類，并將煤礦礦震與沖擊地壓進(jìn)行了對比分析，在此基礎(chǔ)上闡述了礦震對沖擊地壓的影響，理論分析了不同類型煤礦礦震對采掘空間圍巖的擾動作用，為厘清煤礦礦震與沖擊地壓的區(qū)別，揭示礦震誘發(fā)沖擊地壓機(jī)制，豐富與發(fā)展沖擊地壓理論提供支撐。

1 礦震與沖擊地壓的定義與分類

1.1 礦震與沖擊地壓的定義與特點

1.1.1 礦震的定義與特點

國際上關(guān)于礦震的定義是比較統(tǒng)一的，認(rèn)為礦震是采礦誘發(fā)地震，但此定義未能體現(xiàn)出礦震的工程背景、發(fā)生機(jī)制和顯現(xiàn)特征等因素。國內(nèi)學(xué)者從不同研究角度對礦震進(jìn)行了定義，使得目前礦震定義眾多，不盡一致。姜耀東等認(rèn)為礦震是指采掘空間圍巖突然在瞬間發(fā)生伴有巨響和沖擊波的震動但不發(fā)生煤巖拋出的彈性變形能釋放現(xiàn)象。李鐵等認(rèn)為巖體破裂釋放彈性能產(chǎn)生可被微震設(shè)備檢測的彈性波，此類事件可稱為礦震。李世愚等提出礦震是煤巖體破裂時向外輻射的彈性波。姜福興等認(rèn)為礦震是指礦區(qū)范圍內(nèi)有震感的動力現(xiàn)象。劉金海等認(rèn)為礦震是一種由采礦活動誘發(fā)的礦井微地震。張華等將礦區(qū)范圍內(nèi)由區(qū)域應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力所誘發(fā)的礦山動力現(xiàn)象稱為礦震?；菽肆岬忍岢龅V震是區(qū)域應(yīng)力和采動應(yīng)力作用下局部能量釋放而產(chǎn)生的巖層震動。張兆平等認(rèn)為礦震是礦體-圍巖系統(tǒng)力學(xué)平衡狀態(tài)被打破導(dǎo)致剩余能量釋放的瞬間震動。已有的礦震定義多是根據(jù)某一研究角度所提出的，對于礦震現(xiàn)象的總結(jié)概括不夠完備。因此，筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出能夠概括礦震基本特征與內(nèi)涵的礦震定義。

礦震，又稱采礦誘發(fā)地震，是伴隨地下固體資源開發(fā)的因開采擾動巖體快速釋放彈性能所造成的震動現(xiàn)象。根據(jù)礦震定義，其具有以下特點：

(1)廣泛性。礦震活動廣泛存在于煤炭礦山和金礦、銅礦、鉀礦、石膏礦等非煤礦山，只要進(jìn)行地下固體資源開采，一定會有礦震產(chǎn)生。

(2)震動性。礦震會伴隨大量彈性能釋放，以震動波的形式向外傳遞，引起周圍巖體震動。震動性是判斷礦震是否發(fā)生的重要標(biāo)志，也是工程實踐中礦震監(jiān)測的主要對象，是礦震最根本的顯現(xiàn)特征。因此，震動性是礦震的首要特點。

(3)致災(zāi)性。地下空間圍巖在礦震震動波作用下可能發(fā)生非穩(wěn)定性破壞，從而誘發(fā)巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害，甚至對地面構(gòu)筑物造成損傷破壞。礦震的致災(zāi)性表示其具備誘發(fā)災(zāi)害的能力，但并不代表其本身具有災(zāi)害性。

1.1.2 沖擊地壓的定義與特點

沖擊地壓是煤礦井巷或工作面周圍煤巖體由于彈性能的瞬時釋放而產(chǎn)生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現(xiàn)象，常伴隨煤巖體的瞬間位移與拋出、巨響及氣浪，嚴(yán)重時會造成人員傷亡和井巷的毀壞，甚至引起地表塌陷而導(dǎo)致局部地震。是否具有破壞性并形成災(zāi)害是判斷沖擊地壓是否發(fā)生的重要標(biāo)志。

1.2 煤礦礦震與沖擊地壓的分類

1.2.1 煤礦礦震的分類

根據(jù)礦井類型可將礦震分為煤礦礦震、鉀礦礦震和金屬礦礦震等，而本文的主要研究對象為煤礦礦震。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對煤礦礦震進(jìn)行了分類。張少泉等依據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)與應(yīng)力特征將礦震劃分為頂板冒落型、頂板開裂型、礦柱沖擊型和斷層活動型。朱佩武等根據(jù)震相特征將礦震劃分為沖擊型礦震和重力型礦震。SCOTT D F等根據(jù)礦震震級、最大震動振幅與巖體拋出量，將震級大于0.5、振幅大于30 mm、巖石拋出量大于1 t的礦震劃分為大礦震，反之稱為小礦震。李鐵等按礦震發(fā)生地點，將其分為鄰近開采面的礦震和地質(zhì)間斷面處的礦震。HORMER R B等根據(jù)圍巖的破壞形式將礦震分為頂板冒落型、頂板張拉破壞型和斷層滑移型。潘一山等根據(jù)煤巖體失穩(wěn)機(jī)理，將礦震分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型。竇林名等綜合分析礦震震源位置、釋放能量和波形特征等監(jiān)測數(shù)據(jù)，將礦震分為采動破裂型、巨厚覆巖型和高能震動型。

已有研究主要根據(jù)實際工況背景與顯現(xiàn)特征對礦震進(jìn)行了分類，且部分礦震分類結(jié)果與沖擊地壓的分類是相同的(見1.2.2節(jié))，這是由于沖擊地壓發(fā)生會伴隨有彈性能釋放產(chǎn)生震動，而震動性是礦震的基本特征之一，因此沖擊地壓也被認(rèn)為是礦震。表現(xiàn)出煤巖體沖擊破壞、劇烈拋出等災(zāi)害特征的礦震一般屬于沖擊地壓的研究范疇。從礦震誘發(fā)動力災(zāi)害的角度出發(fā)，礦震研究應(yīng)重點分析礦震震源機(jī)制、震動波能量輻射特征與震動波影響下的巷道圍巖力學(xué)響應(yīng)，為后續(xù)評價礦震活動的危險性提供基礎(chǔ)。對于礦震監(jiān)測而言，煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄到的震動波信息是礦震震源機(jī)制、震動波傳播效應(yīng)及監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備響應(yīng)共同作用的結(jié)果。因此，礦震震源機(jī)制的研究是探究礦震誘發(fā)動力災(zāi)害機(jī)制的前提和基礎(chǔ)。

礦震震源機(jī)制與巖體破裂特征密切相關(guān)，以往的礦震分類忽略了產(chǎn)生礦震的巖體破斷形式。礦震震源的巖體破斷形式是復(fù)雜的，有張拉型、剪切型、壓剪混合型、拉剪混合型、內(nèi)爆型等，但基本破壞形式可分為張拉破壞與剪切破壞2種。如頂板破斷、冒頂、回轉(zhuǎn)失穩(wěn)等礦震震源以張拉破壞為主；如斷層滑移、高應(yīng)力區(qū)煤體剪切破壞等礦震震源以剪切破壞為主?；趲r體基本破壞形式劃分礦震震源，有助于進(jìn)一步采用理論分析、實驗室試驗、數(shù)值模擬等方法來針對性地研究礦震發(fā)生的機(jī)制、前兆信息、預(yù)警指標(biāo)及防治方法等，并在此基礎(chǔ)上分析破裂形式更為復(fù)雜的礦震活動?；诖?，筆者將煤礦礦震分為張拉型礦震與剪切型礦震。

(1)張拉型礦震。張拉型礦震主要由開采擾動巖體張拉失穩(wěn)破壞導(dǎo)致，并伴隨大量彈性能轉(zhuǎn)化為動能以震動波形式向外釋放形成震動現(xiàn)象。如圖1所示，隨著煤炭資源的不斷采出，采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，在重力作用下上覆頂板巖層自下而上發(fā)生初次破斷與周期性破斷形成礦震，典型的張拉型礦震活動還包括巷道側(cè)向頂板斷裂、巷道底板破斷、頂板冒落、回轉(zhuǎn)失穩(wěn)等。

圖1 典型張拉型礦震的巖體破斷示意

(2)剪切型礦震。剪切型礦震是存在地質(zhì)弱面的巖體在開采擾動作用下，沿弱面發(fā)生剪切滑移破壞并以震動波形式向外輻射能量的震動現(xiàn)象。有地震研究學(xué)者認(rèn)為，巖體剪切滑移過程中的黏滑現(xiàn)象是彈性能大量釋放并引起地層震動的重要原因。如圖2所示，典型的剪切型礦震活動有距離采場較遠(yuǎn)控制范圍較大的斷層剪切滑移、采掘空間近場圍巖附近的小尺度結(jié)構(gòu)弱面剪切破壞。

圖2 典型剪切型礦震的巖體破斷示意

1.2.2 沖擊地壓的分類

由于沖擊地壓的孕災(zāi)條件復(fù)雜、致災(zāi)因素眾多、顯現(xiàn)特征不同、且發(fā)生沖擊的時空分布特征隨機(jī)性強(qiáng)，導(dǎo)致沖擊地壓類型繁多。諸多學(xué)者從不同角度提出了大量的沖擊地壓分類方法，筆者從煤巖體的受力條件、能量釋放特征和沖擊破壞特征3方面對已有分類方法進(jìn)行了總結(jié)。

(1)根據(jù)煤巖體的受力條件分類。潘一山等根據(jù)煤巖體所受主要應(yīng)力狀態(tài)將沖擊地壓劃分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型。竇林名等通過分析沖擊力源將沖擊地壓劃分為煤柱型、堅硬頂板型、褶曲構(gòu)造型和斷層型。潘俊鋒等基于深部礦井動靜荷載來源提出了深部動靜載疊加型、深部高靜載加載型和深部高靜載卸荷型沖擊地壓。翟明華等提出了8種沖擊力源類型和10種巷道圍巖結(jié)構(gòu)，通過兩兩組合對深部礦井沖擊地壓進(jìn)行了綜合分類。朱斯陶等針對大范圍沖擊地壓顯現(xiàn)，根據(jù)煤柱體的受力邊界特征，提出了孤島工作面整體失穩(wěn)型沖擊地壓、大巷煤柱整體失穩(wěn)型沖擊地壓和底煤整體滑移失穩(wěn)型沖擊地壓。

(2)根據(jù)煤巖體的能量釋放特征分類。何滿潮等根據(jù)煤巖沖擊失穩(wěn)的能量來源將沖擊地壓分為單一能量誘發(fā)型和復(fù)合能量轉(zhuǎn)化誘發(fā)型。竇林名等根據(jù)能量釋放大小將沖擊地壓分為微沖擊、弱沖擊、中等沖擊、強(qiáng)沖擊和災(zāi)害性沖擊。施天威等認(rèn)為沖擊顯現(xiàn)是能量釋放的結(jié)果，并根據(jù)能量來源將沖擊地壓分為煤體貯存及釋放能量型、頂板貯存及釋放能量型和斷層帶及圍巖貯存及釋放能量型。譚云亮等根據(jù)深部煤巖體能量積聚特征將深部煤礦沖擊地壓分為應(yīng)變型、斷層滑移型和堅硬頂板型。錢七虎等根據(jù)沖擊地壓能量釋放與巖體破壞特征，將沖擊地壓分為應(yīng)變型與滑移斷裂型。

(3)根據(jù)煤巖體的沖擊破壞特征分類。齊慶新等綜合分析了我國沖擊地壓實例，根據(jù)煤巖體沖擊破壞特征將其劃分為煤層材料失穩(wěn)型、煤層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型、頂板斷裂型和斷層滑移錯動型。姜耀東等基于應(yīng)力誘發(fā)的煤巖體失穩(wěn)現(xiàn)象，將沖擊地壓分為材料失穩(wěn)型、滑移錯動型和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型。

2 煤礦礦震與沖擊地壓的區(qū)別

2.1 區(qū)別煤礦礦震與沖擊地壓的必要性

長久以來，由于各方面原因，人們對煤礦礦震與沖擊地壓概念的認(rèn)識與理解不夠清晰。20世紀(jì)初，大量文獻(xiàn)中將“礦震”與“沖擊地壓”等同使用，用以表示煤礦開采過程中的煤巖沖擊動力災(zāi)害，簡單地認(rèn)為礦震就是沖擊地壓，沖擊地壓也是礦震。隨著對兩者本質(zhì)認(rèn)識的不斷加深，尤其是齊慶新和竇林名等提出的沖擊地壓定義得到行業(yè)普遍認(rèn)可后，越來越多學(xué)者意識到礦震與沖擊地壓存在著明顯不同，這也頻繁成為國內(nèi)沖擊地壓學(xué)術(shù)會議討論的焦點。

由上述礦震與沖擊地壓的定義與特點可知，盡管礦震與沖擊地壓均為開采活動所導(dǎo)致的動力現(xiàn)象，但兩者在顯現(xiàn)特點、發(fā)生機(jī)理與控制方法上，仍然具有實質(zhì)性的差別。以往采用沖擊地壓防治方法治理礦震，導(dǎo)致大量投入未能取得預(yù)期效果；用控制礦震的方法防治沖擊地壓，結(jié)果沖擊地壓災(zāi)害依然發(fā)生。因而，礦震不等同于沖擊地壓，應(yīng)有針對性地開展礦震與沖擊地壓在發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測方法、預(yù)警指標(biāo)與防治方法等方面的研究，以提高煤礦動力災(zāi)害防治水平。值得注意的是，由于礦震與沖擊地壓在監(jiān)測手段、危險性評價、預(yù)測防治措施上是相通的，對于兩者的區(qū)別與針對性研究并不意味著在工程實踐過程中要對兩者完全區(qū)別對待。

2.2 煤礦礦震與沖擊地壓的主要區(qū)別

準(zhǔn)確理解煤礦礦震與沖擊地壓、明確兩者的區(qū)別與聯(lián)系是深入研究礦震誘發(fā)沖擊地壓機(jī)制的重要前提。基于此，我國學(xué)者針對礦震與沖擊地壓的概念、顯現(xiàn)特征等方面進(jìn)行了對比分析。張少泉等認(rèn)為礦震與沖擊地壓均為圍巖系統(tǒng)破壞導(dǎo)致的，伴隨大量彈性能釋放的瞬間震動，采掘空間圍巖是否產(chǎn)生明顯破壞是兩者的重要區(qū)別。李鐵等將地震監(jiān)測設(shè)備所能監(jiān)測到的全部礦山震動事件稱為礦震，認(rèn)為沖擊地壓為礦震的子集，在礦震全集的占比非常小。齊慶新等提出礦震是區(qū)域應(yīng)力場和采掘活動影響下，巖體中集聚的彈性能釋放所導(dǎo)致的巖層震動，沖擊地壓可能導(dǎo)致礦震的發(fā)生，且礦震與沖擊地壓這2個術(shù)語不能等同使用。姜耀東等將區(qū)域應(yīng)力作用下開采活動誘發(fā)的地震稱為礦震，而沖擊地壓通常是指需要采取治理措施的巖石破壞動力現(xiàn)象，兩者可互為誘發(fā)因素。竇林名等認(rèn)為礦震以地震波形式向外輻射能量，對采掘空間周圍煤巖體產(chǎn)生動載擾動，是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素。姜福興等認(rèn)為礦震和沖擊地壓分別為有震感的動力現(xiàn)象和災(zāi)害性的動力現(xiàn)象，兩者治理難度上存在明顯區(qū)別，與沖擊地壓可防可治不同，礦震治理是極其困難的。王恩元等認(rèn)為礦震產(chǎn)生的應(yīng)力波會導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，并提出了應(yīng)力波誘發(fā)沖擊地壓的作用機(jī)理。目前對煤礦礦震與沖擊地壓區(qū)別的研究，缺乏全面深入地分析與總結(jié)，未能突出兩者的本質(zhì)區(qū)別。因此，以下將對煤礦礦震與沖擊地壓的區(qū)別進(jìn)行系統(tǒng)分析與闡述。

(1)巖體破斷的空間分布不同。對煤炭礦山而言，雖然沖擊地壓與礦震均由煤巖體破斷產(chǎn)生，但其發(fā)生的空間范圍存在明顯區(qū)別。如圖3所示，直接導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害的煤巖體破斷主要發(fā)生在煤礦回采工作面、掘進(jìn)工作面和正在使用的煤礦巷道或硐室周圍的近場圍巖；從巖層垂直方向看，巖層破斷主要集中在煤層及頂?shù)装鍘r層附近的小范圍區(qū)域。而產(chǎn)生礦震的煤巖體破斷在受開采擾動的大范圍巖層中均有可能發(fā)生。圖4為張雙樓煤礦西一采區(qū)礦震源的縱向分布，在開采煤層上下約100 m的巖層范圍內(nèi)均有礦震記錄。因此，產(chǎn)生沖擊地壓的巖體破斷主要發(fā)生在采掘空間近場圍巖，而礦震在采掘空間近場與遠(yuǎn)場圍巖中均有發(fā)生，其分布范圍更廣。

圖3 典型沖擊地壓災(zāi)害煤巖體破斷范圍[19,33]

圖4 張雙樓煤礦西一采區(qū)主要礦震源縱向分布[56]

(2)能量釋放與動力顯現(xiàn)的位置對應(yīng)關(guān)系不同。由于巷道周圍煤體在采動形成的應(yīng)力集中作用下一般處于塑性或破碎狀態(tài)，其所能儲存的彈性能較小，大量能量儲存在圍巖深處彈性區(qū)煤體與頂?shù)装鍘r層中。當(dāng)頂?shù)装遄饔昧蛎簩优c頂?shù)装逯g的剪切作用力增大到一定程度后，圍巖中儲存的大量彈性能得以釋放，并傳遞至破碎煤體，從而產(chǎn)生沖擊地壓災(zāi)害。因此，沖擊地壓的能量釋放位置與煤巖體拋出位置是不同的，即沖擊地壓的動力顯現(xiàn)位置與能量釋放位置是不一致的。礦震多發(fā)生在采掘空間遠(yuǎn)場堅硬巖體中。其完整性好，承載能力較高，在地應(yīng)力與采動應(yīng)力作用下能夠儲存大量彈性能，一旦滿足巖體破斷條件，大量彈性能得以釋放，并以震動波的形式向外傳遞。礦震震源處的巖體破斷誘發(fā)彈性能大量釋放，引起周圍巖體震動，形成礦震，即產(chǎn)生礦震的巖體破斷位置與能量釋放位置是一致的。例如，吉林龍家堡煤礦“6·9”沖擊地壓事故中，礦震震源位于工作面前方F13正斷層處，工作面放頂煤開采誘發(fā)斷層滑移破壞，大量彈性能得以釋放，引起周圍巖體震動，誘發(fā)了巷道圍巖大面積破壞，形成沖擊地壓。沖擊地壓的主要能量來源為斷層周圍巖體的能量釋放，但沖擊地壓的煤巖體破壞與拋出主要出現(xiàn)在巷道圍巖附近，可見沖擊地壓的巖體破斷與能量釋放的位置是不一致的。內(nèi)蒙古石拉烏素煤礦“3·24”礦震震源位于工作面后方距離采空區(qū)300 m的高位厚砂巖層，其破斷使得彈性能大量釋放，形成礦震，產(chǎn)生礦震的巖體破斷與能量釋放均位于厚砂巖層，可見產(chǎn)生礦震的巖體破斷與能量釋放的位置是一致的。

(3)主要動力顯現(xiàn)特征不同。礦震是巖體中儲存的彈性應(yīng)變能快速釋放引起周圍巖層震動的現(xiàn)象，其產(chǎn)生的震動波由震源向外傳播，對采掘空間圍巖及地面構(gòu)筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。震動性是礦震最根本的顯現(xiàn)特征。沖擊地壓是以突然、急劇、猛烈的煤巖體動力破壞為主要特點的動力災(zāi)害顯現(xiàn)，是否形成災(zāi)害是判別沖擊地壓是否發(fā)生的重要標(biāo)志。因此，雖然煤礦礦震和沖擊地壓均為彈性能的快速釋放，但兩者最首要的動力顯現(xiàn)特征分別是震動性和災(zāi)害性。首要動力顯現(xiàn)特征不同是沖擊地壓與礦震最重要的區(qū)別。例如，由煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)和地震臺網(wǎng)監(jiān)測可知，龍家堡煤礦“6·9”礦震與石拉烏素煤礦“3·24”礦震均表現(xiàn)出明顯的震動性，這是礦震的首要特征，也是確定礦震是否發(fā)生的關(guān)鍵指標(biāo)。龍家堡煤礦“6·9”礦震誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)、設(shè)備損壞和人員傷亡，表現(xiàn)出明顯的災(zāi)害性，因此也稱為礦震誘發(fā)型沖擊地壓。而石拉烏素煤礦“3·24”礦震并未誘發(fā)任何動力災(zāi)害，其僅為強(qiáng)烈的礦震事件。通過對比2個案例可知，礦震是否誘發(fā)沖擊地壓，不僅取決于礦震震級或礦震釋放的能量大小，還與震源特征、地層條件、圍巖應(yīng)力環(huán)境和支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，因此，礦震具有誘發(fā)災(zāi)害的能力，但并非所有礦震均能誘發(fā)動力災(zāi)害。

(4)2者從屬關(guān)系不同。沖擊地壓的形成伴隨著大量彈性能的釋放，會引起周圍一定范圍內(nèi)巖體的震動。因此，一次沖擊地壓同時也可被認(rèn)為是一次礦震。反之，未能引起煤巖體沖擊破壞，造成巷道、人員或設(shè)備損壞的，未表現(xiàn)出災(zāi)害性的礦震均不屬于沖擊地壓，即礦震并不一定是沖擊地壓。除沖擊地壓外，煤與瓦斯突出、煤柱體破斷、大面積頂板冒落等動力顯現(xiàn)過程同樣伴隨著彈性能釋放并引起周圍巖體震動，也可被認(rèn)為是礦震，但與其所具有的震動性相比，以上動力現(xiàn)象產(chǎn)生的煤巖體沖擊破壞、煤與瓦斯瞬間拋出、大面積巖體垮落等所表現(xiàn)的災(zāi)害性才是其首要特點，不同動力顯現(xiàn)的誘發(fā)機(jī)制是主要研究對象。因此，盡管沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害也是礦震，但與“礦震”這一術(shù)語相比，“沖擊地壓”、“煤與瓦斯突出”、“頂板冒落”等更能凸顯其所產(chǎn)生的災(zāi)害性。

(5)2者防治目標(biāo)不同。工程實踐中對于沖擊地壓與煤礦礦震的防治目標(biāo)也是有區(qū)別的。煤礦開采過程中的礦震活動是不可能消除的，只要進(jìn)行煤炭開采就一定會有礦震的產(chǎn)生，因此需要加強(qiáng)對礦震的監(jiān)測預(yù)警，并采用深孔爆破、水力壓裂等措施控制礦震能量有序無災(zāi)釋放。而沖擊地壓的防治要綜合分析開采前后全過程的沖擊危險，借助沖擊地壓綜合監(jiān)測預(yù)警平臺，采用沖擊地壓解危技術(shù)，以消除沖擊地壓災(zāi)害為目標(biāo)。

3 礦震與沖擊地壓的聯(lián)系

煤礦開采中上覆頂板巖層破斷、斷層活化、煤柱體破壞等均可能誘發(fā)礦震，其作用在采掘空間近場圍巖，可能導(dǎo)致處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)的煤巖體發(fā)生非穩(wěn)定性破壞，從而產(chǎn)生沖擊地壓災(zāi)害。沖擊地壓顯現(xiàn)過程伴隨震動波的產(chǎn)生，同時煤巖體沖擊破壞也會造成巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，可能導(dǎo)致巷道上覆巖層發(fā)生失穩(wěn)破斷，進(jìn)一步產(chǎn)生礦震現(xiàn)象。本文重點關(guān)注礦震誘發(fā)沖擊地壓。

礦震產(chǎn)生的震動波傳播至回采工作面、掘進(jìn)工作面或正在使用的煤礦巷道和硐室周圍的近場圍巖，會對采掘空間近場圍巖產(chǎn)生擾動作用，一旦滿足煤巖體發(fā)生沖擊的力學(xué)條件，沖擊地壓就會發(fā)生。例如：龍家堡煤礦“6·9”沖擊地壓事故，正是由放頂煤開采形成的礦震擾動所導(dǎo)致的。礦震震動波擾動作用的持續(xù)時間、頻次與煤巖體的沖擊破壞規(guī)律也密切相關(guān)，頻繁的礦震擾動作用可能造成采掘空間圍巖的疲勞性損傷破壞，甚至導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

當(dāng)產(chǎn)生礦震的巖體破斷位置距離近場圍巖較近時(例如：基本頂巖層破斷、沿空巷道側(cè)向頂板破斷、巷道附近結(jié)構(gòu)面弱化等)，除產(chǎn)生震動波擾動作用外，還可能會導(dǎo)致近場圍巖劣化與圍巖結(jié)構(gòu)迅速調(diào)整，引起近場圍巖應(yīng)力與能量的重新分布，易誘發(fā)圍巖結(jié)構(gòu)整體性沖擊失穩(wěn)，這也是礦震誘發(fā)沖擊地壓的重要原因之一。

礦震對采掘空間近場圍巖擾動的應(yīng)變率是影響煤巖體沖擊破壞力學(xué)響應(yīng)的重要參數(shù)。由于煤礦地質(zhì)條件與開采條件的復(fù)雜性，礦震震源的空間位置、震源機(jī)制、釋放能量大小等震源參數(shù)具有較強(qiáng)的不確定性，礦震產(chǎn)生的震動波對采掘空間圍巖作用的應(yīng)變率具有較強(qiáng)的隨機(jī)性。目前我國煤礦已大量采用微震、地音與聲發(fā)射等監(jiān)測系統(tǒng)，可實時獲取礦震擾動作用下采掘空間近場圍巖的位移響應(yīng)譜、速度響應(yīng)譜、加速度響應(yīng)譜等特征，從而可進(jìn)一步分析圍巖所受礦震擾動的應(yīng)變率特征。如竇林名團(tuán)隊提出：

(1)

根據(jù)礦震擾動荷載的應(yīng)變率大小(表1)，可以將其對采掘空間近場圍巖的作用分為靜態(tài)、動態(tài)與超動態(tài)。大量試驗結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變率小于10s時，巖石力學(xué)特性的應(yīng)變率效應(yīng)可以忽略。因此，應(yīng)變率10s是劃分礦震靜載作用與動載擾動的臨界值。根據(jù)荷載應(yīng)變率大小，可將礦震誘發(fā)沖擊地壓分為2類：

表1 基于應(yīng)變率的礦震擾動荷載劃分

(1)礦震的靜載作用誘發(fā)沖擊地壓。礦震產(chǎn)生的震動波荷載應(yīng)變率小于10s，或產(chǎn)生礦震的巖體破斷導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)緩慢調(diào)整時，會對采掘空間近場圍巖產(chǎn)生靜載作用。在研究礦震誘發(fā)沖擊地壓時，可根據(jù)疊加原理，綜合考慮煤巖體預(yù)靜應(yīng)力狀態(tài)與礦震荷載，從應(yīng)力疊加、能量疊加等角度分析礦震誘發(fā)沖擊地壓的作用機(jī)理。例如，竇林名等從應(yīng)力疊加角度出發(fā)，提出當(dāng)采掘空間圍巖靜荷載與礦震靜載作用超過煤巖體沖擊破壞的臨界荷載時，沖擊地壓就會發(fā)生。潘俊鋒等基于能量疊加原理提出了沖擊地壓啟動理論。

(2)礦震的動載擾動誘發(fā)沖擊地壓。礦震震動波擾動作用的應(yīng)變率大于10s，甚至大于10 s時，采掘空間近場圍巖所受礦震擾動為動荷載，此時煤巖體的力學(xué)響應(yīng)、本構(gòu)關(guān)系、破斷規(guī)律與能量演化特征等會表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。在研究礦震誘發(fā)沖擊地壓時，上述疊加原理不再適用，應(yīng)基于工程擾動巖石動力學(xué)理論與動靜組合加載原理，分析靜載預(yù)應(yīng)力與動載擾動組合作用下煤巖體的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)，研究礦震動載擾動下煤巖體沖擊破壞的應(yīng)變率效應(yīng)，從而提出動載擾動型礦震誘發(fā)沖擊地壓的作用機(jī)理。

4 礦震擾動位移場與誘沖初探

礦震震動波擾動作用引起采掘空間近場圍巖的位移變化，是圍巖應(yīng)力變化與動力災(zāi)害發(fā)生的主要原因。礦震擾動位移直接決定礦震擾動強(qiáng)度的大小，可用于分析礦震擾動作用下的采掘空間圍巖的沖擊危險程度。因此，下面對礦震擾動位移場的分布規(guī)律進(jìn)行分析。

4.1 礦震擾動的位移場特征

一般情況下，發(fā)生礦震的斷裂面尺寸遠(yuǎn)小于震動波波長與傳播距離，因此可把礦震震源看作點源。根據(jù)定量地震學(xué)相關(guān)理論，張拉型礦震震源的等效點源作用力滿足一對大小相等、方向相反的張力的點源模型，如圖5(a)所示；剪切型礦震震源的等效點源作用力滿足對軸相等的雙力偶點源模型，如圖5(b)所示。圖5中球坐標(biāo)系下，，分別代表圍巖中一點相對震源點的徑向距離、傾角與方位角，()為礦震點源作用力，為時間，可得到張拉型與剪切型礦震震動波作用下的位移場分布。周圍巖體在張拉型礦震震動波作用下的位移場分布為

圖5 張拉型與剪切型礦震的點源作用力示意

(2)

周圍巖體在剪切型礦震震動波作用下的位移場分布為

(3)

式中，，，為2類震動波影響下的周圍煤巖體在，，方向上的位移分量，上標(biāo)t和s分別為張拉型與剪切型礦震；為介質(zhì)密度；和分別為以P波速度和S波速度傳播至處的球面波：

(4)

(5)

(6)

由式(5)，(6)可知，礦震擾動位移與巖體的破斷形式、破斷面內(nèi)部的應(yīng)力特征、介質(zhì)密度與波速和圍巖所處空間位置有關(guān)。下面將理論分析張拉型與剪切型礦震作用下采掘空間圍巖撓動位移隨圍巖空間方位的變化規(guī)律。

4.2 張拉型礦震擾動位移場的空間分布規(guī)律

由式(5)可知，采掘空間圍巖在礦震擾動作用下的徑向、傾向與環(huán)向位移均隨傳播距離快速降低。由于產(chǎn)生礦震的巖體破斷與介質(zhì)初動具有方向性，因此，礦震震動波對圍巖的撓動位移會隨巖體所處的空間位置發(fā)生顯著變化。根據(jù)式(5)，在傳播距離一定時，保持其他變量恒定，礦震產(chǎn)生的擾動作用會隨傾角與方位角發(fā)生改變，由此可得張拉型礦震擾動位移的空間分布規(guī)律，如圖6所示。

圖6 張拉型礦震擾動作用下圍巖相對位移的空間分布

考慮到礦震擾動作用到采掘空間圍巖容易誘發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害，下面繼續(xù)分析張拉型礦震擾動對下部采掘空間圍巖的作用。

圖7為過震源位置、垂直于巖層沿其走向、傾向和45°方位的截面上礦震撓動位移的分布規(guī)律。圖中曲線上一點距離震源位置越遠(yuǎn)代表礦震擾動位移越大，也即撓動位移越大。圖7(a)為沿巖層走向方向的截面上擾動位移場的分布規(guī)律，藍(lán)色與紅色曲線分別代表徑向、傾向擾動位移的相對大小，且在該截面上巖層未產(chǎn)生環(huán)向的擾動位移。震源下部AB區(qū)域圍巖在礦震擾動作用下，產(chǎn)生的徑向位移明顯大于傾向方向的位移；AB兩側(cè)其他區(qū)域的巖層，在礦震擾動作用下的徑向與傾向位移相當(dāng)。與其他區(qū)域相比，AB區(qū)域巖層與震源的距離較小，其會受到更劇烈的礦震擾動作用，具有較高的沖擊危險性，該區(qū)域所受礦震擾動以徑向擾動為主。

圖7 過震源垂直巖層截面上圍巖相對位移場的分布

圖7(b)為沿巖層傾斜方向的截面上擾動位移場的分布規(guī)律，在該截面上巖層僅產(chǎn)生徑向擾動位移，未產(chǎn)生傾向與環(huán)向的擾動位移。圖7(c)為沿45°方位的截面上擾動位移場的分布規(guī)律，圖中藍(lán)色、紅色與洋紅色曲線分別代表距震源處，圍巖的徑向、傾向與環(huán)向擾動位移的相對值。震源下部AB區(qū)域圍巖的徑向擾動位移明顯大于其他方向，在AB區(qū)域兩側(cè)的其他區(qū)域，徑向擾動位移急劇減小，傾向與環(huán)向擾動位移相當(dāng)，且明顯大于徑向方向的擾動位移。

4.3 剪切型礦震擾動位移場的空間分布規(guī)律

由式(6)可知，與張拉型礦震類似，圍巖受剪切型礦震擾動產(chǎn)生的位移隨的增大快速降低。同樣地，當(dāng)一定時，保持其他變量恒定，可得采掘空間圍巖受剪切型礦震撓動位移隨空間方位的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 剪切型礦震擾動作用下圍巖相對位移場的空間分布

由圖8(a)和(b)可知，剪切型礦震擾動在過震源位置平行于巖層斷裂面(平面)沿走向與傾斜方向僅受環(huán)向擾動作用，徑向與傾向擾動位移均為0；過震源位置垂直于巖層斷裂面，沿走向與傾斜方向上的圍巖同樣僅受環(huán)向擾動作用。而過震源位置垂直于巖層斷裂面，在震源45°方位截面上僅受礦震徑向與傾向擾動，且徑向擾動位移明顯大于傾向擾動。

4.4 礦震擾動誘沖分析

以上主要分析了張拉型與剪切型礦震對采掘空間圍巖的擾動位移隨空間方位的變化規(guī)律。在已知巖體破斷形式和震源位置的前提下，可獲得圍巖所受的礦震撓動位移與作用方向的分布規(guī)律。張拉型與剪切型礦震對采掘空間圍巖的撓動位移，與震動波傳播距離和圍巖所處的空間方位有關(guān)，當(dāng)?shù)V震震源與具有沖擊危險性的采掘空間圍巖相距較近時，與震源的相對空間方位對礦震撓動位移的影響占主導(dǎo)地位。

礦震對采掘空間圍巖的擾動位移，是判斷圍巖應(yīng)力變化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、進(jìn)而分析沖擊地壓危險性的重要依據(jù)。對于采掘空間深部圍巖，其一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)，礦震擾動位移的增加，使得圍巖應(yīng)力增大，一旦超過其峰值強(qiáng)度，大量彈性應(yīng)變能得以釋放從而誘發(fā)圍巖失穩(wěn)破壞。對于采掘空間附近圍巖，在采動應(yīng)力與地應(yīng)力作用下，巖體局部應(yīng)力已超過其峰值強(qiáng)度而處于塑性軟化狀態(tài)，在礦震擾動作用下，可能發(fā)生非穩(wěn)定性變形失穩(wěn)，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

對于同一回采巷道，不同區(qū)域的巷道圍巖所受到的礦震撓動位移與擾動方向存在巨大差異，這為分區(qū)域研究礦震擾動誘發(fā)沖擊地壓提供了理論依據(jù)。以預(yù)靜應(yīng)力為基礎(chǔ)，考慮不同區(qū)域圍巖所受的礦震擾動特征，可確定采掘空間圍巖的彈性能聚集區(qū)域與變形失穩(wěn)區(qū)域，進(jìn)而研究巷道圍巖的沖擊破壞機(jī)制、相應(yīng)的監(jiān)測方法和針對性的沖擊地壓防治方法。

5 結(jié) 論

(1)礦震具有廣泛性、震動性與致災(zāi)性。震動性是礦震的首要特點，是礦震最根本的顯現(xiàn)特征。根據(jù)礦震震源巖體的基本斷裂形式，將煤礦礦震分為張拉型礦震與剪切型礦震。

(2)煤礦礦震與沖擊地壓均伴隨有彈性能釋放，但兩者在巖體破斷空間分布、能量釋放與動力現(xiàn)象的位置對應(yīng)關(guān)系、主要動力顯現(xiàn)特征、從屬關(guān)系與防治目標(biāo)等方面存在明顯區(qū)別。煤礦礦震與沖擊地壓最首要的動力顯現(xiàn)特征分別是震動性和災(zāi)害性，首要動力顯現(xiàn)特征不同是礦震與沖擊地壓最重要的區(qū)別。

(3)礦震擾動作用的應(yīng)變率小于10s時，巖石力學(xué)特性的應(yīng)變率效應(yīng)可以忽略，可基于疊加原理分析礦震誘發(fā)沖擊地壓的作用機(jī)制；而礦震擾動作用的應(yīng)變率大于10s時，采掘空間圍巖所受礦震擾動為動載作用，可基于工程擾動巖石動力學(xué)理論與動靜組合加載原理，考慮礦震擾動作用下煤巖體沖擊破壞的應(yīng)變率效應(yīng)，分析礦震動載擾動誘發(fā)沖擊地壓的作用機(jī)理。

(4)距張拉型礦震震源較近的下部采掘空間圍巖，在過震源位置垂直于巖層，沿巖層走向、傾向與震源45°方位的截面上，主要受徑向方向的礦震擾動。對于剪切型礦震，在巖層斷裂面的走向與傾斜方向上僅受環(huán)向方向的礦震擾動；在巖層斷裂面上，震源位置45°方位上受徑向與傾向方向礦震擾動，且徑向撓動位移明顯大于環(huán)向擾動。礦震對采掘空間圍巖的擾動位移，是判斷圍巖應(yīng)力變化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而分析沖擊地壓危險性的重要依據(jù)。

本文撰寫過程中遼寧大學(xué)潘一山教授、中國礦業(yè)大學(xué)竇林名教授參與討論并提出寶貴建議，在此一并表示衷心感謝。