《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Geophysical observations and numerical modeling constrain mining-induced subsidence and fault reactivation: A case study
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Jiefang Song|Lu Caiping|Wang Aiwen|Wang Lei|Zang Arno|Vavry?uk Václav|Song Chunhui|Elsworth Derek|Zhang Xiufeng辽宁大学灾害岩石力学研究所，沈阳，110036，中国摘要在
Jiefang Song|Lu Caiping|Wang Aiwen|Wang Lei|Zang Arno|Vavry?uk Václav|Song Chunhui|Elsworth Derek|Zhang Xiufeng
辽宁大学灾害岩石力学研究所，沈阳，110036，中国
摘要
在断层岩石中进行深部开采作业时，越来越受到由采矿引起的应力扰动所驱动的断层不稳定性的威胁。我们结合高分辨率微地震监测和三维数值模拟，对中国新九龙煤矿8302工作面的断层滑移和沉降机制进行了研究。通过对十个代表性高能地震（HES）事件的全矩张量反演，发现断层周围发生了以剪切为主的破裂，而上覆层则发生了以拉伸为主的破裂。数值模拟再现了高能地震事件在应力差异较大且不断变化的区域中的时空分布特征，揭示了采矿过程中断层的逐步重新激活过程。对非对称断层位移的分析表明，上盘和下盘均发生了沉降，其中开采区域的下方下盘沉降程度更大。这种模式与逆断层滑移不符，其原因在于采矿导致运动约束的解除，从而引起了应力重新分布。基于这些观察结果，我们提出了一种针对性的爆破策略，以缓解岩石应力，减少地震能量释放和事件频率，从而降低断层不稳定性的风险。这种综合观测和数值方法阐明了深部采矿环境中应力重新分布、断层滑移和诱发地震性之间的相互作用，为基于物理的地震风险管理和危害降低提供了依据。
引言
随着浅层煤炭储量的枯竭，深部采矿越来越多地遇到结构复杂的断层带。在这些断层附近进行采矿可能会引发不稳定，导致岩爆。例如，在一马矿区，大约93%的岩爆发生在距离附近断层1公里范围内的区域。这表明采矿引起的应力扰动在断层失稳中起着关键作用。由此产生的震动可能对巷道稳定性构成严重威胁，新九龙煤矿发生的灾难性岩爆便是例证。这些观察结果强调了更好地理解与采矿引起的应力扰动相关的断层滑移机制的必要性。
大量研究通过实验室实验、数值模拟和现场观测来研究断层滑移机制。这些研究涵盖了多个尺度，从实验室断层滑移实验和采矿引起的地震活动到自然地震。在采矿背景下，断层滑移不稳定性主要从四个方面进行研究：（1）由断层滑移引发的地震事件的来源机制；（2）巷道在地震荷载下的动态响应；（3）采矿顺序和巷道布局对断层稳定性的影响；（4）断层滑移效应对采矿安全的影响。然而，从地震学的角度来看，采矿引起的断层重新激活与自然地震在荷载条件上有根本区别。自然地震主要由大尺度构造应力积累驱动，而矿山中的断层重新激活则由开挖引起的局部应力扰动控制。尽管已经取得了实质性进展，但在深部采矿环境中，高能地震（HES）事件的来源特征、采矿引起的应力重新分布、断层滑移和沉降之间的联系仍然了解不足，这限制了对深部矿山中断层控制地震性的解释，并阻碍了有效缓解策略的发展。
开挖扰乱了断层带周围的原始应力平衡，可能引发渐进性的断层滑移不稳定。矩张量反演（MTI）是一种有效的工具，可用于解析断层带的运动行为。与断层破裂相关的采矿引起的震动往往包含较高的非双力矩（非DC）分量，反映了在扰动应力场下的复杂震源过程。将震源机制分析与数值模拟相结合，有助于约束断层滑移行为并追踪应力集中的演变过程。这种综合方法可以提升我们对局部断层滑移、应力迁移以及高能地震事件机制的理解。此外，在断层易发区域采取减压措施时，应考虑采矿引起的局部应力重新分布和变形。比如，有针对性的减压爆破可能有助于减少应力集中并延缓断层不稳定性的发生。
在这项研究中，我们通过整合密集的地震仪网络和三维数值模拟，研究了新九龙煤矿中FG1逆断层的滑移和沉降行为。我们选取了十个代表性高能地震事件进行详细分析，然后利用数值模型研究了采矿过程中的应力重新分布和断层响应。通过结合解释地震源特征和模型中的应力演变，我们旨在解释断层的重新激活、非对称沉降及其对深煤矿灾害缓解的影响。
章节片段
地质与采矿环境
8302工作面位于新九龙煤矿的8号采矿区。东侧以黄塘向斜为界，西侧与2020年开采完毕的8301采空区相邻。西北侧由北海断层形成边界，该断层倾角为45°–70°，最大垂直位移为65米（见图1）。该工作面沿走向延伸约270米，沿倾角延伸约1180米，埋藏深度在906至993米之间。
地震源的空间分布
为了研究采矿引起的地震活动的破裂特征，我们对地震事件的空间分布进行了系统分析，如图4和图5所示。
根据图5中的微地震事件定位结果，大多数事件集中在距煤层上方40–60米的范围内。上覆层中的事件数量大约是下层的三倍，表明上覆层的破裂起到了重要作用。
采矿引起的应力扰动引发的断层滑移动力学
为了研究采矿引起的应力扰动下FG1断层的滑移动力学和不稳定机制，我们重点关注了采矿作业引起的应力和位移场的变化，相关结果通过FLAC 3D数值模拟得出，见图7和图8。
讨论
采矿过程中的断层滑移常会引发震动，可能导致巷道不稳定。通过结合数值模拟和矩张量反演，我们研究了断层系统中破裂的演变过程，并将高能地震的发生与空间应力重新分布联系起来。进一步比较分析揭示了采矿引起的断层滑移与自然地震过程之间的根本差异。
结论
本研究考察了在结构复杂采矿环境中，采矿引起的应力扰动与逆断层滑移和沉降之间的关系。通过整合现场观测、矩张量反演和三维数值模拟，我们识别出了地震活动和断层重新激活的时空模式。以剪切为主的高能地震事件主要集中在构造敏感区域附近，尤其是FG1断层附近，但也表现出不同程度的变化。
作者贡献声明
Jiefang Song：撰写 – 原初草稿、软件开发、方法论制定、概念构思。Caiping Lu：撰写 – 审稿与编辑、资金争取。Aiwen Wang：撰写 – 审稿与编辑、资金争取。Lei Wang：撰写 – 审稿与编辑、方法论制定。Arno Zang：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。Václav Vavry?uk：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、方法论制定。Chunhui Song：数据可视化、软件应用、数据整理。Derek Elsworth：撰写 – 审稿与编辑。Xiufeng Zhang：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
A.W感谢中国国家自然科学基金（项目编号52374201）的支持。X.Z还感谢中华人民共和国应急管理部的关键科技项目（项目编号2024EMST070702）的支持。C.S感谢云南省基础研究项目（项目编号202601BE070001-048）的资助。作者们还要感谢杨仁淑教授和谭云良教授团队提供的相关现场资料。
