Occurrence mechanism of strong mining tremors under mining near goaf in deep mine with extremely thick strata
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摘要:
矿震是深部矿井开采必然出现的动力现象，针对鄂尔多斯矿区白垩系巨厚覆岩邻空采动强矿震频发的现状，采用地面离层探测、地表岩移监测等技术，结合Reissner厚板理论与相对矩张量反演方法，分析了工作面邻空采动下白垩系巨厚覆岩破断运移特征，研究了工作面实体煤阶段向邻空回采阶段过渡区域频发矿震震源破裂模式的演化规律，揭示了白垩系巨厚覆岩深部煤层邻空采动强矿震孕育发生机理。结果表明：综放工作面实体煤回采阶段，白垩系巨厚覆岩无明显裂隙产生，地表沉降稳定，沉降量最大为0.23 m；邻空回采阶段，裂隙发育高度最大至煤层上方444.8 m处白垩系巨厚覆岩，强矿震震源处地表总是最先达到最大沉降，强矿震发生前地表最大沉降量快速增加，较1个月前监测最大沉降量增大超60%，表明白垩系巨厚覆岩破断运动为强矿震动力源，强矿震扰动作用下，巨厚覆岩失稳引起地表再次快速沉降。白垩系巨厚覆岩初次破断步距为307.7 m，与工作面实际推进度基本吻合，佐证了强矿震由白垩系巨厚覆岩初次破断诱发；巨厚覆岩破断厚度增大，其初次破断步距增幅逐渐变缓；工作面面长增大，巨厚覆岩初次破断步距线性增长，巨厚覆岩初次破断形式由横“O-X”形转变为竖“O-X”形。邻空采动下，白垩系巨厚覆岩下岩层逐级向上破断，岩层自下而上破断诱发矿震震源主导破裂模式由压缩、剪切破裂向压缩、张拉破裂转变；随着邻空工作面采空范围进一步增大，裂隙扩展至白垩系巨厚覆岩后，不稳定巨厚覆岩张拉破断是诱发“8•20”强矿震的根本原因。研究结论可为深部矿井巨厚覆岩邻空采动强矿震的防控提供参考。
Abstract:Mining tremors is an inevitable dynamic phenomenon in deep mine mining, in view of the current situation that strong mining tremors occurs frequently in the Erdos mining area under mining near goaf in deep mine with extremely thick strata, we used techniques such as ground detection holes and surface stratum movement monitoring, combined with Reissner Thick Plate Theory and the relative moment tensor inversion method, to study the characteristics of strata rupture transport and the evolution of rupture-induced mining tremors source rupture pattern at the working face, and revealed the occurrence mechanism of strong mine tremor in deep coal with the Cretaceous extremely thick strata under goaf mining. The results show that: during the in the retreating period with no goaf nearby, extremely thick strata has no obvious fissures and the surface settlement is stable, with a maximum settlement of about 0.23 m; during the In the retreating period along with goaf, the fissures develop to a maximum height of 444.8 m above the coal seam in the extremely thick strata, and the surface always reaches the maximum settlement at the source of the mining tremor first, and the maximum settlement of the surface increases rapidly before the strong mining tremor occurs, which is more than 60% higher than the recent one. This indicates that the fracturing and movement of the extremely thick strata was the source of the strong mining tremor and that the instability of the extremely thick strata caused the surface to settle rapidly again as a result of the disturbance of the strong mining tremor. The initial fracturing step of the extremely thick strata is 331.82 m, which is consistent with the actual advance of the working face, and supports that the strong mining tremor was induced by the initial fracture of the extremely thick strata; the initial fracturing step increases gradually with the increase of the thickness of the extremely thick strata; the initial fracturing step increases linearly with the increase of the working face length, and the initial fracture of the extremely thick strata transforms from horizontal “O-X” shape to vertical “O-X” shape. The bottom-up rupture of the rock layer induced by the bottom-up rupture of the mining tremors source changed from compressional and shear rupture to compressional and tensional rupture; with the further increase of the mining area of the working face, the fissure extended to the extremely thick strata, and the tensional rupture of the unstable extremely thick strata was the root cause of the “8•20” strong mining tremor. The findings of the study can provide references for the prevention and control of strong mining tremors under mining near goaf in deep mine with extremely thick strata.
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0. 引 言
矿震是一种诱发地震[1]，是深部煤层采掘活动必然出现的动力现象。强矿震弹性波扰动作用下可能引发井下冲击地压灾害、引起地表晃动[2]，甚至造成地表塌陷、建构筑物损毁等次生灾害，威胁矿井安全生产、影响矿区居民正常生活[3]。鄂尔多斯矿区深部矿井白垩系地层巨厚覆岩以厚砂岩层为主，随着采空范围增大，强矿震频发。2021年以来，仅鄂尔多斯矿区就先后发生6起2.0级及以上强矿震[4]，严重制约了矿井正常接续，加深了矿区居民对矿震现象的恐慌，矿震问题由矿山安全问题演变为公共安全问题[5]。目前，鄂尔多斯矿区强矿震难以有效防控，亟待深入研究强矿震孕育发生机理。
巨厚覆岩下深部煤层开采条件不同，强矿震孕育发生机理相当复杂。窦林名等[2]综合分析了矿震波形特征、震动波速及井下矿压显现等海量矿震信息特征，对煤矿矿震进行了分类，定义了巨厚覆岩型矿震。曹安业等[6]研究发现非对称“T”型厚硬覆岩结构长臂侧主关键层易出现大尺度分层破断，是强矿震活动的主要动力源。白贤栖等[7]研究了高位巨厚覆岩运移规律，揭示了巨厚覆岩结构破断触发矿震机制。朱斯陶等[8]基于“关键层运动模式”建立了顶板运动型矿震的能量预测模型，提出了顶板运动型矿震能量计算方法。王树立等[9]分析了超厚高位红层砂岩破断运动与矿震活动规律，验证了巨厚红层损伤与频发强矿震的关联性。XU等[10]认为厚硬岩层破断运动是诱发强矿震的主要原因，探讨了厚硬岩层破断运动过程的应力、能量演化特征。赵科等[11]发现巨厚坚硬砂岩破断诱发强矿震后，破断失稳岩层高速下沉产生强烈震动。
巨厚覆岩破断运动诱发强矿震是覆岩结构演化、应力调整的结果，强矿震快速发生，但其孕育过程是较为缓慢的。王桂峰等[12]分析了采场空间矿震孕育的微震前兆信息，将矿震孕育过程分为能量释放期与能量突变期。李铁等[13]通过反演矿震弹性波的传播速度比与质点振动振幅比，阐述了强矿震孕育过程中弹性波场的变异特征。张月征等[14]基于钻孔应变观测系统量化分析了区域应力的演变趋势，发现强矿震孕育过程总是伴随区域应力场的动态调整。XUE等[15]分析了强矿震震动信号S波与P波能量比值的变化特征，认为强矿震孕育过程中煤岩体经历了不同损伤模式的转变。上述研究表明巨厚覆岩破断运动是深部煤层开采频发强矿震的主要原因，采用波速反演、应变观测等方法系统研究了强矿震孕育过程中能量场、应力场及煤岩损伤模式的演变特征。但要揭示深井巨厚覆岩下煤层开采强矿震孕育发生机理，本质上应探明岩层破断运移特征，则极大依赖于对采动下岩层破断运移的实时观测以及对岩层内在破裂模式的演化分析。
因此，以鄂尔多斯矿区某矿1208综放工作面巨厚覆岩邻空采动强矿震为研究背景，采用地面离层探测、地表岩移监测等技术，结合厚板理论与相对矩张量反演方法，分析工作面邻空采动下岩层破断运移特征及其逐级破断诱发矿震震源破裂模式的演化规律，揭示深部矿井巨厚覆岩邻空采动强矿震的孕育发生机理，以期为鄂尔多斯矿区类似地层开采条件煤层开采强矿震防控提供参考。
1. 工程概况
1.1 地层开采条件
鄂尔多斯某矿1208工作面为沿空综放工作面，位于矿井12盘区南翼，主采2-2煤，厚度8.51～9.51 m，平均9.08 m，煤层地质条件简单，开采深度为640～711 m。如图1所示，1208工作面西邻1206A工作面，两工作面终采线对齐布置，倾斜长均为290 m，留设5 m窄煤柱，其中1206A工作面走向长1120 m，2019年10月回采完毕；2021年5月，1208工作面进入邻空回采，截至2021年8月20日，1208工作面推进长度为2391.25 m，位于1206A工作面开切眼前方289.9 m。
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图 1 1208综放工作面平面示意Figure 1. Layout of No.1208 fully-mechanized top-coal caving working face1208工作面地层结构如图2所示，白垩系下统志丹群由多层厚砂岩组成，侏罗系中统安定、直罗组为砂岩、砂质泥岩及泥岩互层；侏罗系中统延安组为含煤地层，煤层以上至直罗组部分岩层以砂质泥岩、泥岩为主。白垩系覆岩整体厚度在300 m左右，白垩系巨厚覆岩破断运动可能导致工作面回采期间发生强矿震、冲击等动力灾害。另外，由于1208工作面开采范围表土厚度薄，白垩系巨厚覆岩破断运动诱发强矿震后，震动波衰减慢，易引起地表出现震感[16]。
1.2 矿震显现特征
2021年8月20日下午17时41分51秒，1208工作面发生强矿震，能量为5.56×105 J，经内蒙古地震局核实震级约为2.4级。矿震震源位于工作面后方227 m、邻空巷道以里180 m。矿震发生时地面有轻微震感，震源平面定位如图1所示。
图3为1208工作面邻空回采前后微震活动定位分布情况。区域Ⅰ：2020年9月至12月，工作面实体煤回采，推进进尺586.6 m，并未发生大于105 J的较大能量事件；区域Ⅱ：2021年1月至4月，工作面不断向侧向采空区推进，推进进尺254.9 m，监测到能量超过104 J的微震事件71次，占总能量的65.62%，其中46次发生在煤壁前方靠1206A采空区侧；区域Ⅲ：2021年5月至8月中下旬，工作面进入邻空回采，推进进尺238.8 m，各能量区间微震事件频次均有增长，总频次较邻空回采前增长1.35倍，微震事件沿走向、倾向的分布范围更广。
结合图3b可知，1208工作面邻空回采时，微震事件增多、分布范围增大。采空范围增大后，引起侧向采空区顶板岩层垮落范围增大，导致面后顶板松软岩层迅速垮落。微震事件在工作面实体煤向邻空回采过渡区域聚集，反映了工作面实体煤回采与邻空回采的过渡区域顶板岩层运动活跃，岩层逐级向上产生新的破断，频繁诱发矿震事件。
邻空采动下，工作面实体煤向邻空回采的过渡区域，各能量区间微震频次升高，尤其高能量区间微震频发、能量等级升高，最终孕育诱发强矿震。因此需对深部矿井巨厚覆岩工作面邻空采动岩层破断运移特征及强矿震孕育发生机理进行深入研究，为强矿震防控提供理论支撑。
2. 巨厚覆岩邻空采动地层破断运移特征
2.1 邻空采动地层破断观测
矿井在1208工作面开采范围沿走向布置了3个地面离层探测孔，用于观测工作面回采后岩层破断情况，探测孔平面布置如图1所示。探测孔A、B位于工作面实体煤回采范围，走向上超前1208开切眼分别为305、750 m，终孔位置分别位于煤层上方105.6、93.8 m；探测孔C位于工作面邻空回采范围，位于1206A开切眼前方260 m，终孔位置位于煤层上方84.9 m。3个离层探测孔覆盖地层自地表而下为Q4系至J2z系，如图4所示。
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图 4 1208工作面地面离层探测孔观测结果Figure 4. Ground detection holes observation results of No.1208 working face由图4可知，工作面实体煤回采阶段，顶板裂隙发育高度最大达到煤层上方320.5 m，岩层间裂缝宽度小，呈环状分布，而白垩系巨厚覆岩孔壁完好无裂隙，表明白垩系巨厚覆岩未形成破断，结合图3可知，工作面实体煤回采阶段并未发生强矿震；工作面邻空回采阶段，根据观测点C3窥视结果，强矿震发生前，白垩系下岩层出现裂缝，形成较小离层，工作面继续向前推进，白垩系巨厚覆岩下岩层破碎、塌孔严重，表明巨厚覆岩下岩层已完全破断。由观测点C2窥视结果，岩层裂隙不断向上发育扩展至白垩系巨厚覆岩后，巨厚覆岩出现多条环状裂缝，发育宽度较大。
综上，工作面进入邻空回采后，裂隙发育高度增大，扩展至白垩系巨厚覆岩后裂隙宽度进一步发育，初步推测强矿震与白垩系巨厚覆岩破断运动有一定联系。
2.2 邻空采动地表岩移监测
深部矿井开采引起地表下沉，甚至造成塌陷等次生灾害。因此矿井在12盘区布置多条地表岩移监测线，定期对工作面开采后地表岩移进行监测，测线平面布置情况如图1所示。对1208工作面实体煤回采与邻空回采阶段进行地表沉降监测，结果如图5所示。
由图5可知，工作面实体煤回采阶段，地表最大沉降量约为0.23 m，随着工作面继续推进地表沉降无明显变化，表明地层活动已经趋于稳定；工作面邻空回采阶段，在实体煤回采向邻空回采过渡区地表总是最先沉降，且沉降量最大，工作面进入邻空回采约2个月(进尺约为180 m)，地表最大沉降量就超过实体煤回采期间最大稳定沉降量，同时在强矿震发生前后1个月，地表沉降量显著增大，表明邻空采动下，地层结构不稳定，岩层运动易诱发强矿震，而强矿震的发生将导致地层结构再次失稳，引起地表迅速沉降。
图6为走向线H岩移监测情况，由图6可知，邻空采动下，1208工作面实体煤回采向邻空回采过渡区域地表总是达到最大沉降，随工作面推进地表沉降速率逐渐增大。2021-07-31—2021-08-19期间，地表最大沉降量由0.23 m增加至0.38 m，表明邻空段白垩系巨厚覆岩结构处于弯曲下沉阶段，巨厚覆岩结构大量弹性能快速积聚；2021-08-19—2021-09-08期间，“8•20”强矿震发生后，工作面停产，但地表最大沉降量仍增大至0.49 m，结合地面探测孔观测结果可推知，邻空采动下，白垩系巨厚覆岩发生破断诱发强矿震，伴随大量弹性能瞬间释放，而在强矿震弹性波扰动作用下，白垩系巨厚覆岩失稳，引起地表再次迅速沉降。
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图 6 1208工作面走向线H地表下沉情况Figure 6. Surface subsidence of strike line H of No.1208 working face3. 巨厚覆岩邻空采动结构破断特征
3.1 巨厚覆岩邻空采动力学模型
随邻空工作面开采范围增大，顶板岩层受支撑情况发生改变[17]：初次来压前，顶板边界条件为邻空侧简支，其余3边固支；周期来压时，边界条件变为2边简支、2边固支，如图7所示。
目前，主要采用“梁”理论和“板”理论研究工作面上覆岩层稳定性，但对于类似鄂尔多斯矿区深部矿井赋存条件的白垩系巨厚覆岩，梁理论已不适用[9]。借助“板”理论对巨厚覆岩的破断运动分析更有意义。
依据宽厚比将板分为薄板和厚板，薄板和厚板满足下式[18]：
$$ \left\{\begin{array}{l}\left(\dfrac{1}{100}\sim \dfrac{1}{80}\right)\leqslant \dfrac{{h}}{b}\leqslant \left(\dfrac{1}{8}\sim \dfrac{1}{5}\right)\text{},\quad 薄板\\ \left(\dfrac{1}{8}\sim \dfrac{1}{5}\right) < \dfrac{{h}}{b}\text{}\text{},\qquad \qquad \qquad \quad \,\,\, 厚板\end{array} \right.$$ (1) 根据1208工作面开采地层条件，邻空回采期间面长为585 m，白垩系巨厚覆岩整体厚度约为300 m，其宽厚比为300/585≈1/2，属于厚板范畴。因此，采用厚板相关理论对1208工作面白垩系巨厚覆岩破断运动问题进行求解。
3.2 巨厚覆岩邻空采动破断规律
将1208工作面开采范围白垩系巨厚覆岩简化为一正交各向异性长度为a、宽度为b、厚度为h的矩形厚板，沿弹性主方向建立坐标系，如图8所示。q为白垩系巨厚覆岩上覆载荷，X=0处为1206A开切眼，沿X正方向为工作面推进方向，沿Y轴正方向分别为1206A、1208工作面。
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图 8 白垩系巨厚覆岩厚板理论模型Figure 8. Theoretical model of thick plate of Cretaceous extremely thick strata根据图8，基于截面变形几何相似假定[19]，得到白垩系巨厚覆岩厚板力学模型的基本方程：
$$ \left\{ \begin{gathered} D \Delta {{w}} = {{q}} - \frac{{2 - \mu }}{{10\left( {1 - \mu } \right)}}{h^2}\Delta q \\ \frac{{{h^2}}}{{10}}\Delta {Q_x} - {Q_x} = D\frac{\partial }{{\partial x}}\Delta {{w}} + \frac{{{h^2}}}{{10\left( {1 - \mu } \right)}} - \frac{{\partial q}}{{\partial x}} \\ \frac{{{h^2}}}{{10}}\Delta {Q_y} - {Q_y} = D\frac{\partial }{{\partial y}}\Delta {{w}} + \frac{{{h^2}}}{{10\left( {1 - \mu } \right)}} - \frac{{\partial q}}{{\partial y}} \\ \end{gathered} \right. $$ (2) 式中：$D$为弯曲刚度，$D{\text{ = }}\dfrac{{E{{\text{h}}^3}}}{{12\left( {1 - {\mu ^2}} \right)}}$；${{w}}$为垂直挠度；${{q}}$为巨厚覆岩上覆载荷；$\mu $为泊松比；h为巨厚覆岩厚度；${Q_{{x}}}$，${Q_{{y}}}$为剪力。
求解上式，得到厚板弯矩的一般解：
$${\begin{split} {{{M}}_{{y}}} =& - \dfrac{{q{b^4}}}{{{\lambda _{{\mathrm{c1}}}}^2}}\dfrac{{{G_1}{H_1}}}{{{R_1}{S_1}}}\left\{ {\mu \left( {{X_1}^{\prime \prime }Y{{ + }}\dfrac{{{{{b}}^2}}}{{{{{a}}^2}}}{X_1}{Y_1}^{\prime \prime }} \right)} \right. + {I_2}{h^2} \left[ {{X_1}{Y_1}{{^{\prime \prime }}^{\prime \prime }}} \right. + \\ & \left. {\left. {\left( {1 + u} \right)\left( {{X_1}^{\prime \prime }{Y_1}{{^{\prime \prime }}^{\prime \prime }} + \mu {X_1}^{\prime \prime }{Y_1}^{\prime \prime }} \right)} \right]} \right\}{\rm{ + }}q{{\rm{h}}^2}{I_4} \end{split}} $$ (3) 式中，${\lambda _{{{{\mathrm{c}}}}1}}$表示为
$$ {\lambda _{{\rm{c}}1}}{\text{ = }}\dfrac{{\dfrac{{{M_1}}}{{{R_1}}}{{\left( {\dfrac{{{b}}}{a}} \right)}^4}{\text{ + }}\dfrac{{2\mu {E_1}F{\text{ + }}2\left( {1 - \mu } \right){X_1}{L_1}}}{{{R_1}S}}{{\left( {\dfrac{{{b}}}{a}} \right)}^2} + \dfrac{{{N_1}}}{{{S_1}}}}}{{1 + {I_2}{{\left( {\dfrac{{{h}}}{{\text{a}}}} \right)}^2}\left( {\dfrac{{{K_1}}}{{{R_1}}}} \right){\text{ + }}\dfrac{{{L_1}}}{{{S_1}}}}} $$ (4) 其中，b为工作面面长；a为工作面进尺；${{{I}}_2}{{ = }}\dfrac{1}{{5\left( {1 - \mu } \right)}}$，${{{I}}_4}{{ = }}\dfrac{\mu }{{10\left( {1 - \mu } \right)}}$；${\lambda _{{\rm{c}}1}}$，${M_1}$，${N_1}$，${R_1}$，${S_1}$，${L_1}$，${K_1}$，${G_1}$，${H_1}$，$ {E_1} $，${F_1}$为深梁函数确定的函数，当XY平面厚板边界支承条件相同时有：${M_1}{\text{ = }}{N_1}$，${R_1}{\text{ = }}{S_1}$，${L_1}{\text{ = }}{K_1}$，$ {E_1}{\text{ = }}{F_1} $[20]。
${X_1}$，${Y_1}$为深梁振型函数：
$$ \left\{ \begin{gathered} {X_1}{\text{ = }}\left( {{\text{ch}}\;{\alpha _1}x - \cos\; {\alpha _1}x} \right) - {\alpha _1}\left( {{\rm{sh}}\;{\alpha _1}x - \sin \;{\alpha _1}x} \right) \\ {Y_1}{\text{ = }}\left( {{\text{ch}}\;{\alpha _1}y - \cos\; {\alpha _1}y} \right) - {\alpha _1}\left( {{\rm{sh}}\;{\alpha _1}x - \sin \;{\alpha _1}x} \right) \\ \end{gathered} \right. $$ (5) 式中，${\alpha _1}$，${\alpha _1}{{x}}$分别为深梁振型函数系数和梁频系数；${{{\rm{sh}}\;x}}$，${\text{ch}\;x}$分别为双曲正弦、余弦函数。
将式(5)代入式(4)求解得到${M_1}{\text{ = ch}}\left( {2{\alpha _1}{{a}}} \right)$，${R_1} = {\rm{sh}} \left( {2{\alpha _1}{{a}}} \right)$，${L_1}{\text{ = sh}}\left( {{\alpha _1}{{a}}} \right)$，${E_1}{\text{ = ch}}\left( {{\alpha _1}{{a}}} \right)$，${{{G}}_1}{\text{ = sin}}\left( {{\alpha _1}{{a}}} \right)$，${H_1}{\text{ = cos}}\left( {{\alpha _1}{{a}}} \right)$，厚板弯矩表达式可进一步写为
$$ \begin{split} & {{{M}}_{{y}}}= - \frac{{0.96q{b^4}}}{{{\lambda _{c1}}^2}}\left\{ {\left[ {\mu \left( {{X_1}^{\prime \prime }{Y_1} + \frac{{{{{b}}^2}}}{{{{{a}}^2}}}{X_1}{Y_1}^{\prime \prime }} \right)} \right]} \right. + {I_2}{h^2}\times \\&\;\; \left. {\left[ {{X_1}{Y_1}{{^{\prime \prime }}^{\prime \prime }}{\text{ + }}\left( {1 + \mu } \right){X_1}^{\prime \prime }{Y_1}{{^{\prime \prime }}^{\prime \prime }} + \mu {X_1}{{^{\prime \prime }}^{\prime \prime }}Y} \right]} \right\}{{ + }}q{h^2}{I_4} \\ \end{split} $$ (6) 根据白垩系巨厚覆岩边界条件[20]，可知砂岩层在$ x = a/2 $，$ {{y}} = b/2 $处弯矩取得最大值$ {M_{\max }} $。
$$ \begin{split} & {{{M}}_{{\text{max}}}} =\frac{{0.96q{b^4}}}{{{\lambda _{c1}}^2}}\left( {7.84\mu + 2.55{I_2}{h^2}} \right. + \\&\quad 3.49\mu {I_2}{h^2}\left. { + 1.43\frac{{\mu {b^2}}}{{{a^2}}}} \right){\text{ + }}q{h^2}{I_4} \end{split} $$ (7) 巨厚覆岩下表面存在最大拉应力$ {\sigma _{\max }} $[9]：
$$ {\sigma _{{\text{max}}}}{\text{ = }}\frac{{12{M_{\max }}}}{{{h^2}}}Z = \frac{{12{M_{\max }}}}{{{h^2}}}\frac{{{h}}}{2} = \frac{{6{M_{\max }}}}{{{h^2}}} $$ (8) 当白垩系巨厚覆岩极限抗拉强度与最大拉应力存在关系$ {\sigma _{\text{s}}}{\text{ = }}{\sigma _{{\text{max}}}}{\text{ = }}6{M_{\max }}/{h^2} $时，白垩系砂岩厚层发生初始破坏[21]，联立上式可得：
$$ \begin{split} &{\sigma _{\text{s}}} = \frac{{4.14q{b^4}}}{{{\lambda _{c1}}^2}}\left( {\frac{{7.84\mu }}{{{h^2}}} + 2.55{I_2}} \right.+ \\&\;\; \left. { 3.49\mu {I_2} + 1.43\mu \frac{{{b^2}}}{{{a^2}{h^2}}}} \right) + 6q{I_4} \\ \end{split} $$ (9) 由上式可知，影响1208工作面上方白垩系巨厚覆岩初次破断的因素有：覆岩破断厚度h、工作面面长b、上覆载荷q、岩层抗拉强度σs。
根据1208工作面实际地层开采情况，结合地面离层探测结果，巨厚覆岩并未发生整层破断，巨厚覆岩破断厚度为h ≈110 m；考虑到巨厚覆岩下岩层破断角为77°[7]，取b =447 m；取表土层厚50 m，则上覆载荷q =1.25 MPa；σs =2.62 MPa，代入式(9)求解可得白垩系巨厚覆岩初次破断步距约为307.7 m，此时工作面推进过1206A开切眼289.9 m，理论计算结果与实际开采条件及探测结果基本吻合，佐证了“8•20”强矿震由白垩系巨厚覆岩初次破断诱发。
定义工作面面长与岩层初次破断步距比值为采空区几何形状系数，即$\chi {{ = b / a}}$，进一步计算得白垩系巨厚覆岩破断厚度与其初次破断步距关系如图9所示。
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图 9 巨厚覆岩破断厚度与其初次破断步距关系Figure 9. Relationship between fracture thickness of extremely strata and its initial fracturing step由图9可知，白垩系巨厚覆岩初次破断步距与其破断厚度正相关，受工作面尺寸效应影响，巨厚覆岩初次破断步距增幅明显变缓。
保持其他参数不变，工作面面长变化时，代入式(9)，求解可得工作面面长与白垩系巨厚覆岩初次破断步距的关系，如图10所示。由图可知，邻空回采工作面面长进一步增大，白垩系巨厚覆岩初次破断步距与采空区几何形状系数$ \chi $均呈线性增长，邻空采动下白垩系巨厚覆岩初次破断形式由横“O-X”形转变为竖“O-X”形。
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图 10 工作面面长与白垩系巨厚覆岩初次破断步距关系Figure 10. Relationship between length of working face and initial fracturing step of extremely thick strata4. 巨厚覆岩邻空采动强矿震孕育发生机理
4.1 矿震震源破裂类型判识
采用相对矩张量反演方法[22]解析得到煤矿采动诱发矿震事件矩张量，将矩张量分解为各向同性分量(ISO)、补偿线性矢量偶极子分量(CLVD)及双力偶分量(DC)，分别对应煤岩体的体积变形、轴向拉伸及剪切位移，根据各分量在矩张量中占比可判断矿震震源破裂类型。OHTSU M[23]提出以双力偶分量在矩张量中占比$ {M_{DC}} $判识煤岩体破裂类型，但未考虑研究对象的压缩状态。而基于位错夹角判识准则[24]，震源位置煤岩物理力学性质不明极大影响震源破裂类型的准确判识。为进一步提高煤岩破裂类型判识的准确性，ZHAO[25]基于OHTSU M的研究提出新的煤岩破裂判据，如图11所示。
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图 11 震源机制判据n，v分别为破裂面的法向量及滑移向量；T、B、P分别为最大、中间、最小主应力轴，T、B、P相互正交Figure 11. Criterion of focal mechanisms of mining seismicity将矩张量分解得到ISO、CLVD及DC 3个分量：
$$ \left\{ \begin{gathered} {M_{{\mathrm{ISO}}}} = \frac{1}{3}\left( {{M_1} + {M_2} + {M_3}} \right) \\ {M_{{\mathrm{CLVD}}}} = \frac{2}{3}\left( {{M_1} + {M_3} - 2{M_2}} \right) \\ {M_{{\mathrm{DC}}}} = \frac{1}{2}\left( {{M_1} - {M_3} - \left| {{M_1} + {M_3} - 2{M_2}} \right|} \right) \\ \end{gathered} \right. $$ (10) 式中，M1、M2、M3分别为矩张量的特征值，其中$ {M_1} \geqslant {M_2} \geqslant {M_3} $。
进一步求得ISO、CLVD及DC 3个分量在矩张量中的占比为：
$$ \left\{ \begin{gathered} {P_{{\rm{ISO}}}} = \frac{{{M_{\rm{{ISO}}}}}}{{\left| M \right|}} \times 100{\text{ \% }} \\ {P_{{\rm{CLVD}}}} = \frac{{{M_{{\rm{CLVD}}}}}}{{\left| M \right|}} \times 100{\text{ \% }} \\ {P_{{\rm{DC}}}} = \frac{{{M_{{\rm{DC}}}}}}{{\left| M \right|}} \times 100{\text{ \% }} \\ \end{gathered} \right. $$ (11) 综上，煤岩破裂的判识准则可表示为
$$ \left\{ \begin{array}{l}{P}_{{\rm{DC}}}\geqslant 60\text{% }，纯剪切破裂\\ {P}_{{\rm{DC}}}\leqslant 40\text{% }且\text{ }{P}_{{\rm{ISO}}} > 0\text{ }，纯张拉破裂\\ {P}_{{\rm{DC}}}\leqslant 40\text{% }且\text{ }{P}_{{\rm{ISO}}} < 0\text{ }，纯压缩破裂\\ 40\text{%} < {P}_{{\rm{DC}}} < 60\text{% }且\text{ }{P}_{{\rm{ISO}}} > 0\text{ }，剪切 - 张拉破裂\\ 40\text{%} < {P}_{{\rm{DC}}} < 60\text{% }且\text{ }{P}_{{\rm{ISO}}} < 0\text{ }，剪切 - 压缩破裂\end{array} \right.$$ 式中，PISO、PCLVD及PDC分别表示矩张量的3个分量占矩张量的百分比。
4.2 强矿震孕育发生机理
图12为1208工作面实体煤向邻空回采过渡区微震定位：2021年5月，实体煤与邻空过渡区域能量超过104 J的微震事件37起。2021年6月，微震事件5起(图12b中用洋红色填充)；2021年7月，微震事件仅3起(图12b中用绿色填充)，截止 “8•20”强矿震发生，微震事件增多至16起。
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图 12 实体煤进入邻空回采过渡区微震分布Figure 12. Microseismic distribution of transition zone at solid coal entering goaf显然，工作面进入邻空回采初期，煤层上方低位岩层顶板形成破断，及时垮落；工作面继续推进，由于较高层位的顶板整体性强，承载能力较大，不易破断；采空范围进一步增大，煤层上方顶板开始新一轮破断，并最终诱发“8•20”强矿震。“8•20”强矿震的发生是岩层自下而上逐级破断、垮落形成的结果，是岩层破断高度不断扩展、孕育的过程。
图13为SOS微震监测系统接收到的“8•20”强矿震震动波形及震源机制反演结果。强矿震横波与纵波能量比值为ES/EP ≈10，表明震源破裂模式以张拉破裂为主[26]，强矿震活动与采空区顶板张拉破断、冒落有关。由震源机制反演结果可知，强矿震的ISO、CLVD及DC分量在矩张量中占比分别为PISO=6.37 %，PCLVD=74.02%，PDC=19.61%，强矿震震源破裂类型为纯张拉破裂，因此认为“8•20”强矿震是工作面邻空采动下白垩系巨厚覆岩张拉破断诱发。
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图 13 “8•20”强矿震波形及其震源机制Figure 13. Seismic waves and its focal mechanism of “8•20” strong mining tremor进一步求解工作面实体煤向采空区回采过渡区域不同时间段各微震事件震源机制解。如图14a所示，2021年5月，纯张拉、纯剪切、纯压缩、剪切−张拉及剪切−压缩破裂事件数比为7∶7∶15∶5∶3，纯张拉、纯剪切及纯压缩破裂是微震震源主要破裂类型。其中，纯张拉破裂事件分布在回采工作面邻空侧及侧向采空区，这是由于采空区形成后，煤层上方低位顶板岩层破断、垮落压实，与高位岩层形成离层破断空间，工作面邻空采动下高位岩层跨度增大，直接造成高位岩层破断。与之相反，纯压缩破裂事件的分布主要集中在回采工作面实体煤侧，由于工作面上方软弱岩层垮落充填了采空范围，使得岩层活动空间受限，因此岩层活动以破断挤压为主。岩层张拉、压缩破断后总是伴随一系列的纯剪切破裂事件，而邻空侧剪切破裂事件数明显多于实体煤侧。
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图 14 邻空采动下微震震源机制解及其分布Figure 14. Horizontal distribution and CLVD-ISO proportion diagram of focal mechanism of mining tremor induced under mining near goaf图14b为2021年6月至8月(截止“8•20”强矿震发生时)，1208工作面发生的多起微震事件的震源机制解及其分布。可知，2021年6月至7月的微震事件以纯剪切、剪切−张拉破裂为主，主要分布在工作面后方采空区实体煤及煤柱区域，震动能量最大不超过3×104 J。这是由于侧向煤体及区段煤柱的承载作用使得部分岩块并未及时垮落，而工作面继续向前推进，煤层上方未破断的岩层悬露面积逐渐增大，导致其承受载荷增大并作用于下方未垮落岩块，岩块间相互错动滑移从而诱发了多起纯剪切、剪切−张拉破裂事件，2021年6月至7月采空范围的低位岩层垮落充分。2021年8月，工作面继续推进，低位岩层及时垮落后，后方采空区高位顶板悬顶范围进一步增大，顶板承受载荷增大超过其承载极限后，顶板岩层开始新一轮破断，破裂类型以纯张拉、纯压缩破裂为主，工作面实体煤进入邻空回采的过渡区域微震事件集中，反映了岩层破断层位不断向上扩展，并最终延伸至白垩系巨厚覆岩，巨厚覆岩开始弯曲下沉，随变形量增大快速积聚弹性能。采空范围进一步增大，白垩系巨厚覆岩以张拉破裂模式初次破断，弹性能迅速释放最终诱发“8•20”强矿震。
图15为1208工作面邻空回采期间煤层上方顶板岩层逐级破断、垮落，最终诱发强矿震的全过程示意图。由图15a可知，工作面回采后，侏罗系延安组岩层及时垮落，充填采空区，而侏罗系安定直罗组岩层破断后形成不稳定岩块，块体间相互错动诱发剪切破裂型矿震事件。白垩系巨厚覆岩下岩层逐级向上破断、垮落后，裂隙延伸至白垩系巨厚覆岩，采空范围逐渐增大，白垩系巨厚覆岩处于弯曲下沉状态，弹性能快速积聚；由图15b可知，白垩系巨厚覆岩下岩层破断、垮落错动后，与白垩系巨厚覆岩之间形成离层空间，白垩系巨厚覆岩裂隙不断发育，不稳定巨厚覆岩张拉破断诱发了“8•20”强矿震。
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图 15 1208工作面邻空采动强矿震孕育发生机理示意Figure 15. Schematic of occurrence mechanism of strong mining tremors under mining near goaf in No.1208 working face5. 结 论
1）白垩系巨厚覆岩破断运动为强矿震动力源。邻空采动下，强矿震发生前裂隙扩展至煤层上方444.8 m处白垩系巨厚覆岩，强矿震震源处地表最先达到最大沉降，较近期监测最大沉降量增长超60%，巨厚覆岩快速积聚弹性能；巨厚覆岩破断诱发强矿震，强矿震扰动作用下，巨厚覆岩失稳，引起地表再次快速沉降。
2）理论求解得到白垩系巨厚覆岩初次破断步距为307.7 m，与工作面实际推进度基本吻合，佐证了强矿震由白垩系巨厚覆岩初次破断诱发；工作面尺寸效应影响下，巨厚覆岩初次破断步距增幅随其破断厚度增大逐渐变缓；工作面面长增大，巨厚覆岩初次破断步距呈线性增长，巨厚覆岩初次破断形式由横“O-X”形转变为竖“O-X”形。
3）邻空采动下，工作面实体煤向邻空回采过渡区岩层逐级向上破断，岩层活动诱发矿震震源主导破裂类型由压缩、剪切破裂向压缩、张拉破裂转变；采空范围增大，裂隙扩展至白垩系巨厚覆岩后，不稳定巨厚覆岩张拉破断最终诱发了“8•20”强矿震。
4）通过分析邻空采动下岩层破断运移特征及其逐级破断诱发矿震震源破裂模式的演化规律，初步探索了巨厚覆岩邻空采动强矿震孕育发生机理，研究结果与现场实际情况基本吻合，对类似地层开采条件下强矿震防控有一定参考价值。
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图 1 1208综放工作面平面示意
Figure 1. Layout of No.1208 fully-mechanized top-coal caving working face
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图 4 1208工作面地面离层探测孔观测结果
Figure 4. Ground detection holes observation results of No.1208 working face
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图 6 1208工作面走向线H地表下沉情况
Figure 6. Surface subsidence of strike line H of No.1208 working face
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图 8 白垩系巨厚覆岩厚板理论模型
Figure 8. Theoretical model of thick plate of Cretaceous extremely thick strata
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图 9 巨厚覆岩破断厚度与其初次破断步距关系
Figure 9. Relationship between fracture thickness of extremely strata and its initial fracturing step
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图 10 工作面面长与白垩系巨厚覆岩初次破断步距关系
Figure 10. Relationship between length of working face and initial fracturing step of extremely thick strata
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图 11 震源机制判据
n，v分别为破裂面的法向量及滑移向量；T、B、P分别为最大、中间、最小主应力轴，T、B、P相互正交
Figure 11. Criterion of focal mechanisms of mining seismicity
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图 12 实体煤进入邻空回采过渡区微震分布
Figure 12. Microseismic distribution of transition zone at solid coal entering goaf
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图 13 “8•20”强矿震波形及其震源机制
Figure 13. Seismic waves and its focal mechanism of “8•20” strong mining tremor
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图 14 邻空采动下微震震源机制解及其分布
Figure 14. Horizontal distribution and CLVD-ISO proportion diagram of focal mechanism of mining tremor induced under mining near goaf
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[1] KANG J Q,ZHU J B,ZHAO J. A review of mechanisms of induced earthquakes:from a view of rock mechanics[J]. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources,2019,5(2):171−196. doi: 10.1007/s40948-018-00102-z
[2] 窦林名,曹晋荣,曹安业,等. 煤矿矿震类型及震动波传播规律研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(6):23−31. DOU Linming,CAO Jinrong,CAO Anye, et al. Research on types of coal mine tremor and propagation law of shock waves[J]. Coal Science and Technology,2021,49(6):23−31.
[3] WU K B,ZOU J P,JIAO Y Y, et al. Focal Mechanism of Strong Ground Seismicity Induced by Deep Coal Mining[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2023,56(1):779−795. doi: 10.1007/s00603-022-03079-0
[4] 曹安业,陈 凡,刘耀琪,等. 冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量响应规律[J]. 煤炭学报,2022,47(2):722−733. CAO Anye,CHEN Fan,LIU Yaoqi, et al. Response characteristics of rupture mechanism and source parameters of mining tremors in frequent coal burst area[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(2):722−733.
[5] 朱建波,马斌文,谢和平,等. 煤矿矿震与冲击地压的区别与联系及矿震扰动诱冲初探[J]. 煤炭学报,2022,47(9):3396−3409. ZHU Jianbo,MA Binwen,XIE Heping, et al. The differences and connections between mining seismicity and coal bursts incoal mines and preliminary study on coal bursts induced by mining seismicity[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(9):3396−3409.
[6] 曹安业,朱亮亮,李付臣,等. 厚硬岩层下孤岛工作面开采“T”型覆岩结构与动压演化特征[J]. 煤炭学报,2014,39(2):328−335. CAO Anye,ZHU Liangliang,LI Fuchen,Characteristics of T-type overburden structure and tremor activity in isolated face mining under thick-hard strata[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(2):328−335.
[7] 白贤栖,曹安业,杨 耀,等. 高位巨厚覆岩运移规律及矿震触发机制研究[J]. 煤炭科学技术,2023,51(3):10−20. BAI Xianxi,CAO Anye,YANG Yao, et al. Study on movement law of extremely thick strata and triggering mechanism of mine earthquakes[J]. Coal Science and Technology,2023,51(3):10−20.
[8] 朱斯陶,刘金海,姜福兴,等. 我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控[J]. 煤炭学报,2022,47(2):807−816. ZHU Sitao,LIU Jinhai,JIANG Fuxing, et al. Clsaaification,prediction,prevention and control of roof movement-type mine earthquakes and induced disasters in China’s coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(2):807−816.
[9] 王树立,张开智,蒋金泉,等. 超厚高位红层砂岩破断运动与矿震活动规律[J]. 采矿与安全工程学报,2016,33(6):1116−1122. WANG Shuli,ZHANG Kaizhi,JIANG Jinquan, et al. The fracture and rockburst laws of high-position hard and extremely thick red beds[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(6):1116−1122.
[10] XU C,FU Q,CUI X, et al. Apparent-depth effects of the dynamic failure of thick hard rock strata on the underlying coal mass during underground mining[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2019,52(5):1565−1576. doi: 10.1007/s00603-018-1662-3
[11] 赵 科,张开智,王树立. 巨厚覆岩破断运动与矿震活动规律研究[J]. 煤炭科学技术,2016,44(2):118−122. ZHAO Ke,ZHANG Kaizhi,WANG Shuli. Study on movement law of ultra thick overlying strata broken and coal mine earthquakes[J]. Coal Science and Technology,2016,44(2):118−122.
[12] 王桂峰,窦林名,李振雷,等. 冲击矿压空间孕育机制及其微震特征分析[J]. 采矿与安全工程学报,2014,31(1):41−48. WANG Guifeng,DOU Linming,LI Zhenlei, et al. Space breeding mechanism of rock burst and its microseismic characteristics[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2014,31(1):41−48.
[13] 李 铁,孙学会,吕毓国,等. 强矿震临界破裂阶段的岩体弹性波场[J]. 煤炭学报,2011,36(5):747−751. LI Tie,SUN Xuehui,LYU Yuguo, et al. Rockmass elastic-wave field at the critical unstable failure stage of strong mining-induced seismicity[J]. Journal of China Coal Society,2011,36(5):747−751.
[14] 张月征,王 涛,纪洪广,等. 基于区域应变效应的冲击地压孕育及预警机制[J]. 采矿与安全工程学报,2018,35(5):1022−1029. ZHANG Yuezheng,WANG Tao,JI Hongguang, et al. Study on the gestation and warning mechanism of rock burst based on the regional strain effect[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2018,35(5):1022−1029.
[15] XUE R,LIANG Z,XU N,et al. Rockburst prediction and stability analysis of the access tunnel in the main powerhouse of a hydropower station based on microseismic monitoring[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2020,126.
[16] 薄景山,李秀领,刘红帅. 土层结构对地表加速度峰值的影响[J]. 地震工程与工程振动,2003,23(3):35−40. doi: 10.13197/j.eeev.2003.03.006 BO Jingshan,LI Xiuling,LIU Hongshuai. Effects of soil layer construction on peak accelerations of ground motions[J]. Earthqueke Engnineering and Engnineering Vibration,2003,23(3):35−40. doi: 10.13197/j.eeev.2003.03.006
[17] 钱鸣高,许家林,王家臣,等. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,2020:82−86. QIAN Minggao,XU Jialin,WANG Jiacheng,et al. Mine pressure and strata control [M]. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2020:82−86.
[18] 龙述尧,姜 琛. 中厚板理论的适用范围和精确程度的研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2012,39(1):37−41. LONG Shuyao,JIANG Chen. Research on the applicable range and accuracy of moderately thick plate theory[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences),2012,39(1):37−41.
[19] REISSNER E. The effect of transverse shear deformation on the bending of elastic plates[J]. Journal of Applied Mechanics,1945,12(2):69−77. doi: 10.1115/1.4009435
[20] 杨胜利,王家臣,李良晖. 基于中厚板理论的关键岩层变形及破断特征研究[J]. 煤炭学报,2020,45(8):2718−2727. YANG Shengli,WANG Jiachen,LI Lianghui, et al. Deformation and fracture characteristics of key strata based on the medium thick plate theory[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(8):2718−2727.
[21] 夏彬伟,李晓龙,卢义玉,等. 大同矿区坚硬顶板破断步距及变形规律研究[J]. 采矿与安全工程学报,2016,33(6):1038−1044. XIA Binwei,LI Xiaolong,LU Yiyu, et al. Study on the breaking span and deformation of hard roof in Datong mining area[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(6):1038−1044.
[22] CAO A Y,LIU Y Q,CHEN F, et al. Focal mechanism and source parameters analysis of mining-induced earthquakes based on relative moment tensor inversion[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health,2022,19(12):7352. doi: 10.3390/ijerph19127352
[23] OHTSU M. Acoustic emission theory for moment tensor analysis[J]. Research in Nondestructive Evaluation,1995,6(3):169−184. doi: 10.1080/09349849509409555
[24] 陈 凡. 煤矿矿震破裂机制及其震源力学参量响应规律研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2019:41−42. CHEN Fan. Failure mechanism of mining induced tremor and response law of its source mechanics parameters[D]. Xuzhou:China University of Mining & Technology,2019:41−42.
[25] ZHAO Y,YANG T,ZHANG P, et al. Inversion of seepage channels based on mining-induced microseismic data[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2020,126:104180. doi: 10.1016/j.ijrmms.2019.104180
[26] 曹安业. 采动煤岩冲击破裂的震动效应及其应用研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2009:136−139. CAO Anye. Research on seismic effort of burst and failure of coal-rock mass associated with mining and its application[D]. Xuzhou:China University of Mining & Technology,2009:136−139.
-
期刊类型引用(6)
1. 窦林名，马小涛，边戈，刘涛，王洪涛，宋金波，刘彦强，周坤友. 深部厚顶煤巷道矿震诱发冒顶复合灾害机理及其控制. 采矿与安全工程学报. 2025(01): 85-96 . 
百度学术
2. 余伟健，郭涵潇，李可，廖泽，吴根水，潘豹. 厚硬顶板采场诱发逆断层失稳的力学机制研究. 煤炭科学技术. 2025(02): 1-11 . 本站查看
3. 赵乾，张帝，马平，韩刚，高敬勇，解嘉豪. 深埋冲击地压矿井多关键层结构稳定性及防冲减震技术研究. 力学与实践. 2025(02): 364-373 . 百度学术
4. 林韩祥，冯雪峰，张强勇，段抗，张修峰，刘传成，陈长鹏，赵钰. 高位厚硬岩层破断力学机制分析. 岩土力学. 2025(04): 1264-1277 . 百度学术
5. 杨耀，曹安业，刘耀琪，白贤栖，王常彬，薛成春，王强. 联合震源破裂信息反演解析巨厚覆岩强矿震应力触发机制. 煤炭学报. 2025(04): 2077-2090 . 百度学术
6. 窦林名，曹安业，杨耀，贺虎，杨垚鑫，白贤栖，顾倩悦，李松徽，付相超，顾颖诗，吴震，张帝. 巨厚覆岩矿震孕育破裂特征与应力触发机制. 煤田地质与勘探. 2024(10): 1-13 . 百度学术
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